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退役燃煤机组耦合卡诺电池改造用于电网储能转型的研究
本研讨讨论通过集成卡诺电池（Carnot battery），将退役燃煤电厂改造为长时储能系统的技术方案。所提出的系统耦合高温热泵、双罐熔盐储热设备与原厂汽轮机，构成"电-热-电"闭环途径，完结现有基础设施的彻底复用。研讨建立了详细的热力学模型，用于点评不同工质及工作工况下的系统功用。结果标明，氩气在中等紧缩比下完结最高的往复功率（59.67%），而CO₂则具有更优的体积功率密度。火用与敏感性分析标明，首要不可逆性丢掉集中于熔盐蒸发器与热泵子系统。为提高变工况下的适应能力，本研讨提出一种依据MATLAB–EBSILON的闭环控制战略，该战略可下降火用丢掉达16.2%，并进步部分负荷功率。技术经济点评显现，该系统年套利赢利达7701万美元，出资回收期为6。39年，存储平准化本钱为149.09美元/兆瓦时，显着低于主流电池技术。这些发现证明了所提系统在技术与经济层面的强劲可行性，为燃煤电厂改造与低碳动力转型供应了可扩展的施行途径。
导言
过去十年间，全球可再生动力技术的布置出现快速增加态势。这一加快趋势源于应对化石燃料枯竭、削减温室气体排放以及完结碳中和方针的迫切需求[1,2]。依据国际动力署(IEA)数据，2023年新增可再生动力装机容量到达创纪录的560吉瓦，较2022年同比增加64%[3]。但是，风能与太阳能的固有间歇性及地舆散布不均衡特性，对保持电力供需实时平衡构成严峻应战，从而要挟电网可靠性与稳定性。为此，大规模长时储能(LDES)系统已成为支撑波动性可再生动力深度融入现代电力系统的要害处理方案[4,5]。
在现有长时储能技术中，抽水蓄能与紧缩空气储能受地舆条件束缚[[6], [7], [8]]，而大规模电池系统则在生命周期本钱、安全性和可回收性方面面对应战[[9], [10], [11], [12], [13], [14]]。相较之下，热能储存（TES）供应了一种不受地舆位置束缚的代替方案，其选用熔盐等可扩展且经济高效的介质以热能形式存储能量[[15], [16], [17]]。当与高温热泵和热机结合使用时，热能存储系统（TES）可构成卡诺电池（CBs），完结双向能量转化并供应电网级灵敏性[[18], [19], [20], [21]]。近期研讨证明了卡诺电池在技术与经济层面的潜力。特别是选用熔融盐协作间接气-液热交换的装备方案，可以有用下降热丢掉、提高作业压力，一同改善往复功率（round-trip efficiency）与本钱效益[[22], [23], [24]]。
与此一同，由于基础设施老化和脱碳要求，全球燃煤电厂（CFPPs）正加快退役。在中国，已退役机组约占煤电总装机容量的52%，而德国这一份额为22.4%[25,26]。尽管排放量高，燃煤电厂向来在电网灵敏性方面发挥着要害效果，特别是通过供应调峰和频率调节服务。因此，大规模煤电容量的遽然关停将对电力系统可靠性和工作耐性构成严峻危险。
为应对这一应战，将紧缩空气储能系统（CBs）整合至退役燃煤电厂（CFPPs）已被确认为一种经济高效的有用改造方案[27]。该方案通过复用现有汽轮机组，可显着下降本钱投入，一同将退役基础设施转化为灵敏储能系统。此类系统不仅有助于可再生动力并网，还能接连燃煤电厂原有的电网支撑功用。已有若干研讨开始探究这一途径，例如Yong等学者的作业标明...[28]将超临界燃煤电厂(CFPP)中的锅炉替换为电加热熔盐储能系统，发现消除烟气丢掉和温度失配可进步热功率，满负荷工作时往复功率(RTE)到达41.8%。He等[27]施行了类似改造并建立了能量套利模型，提醒初始荷电状态对盈利能力起决定性效果，且改造后的系统在经济性上优于电池储能[29]。Blanquiceth等[30]在配备热泵的CFPP系统中集成双罐熔盐储热设备，完结了50-60%的往复功率。Yong等[31]最近提出级联熔盐储能系统与CFPP耦合的方案，在20%-100%汽轮机热接纳率(THA)条件下取得53%-56%的RTE。
尽管取得了这些令人振奋的进展，仍存在若干要害知识空白亟待加添。首要，CB集成方案对退役燃煤电厂热力学特性的适应能力没有得到系统点评。其次，在一致装备结构下，不同热泵工质对系统整体功用的影响机制仍不清晰。第三，针对部分负荷工作时的热失配问题——特别是熔盐储热系统与换热器之间的协同问题——现在既缺乏深入研讨，也没有通过验证的控制战略予以处理。最终，多数技术经济点评未能纳入实践电价结构或实在的工作边界条件，这一缺点严峻限制了此类分析在实际动力商场中的适用性。
为应对这些应战，本研讨依据亚临界机组开发了一种改造型卡诺电池-燃煤电厂（CB-CFPP）系统。该系统集成高温热泵、双罐熔盐储热单元和原有汽轮机，构成闭环的电-热-电转化循环。首要立异点如下：
- 1)四种工质（CO₂、N₂、Ar与空气）对系统功率、能量密度及功率密度影响的对比分析
- 2)敏感性分析与㶲分析，用于识别要害耦合参数及首要不可逆性来历；
- 3)读档自适应熔盐流量控制战略规划，旨在缓解部分负荷工作下的热失配问题；
- 4)技术经济点评结构开发，整合实时电价与全生命周期本钱，以点评相对于主流储能技术的竞争力。
本研讨旨在加添CB-CFPP系统中的要害研讨空白，提出退役燃煤机组低碳改造的可行工程途径与优化战略。研讨成果为传统电力基础设施的转型再利用供应了理论指导与方法论支撑。