典型卡諾電池系統(tǒng)的簡(jiǎn)化方案

　　基于熱泵-有機(jī)液位循環(huán)，葡萄牙科學(xué)家已經(jīng)創(chuàng)建了六種不同型號(hào)的卡諾電池用于固定式儲(chǔ)能。他們調(diào)查了16種不同的工作流體組合，并為最佳候選者創(chuàng)建了多目標(biāo)優(yōu)化。

　　葡萄牙科英布拉大學(xué)（Universidade de Coimbra）的研究人員設(shè)計(jì)了各種版本的基于有機(jī)朗肯循環(huán)的卡諾電池（CB）的熱泵。

　　卡諾電池是一種通過(guò)水或熔鹽等儲(chǔ)存介質(zhì)以熱量形式儲(chǔ)存電力的系統(tǒng)，并在需要時(shí)將熱量轉(zhuǎn)化為電能。這一類別包括液態(tài)空氣儲(chǔ)能（LAES）系統(tǒng)和基于布雷頓或朗肯的泵送熱能儲(chǔ)能（PTES）系統(tǒng)，以及Lamm-Honigmann儲(chǔ)能，這是一種基于吸附的技術(shù)，可以用熱和電力充電和放電，以及基于集成電阻加熱和功率循環(huán)的系統(tǒng)。

　　所有這些儲(chǔ)能技術(shù)都允許廣泛的應(yīng)用，如套利業(yè)務(wù)、輔助服務(wù)或電網(wǎng)內(nèi)的調(diào)峰。

　　科學(xué)家們使用16種不同的環(huán)保工作流體組合，通過(guò)單目標(biāo)優(yōu)化和多目標(biāo)優(yōu)化模擬了幾個(gè)系統(tǒng)，以提高電力、能量和經(jīng)濟(jì)效率。

　　學(xué)者們解釋說(shuō)：“CB是一種'功率-熱量-功率'的儲(chǔ)能技術(shù)，通過(guò)加熱或冷卻熱能儲(chǔ)能（TES）系統(tǒng)將多余的電力轉(zhuǎn)化為熱能。儲(chǔ)存的熱能可以在需要時(shí)轉(zhuǎn)化為電力。”CB分為三個(gè)熱區(qū)：TES罐（高溫和低溫）、熱源和散熱器。

　　該團(tuán)隊(duì)提出了六種可作為CB使用的HP-ORC組合。系統(tǒng)1是最基本的系統(tǒng)，包括蒸汽壓縮熱泵（VCHP）和簡(jiǎn)單的ORC。系統(tǒng)2向HP添加再生器，系統(tǒng)3向ORC添加再生器，而系統(tǒng)4向HP和ORC都添加再生器。系統(tǒng)5使用帶有閃蒸室的兩級(jí)熱泵，而系統(tǒng)6使用兩級(jí)HP和再生ORC。

　　對(duì)高壓側(cè)和ORC側(cè)的四種不同工作流體進(jìn)行了測(cè)試，總共產(chǎn)生了16種可能的組合。具體來(lái)說(shuō)，它們分別是R1224yd（Z）、R1234ze（Z），R1336mzz（Z）和R1233zd（E）。這些系統(tǒng)是在MATLAB 2024a中開(kāi)發(fā)的，假設(shè)VCHP和ORC處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)；熱交換器中無(wú)熱損失和壓力損失；壓縮機(jī)和膨脹機(jī)恒定效率；水作為熱源、儲(chǔ)存和冷源中的傳熱流體。

　　首先，對(duì)六種系統(tǒng)配置和16種工作流體對(duì)應(yīng)的所有可能組合進(jìn)行了單目標(biāo)優(yōu)化。每種組合都經(jīng)過(guò)了三個(gè)單一目標(biāo)的優(yōu)化——能量、運(yùn)動(dòng)和經(jīng)濟(jì)。采用一種新的評(píng)分方法來(lái)系統(tǒng)地識(shí)別最佳工作流體配置對(duì)。

　　模擬表明，再生熱泵和ORC配置（系統(tǒng)4）在所有流體組合中始終提供最佳結(jié)果，與其他系統(tǒng)相比，證明了其適用于該技術(shù)，R1233zd（E）-R1233zd（E），其次是R1234ze（Z）-R1224yd（Z），顯示出最高的整體性能。發(fā)現(xiàn)R1336mzz（Z）-R1336mzz（Z）的基本熱泵和ORC配置（系統(tǒng)1）的性能最低。

　　在此分析之后，該小組在HP和ORC側(cè)使用R1233zd（E）對(duì)系統(tǒng)4進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化。根據(jù)他們的發(fā)現(xiàn)，往返效率和平準(zhǔn)化儲(chǔ)能成本（LCOS）之間的權(quán)衡。然而，最優(yōu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了57.43%的往返效率和0.649歐元（0.73美元）/KWh的LCOS。

　　該團(tuán)隊(duì)表示：“在不顯著影響整體性能的情況下，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)81.30%的效率。超過(guò)這一點(diǎn)，由于性能迅速下降，進(jìn)一步的改進(jìn)是不合理的。最佳設(shè)計(jì)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于小型實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)臺(tái)的LCOS為1.093歐元/KWh，但預(yù)計(jì)在更大范圍內(nèi)會(huì)降低。”

　　他們的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《能量轉(zhuǎn)換和管理：X》（Energy Conversion and Management: X）上名為《用于儲(chǔ)能應(yīng)用的卡諾電池的多目標(biāo)優(yōu)化和設(shè)計(jì)》的論文中。

　　在2023年發(fā)表的一項(xiàng)研究中，丹麥技術(shù)大學(xué)的學(xué)者提出使用卡諾電池將燃煤發(fā)電廠轉(zhuǎn)換為可再生能源生產(chǎn)。

　　丹麥的另一組研究人員還研究了卡諾電池如何在本國(guó)儲(chǔ)存可再生能源，并發(fā)現(xiàn)這些設(shè)備只有在一定的成本閾值下才能做出重大貢獻(xiàn)。

　?。ㄋ夭膩?lái)自：Universidade de Coimbra 物理儲(chǔ)能網(wǎng)、全球儲(chǔ)能網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合）