紧凑、高效且经济实惠的吸收式卡诺邱健蓄电池——面向长期可再生能源存储的解决方案

可再生能源浸透率的不断提高对电网稳定性提出了重大挑战，亟需开发先进的储能体系以提高灵活性，促进电网脱碳进程。但是，当时储能技能仍面对地舆约束、昂扬本钱及寿数较短等障碍。本研讨提出了一种新式卡诺电池根据吸湿性盐溶液吸收-解吸进程的（电-热-电转化）卡诺电池（ACB），被提出用于大规模可再生能源存储具有杰出的储能密度(ESD)、具有竞争力的往复功率(RTE)以及可疏忽的自放电率(SDR)。经过将产热、储热和发电子循环集成至单一紧凑体系中，该先进卡诺电池(ACB)相较于传统卡诺电池可完成空间与本钱的同步优化。本研讨建立了高精度动态模型以探究该体系的特性，动态温度、压力、浓度、质量流量对ACB的功率和功率进行剖析，以阐明其能量转化/存储机制。根据多方针优化，确认[45%，60%]为最佳运转浓度规模，此时体系展现出最优归纳功用：RTE达45.80%，ESD为16.26 kWh/m³3与现有技能比较储能体系ACB凭仗其具有竞争力的RTE（30.5%–48.4%）和更高的ESD（7.6–21.8 kWh/m³）锋芒毕露3即便在80天待机周期内，ACB仅表现出0.74%的低自放电率（SDR），明显低于Rankine泵浦式热能存储(RPTES)的储热功率为33.01%。虽然ACB体系的初始本钱较高，但因为其具有更高的能量存储密度(ESD)，其平准化储能本钱(0.342美元/千瓦时)明显低于RPTES体系(0.749美元/千瓦时)，这验证了经济可行性所提出体系的

导言

在全球能源转型迈向碳中和的背景下，大多数国家已投入很多努力开展以太阳能和风能等可再生能源占比不断提高的电力生产体系[1,2]。但是，可再生能源的高浸透率因其间歇性和波动性特征，对电网稳定性提出了重大挑战。储能技能被普遍认为是增强电力体系灵活性、推进电网脱碳最具可行性的解决方案之一[3,4]。
现在电力储能范畴存在多种解决方案。抽水蓄能（PHES）作为一项成人技能，全球装机容量已达127吉瓦，储能能力约9000吉瓦时[5]。虽然具有本钱低、功率高和技能老练度高级优势，但PHES技能的进一步部署受限于适宜的地舆选址[6]。这种地舆约束相同适用于压缩空气储能（CAES）技能[7]。对于电化学电池技能而言，昂扬本钱与较短寿数制约了其大规模应用。近年来，以热能方式存储电能的卡诺电池锋芒毕露，成为具有低本钱、长寿数和无地舆约束等优势的新式可再生能源存储技能[8,9]。
卡诺电池技能（电能-热能-电能转化）可分为四大类：布雷顿循环抽水蓄热储能（Brayton PTES）、朗肯循环抽水蓄热储能（Rankine PTES）、液态空气储能（LAES）以及热化学储能（TCES）技能[[8], [9], [10]]。图1从往复功率（RTE）、储能功率（ESD）、自放电率（SDR）、平准化储能本钱（LCOS）和技能老练度（TRL）等维度对比了各类卡诺电池的优缺点[[8], [9], [10]]。布雷顿（Brayton）物理储热体系在高温与低温热源之间运转可逆布雷顿循环[11]。相较于其他卡诺电池技能，典型布雷顿储热体系的充电进程发生在更高温区，这使其具有较高往复功率（RTE）与中等能量存储密度（ESD）[12]。但现在鲜有商用压缩机能在布雷顿体系要求的高温排气条件下坚持高效运转[13,14]。压缩机/膨胀机的高温工况需求也导致该技能本钱居高不下。与布雷顿循环储热体系不同，朗肯循环储热体系的释能进程根据朗肯循环。因此，该体系一般在较低运转温度下完成较低的热-电转化功率（RTE）与能量存储密度（ESD）[15,16]。因为朗肯循环储热体系运转温度一般低于200°C，其与低品位热能的整合更为便当[17,18]。此外，低温热泵循环与朗肯循环的高技能老练度（TRL）使朗肯循环储热体系更具实际应用可行性。液态空气储能（LAES）技能则以液态空气方式存储电能。在充电进程中，环境空气被压缩冷却为液态空气；而在放电进程中，存储的液态空气经过吸收存储热量或外部热源加热蒸腾，最终经过涡轮膨胀发电[19,20]。与PTES体系比较，因为蒸腾与液化进程的热丢失，LAES虽能提供更高的能量存储密度(ESD)，但往复功率(RTE)较低[21,22]。为回收热丢失，LAES一般需集成额外的热/冷能存储体系[23,24]，这导致初始本钱升高。现在根据克劳德循环的2.5兆瓦时容量LAES体系已成功完成[25]，但其实测往复功率远低于预期值。
上述三种卡诺电池技能的现有装备一般包括三个子循环：产热、储热和发电子循环。其复杂构型与很多组件导致体系体积庞大且经济性缺乏。此外，以温差方式存储能量虽有利于降低本钱，但会引发高SDR（待机进程中的能量丢失率）。例如，布雷顿PTES体系的SDR可达每日储热量的1%，因此不适用于长时间储能[11]。值得注意的是，根据热化学进程的热化学储能（TCES）技能因能量以稳定的热化学方式存储，具有结构紧凑与热丢失小的优势[10]。
因为相关研讨文献稀缺，根据吸收-解吸进程的大规模电能存储TCES体系特性尚不明确。Jahnke等人[26]提出并深入研讨了一种用于热-电转化的储能体系。该体系中，吸湿性盐溶液的吸收-解吸进程能以热化学方式（表现为浓度差）存储输入能量。在放电进程中，制冷剂在浓度差驱动下蒸腾，随后经过焓变推进膨胀机发电。该体系选用H2O/LiBr工质对时，其热-电转化功率可达2当LiBr浓度在0.617至0.65规模内改变时，O/LiBr达到4.3%。为完成电-电转化功用，Thiele等[27]研讨了根据吸收-解吸的热化学储能体系（TCES）的往复功率（RTE），发现运转温度改变对RTE影响甚微。但是，因为浓度区间狭窄的约束，从前研讨未能获得令人满意的能量存储密度（ESD）。此外，经过选用恰当的体系装备（例如加装具有优异能量转化功率的老练蒸汽压缩热泵回路），可有用提高储能功用。同时，TCES体系具有固有优势：既能降低比放电速率（SDRs），又可削减平准化本钱，因而在适应大规模可再生能源存储方面展现出明显潜力。虽然存在这些优势，现有文献没有对这些方面进行全面讨论。
本研讨提出了一种根据吸湿性盐溶液吸附-解吸进程的新式卡诺电池规划，并将其定义为吸收式卡诺电池（ACB）。所提出的ACB创新性主要体现在两方面：（1）它将产热、储热与发电子循环整合至单一紧凑体系中，相较于传统卡诺电池可明显节省空间与本钱；（2）根据热化学进程，该ACB为大规模可再生能源存储提供了有用解决方案，兼具杰出的ESD功用、具有竞争力的RTE指标及可疏忽的热丢失，充分显示其在长时间储能范畴的优势。此外，ACB体系中集成了一套选用常规压缩机构成的外部蒸汽压缩热泵回路，旨在提高往复功率(RTE)。该热泵回路的各组件均为市售老练产品，便于工程实施。研讨选用经过验证的数学模型来剖析所提出ACB体系的动态充/放电特性。经过帕累托优化确认了最佳运转浓度区间，可明显提高体系归纳循环功用。为明晰阐明ACB体系的优势，本研讨将往复功率(RTE)、能量存储密度(ESD)、自放电率(SDR)和平准化储能本钱(LCOS)等多项指标与现有储能体系进行对比。这项研讨探索了新式卡诺电池技能作为完成高效、紧凑、近零损耗且低本钱可再生能源存储的潜在途径，对完成碳中和方针具有重要意义。