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一种新型电网级卡诺电池储能系统：热集成优化与性能评估
本研讨提出了一种新式卡诺电池体系，其特点是退役燃煤电厂与抽水蓄热储能的深度融合，旨在提高体系全体功能并促进电网低碳转型。该体系选用温区匹配原则耦合多元组件，经过引进紧缩式热泵子体系捕获环境低档次热能，然后提高充电循环的运转温度。此外，经过将高压加热器旁路运转策略与Solar salt-Hitec盐混合体系相结合，该体系在放电进程中完成了释热温度规模的明显扩展。这些立异规划特征使得体系的往复功率到达57.35%，较参考体系提高了3.00%。除热功率提高外，所提出的体系还展现出明显的环境与经济效益，包含每年二氧化碳减排量约8.93×10³吨。5净现值提高1.5318亿美元，动态投资收回期缩短2.06年。敏感性剖析确定50℃为最优回热器入口温度，并筛选R245fa作为最佳工质。研讨进一步表明，提高紧缩机与涡轮机的等熵功率可持续优化体系全体功能。这些发现验证了所提大规模储能体系在技能与经济层面的双重可行性。
导言
可再生动力，特别是风能与太阳能，正在全球规模内快速开展，并已成为许多国家动力转型的要害组成部分[1]。2024年，风能与太阳能的装机容量分别增长了113吉瓦（+11.1%）和452吉瓦（+32.2%）[2]。但是，可再生动力的间歇性与动摇性特征对电网稳定性构成了重大应战[3]。电力体系日益面临读档不平衡、供应动摇和弃电等问题[4]。当时研讨普遍认为，大规模储能体系并网是应对这些应战的有效解决计划[5]。
常见的大规模储能技能包含：抽水蓄能[6]、紧缩空气储能[7]和电池储能[8]。与这些传统技能比较，卡诺电池作为电-热-电储能体系展现出共同优势，尤其在宽调节规模方面体现杰出。与抽水蓄能和紧缩空气储能所受地舆条件约束不同[9]，卡诺电池可灵活布置于任何地舆位置，这一特性使其特别适合在人口密集、经济兴旺区域应用。相较于电池储能，卡诺电池具有更高能量密度且不发生固体废弃物[10]。
但是，卡诺电池的往复功率（RTE）约为40%-50%[11]，这严峻阻止了卡诺电池的开展[12]。为解决这些问题，大量研讨聚集于提高体系能效。例如，Xue等[13]开发了一种使用燃煤电厂低温废气作为热源的卡诺电池体系。他们将热能存储体系的工作温度装备在140°C至160°C之间以完成废热收回最大化，并指出跟着热源温度升高，紧缩机压比会下降而体系COP值会提高。Li等[14]提出了一种立异式高温PTES体系，将跨临界CO2热泵循环与跨临界蒸汽朗肯循环耦合。研讨结果表明，梯级显热存储结构能有效解决节流不可逆性大的难题，并完成60.21%的高往复功率。部分研讨者经过改善体系结构提高了动力使用功率。Zhao等[15]开发了一种选用梯级潜热储能技能的卡诺电池多能体系，可同时供电、供热和制冷。研讨表明，跟着总级数和级面积的添加，体系COP和㶲功率均呈现先明显提高后趋于陡峭的变化趋势。Wang等[16]从热力学、经济学和优化角度评价了四种热集成PTES构型，发现结合回热器、热泵和有机闪蒸循环的体系最具应用前景。
卡诺电池展现出吸收并使用外部热源的才能，其实践应用包含吸收低档次废热[17]。此外，卡诺电池可与多种体系集成，包括太阳能发电体系[18]、数据中心[19]、固体氧化物燃料电池体系[20]以及燃煤发电厂（CFPP）[21]。该体系既可独立运转，也可整合至CFPP中，助力电力行业加快脱碳进程[22]。一方面，将卡诺电池与燃煤电厂（CFPPs）集成可发生明显的协同效应。Tian等[23]提出了一种整合热化学储能与燃煤电厂的卡诺电池体系，完成了51.7%的往复功率（round-trip efficiency），并使煤耗下降超过7.3%。该卡诺电池可作为辅佐储能单元，在电网负荷低谷期使用充裕电能或燃煤电厂余热储存热能，并在负荷高峰期开释电能进行热电联产，然后提高体系运转功率。热电互补效应已被证实有助于下降燃煤电厂启停频率，然后延长体系使用寿命并减少运转期间的排放[24]。另一方面，卡诺电池可作为燃煤电厂中锅炉的替代计划[11]。经过供给高温热源驱动原有蒸汽循环，这种集成方式使燃煤电厂无需燃煤锅炉即可运转。Yong等[25]规划了一种与超临界燃煤电厂耦合的新式抽水蓄热式电力存储体系，该集成体系在60-100%输出负荷下的往复功率可达0.53-0.56。Hu等[26]开发了基于熔盐储热的CHP体系，该方法不仅能明显下降碳排放，还能保存原有发电机组的调峰才能，为低碳转型供给平稳且经济可行的途径[25]。综上所述，卡诺电池展现出优异的兼容性与运转灵活性。但是，现有研讨大多受限于单一熔盐工质的运转温度区间，导致储热体系与燃煤电厂间热力耦合单薄，且二者热力学温区匹配性差。这种失配不仅约束了充电阶段PTES可完成的功能系数（COP），还阻止了放电阶段蒸汽发生器㶲损的有效缓解，然后限制了体系全体功能的进一步提高。
基于此布景，本研讨提出一种新式卡诺电池体系，其核心在于退役燃煤电厂（CFPP）与潜热蓄能体系（PTES）的深度整合，旨在提高全体功能并促进电网低碳转型。该体系集成以下三项立异点：(1) 经过选用Solar salt与Hitec盐的混合装备优化蓄热体系熔盐计划，然后拓展蓄热温度规模。(2) 在放电进程中选用高压加热器旁路运转策略，以完成储热与释热进程的温度区间匹配，然后提高体系全体功率。(3) 引进紧缩式热泵子体系可明显提高环境热源使用率，从而添加充电进程的能量输入，提高电热转换功率。选用EBSILON Professional软件对该工艺进行综合建模与模仿剖析，包含对体系全体功能、热力学特性及环境影响的详细评价。研讨结果为提高卡诺电池往复功率及加快CFPP绿色转型供给了可行途径。