通过热电厂低压段放电：一种新型集成卡诺邱健蓄电池概念及性能评估

较差的放电性能严重限制了采用热泵和有机朗肯循环（HP-ORC）的卡诺电池效率提升。这项工作提出了一种由热力发电机组热辅助的新型卡诺电池概念，该装置通过蒸汽轮机的低压段排放，而非ORC方式。其能量转换特性和运行性能基于典型燃煤电厂（CFPP）和卡诺电池壳体进行评估。结果显示：（1）拟议系统的往返效率（82.30–133.32%）显著高于HP-ORC的47.27–64.27%，归因于更高的放电效率（19.40%）。因此，CFPP的碳减排和储能密度也得到了提升。（2）放电工作流体的能级提升是放电性能优异的热力学原因，受涡轮蒸汽通量重新分布及各涡轮级组压力比变化的影响。（3）确定关键约束，以确定可变边界条件的操作场景。（4）提高热罐温度几乎可以促进所有性能指标，这与HP-ORC在效率与其他指标之间的困境不同;此外，该方案更适合无法实现极低负荷运行的电厂。

简介

截至2023年，全球可再生能源装机容量已达到3870 GW，且仍在大幅增长[1]，显示能源系统的低碳转型正在进行中。然而，风能和太阳能光伏这两种主要可再生能源的波动性和间歇性，导致电网对空间需求的增长[2,3]，因为它们使得实时维持电网供需平衡变得困难。容量不足以容纳可再生能源，将导致可再生能源的使用受限（电力过剩时）以及消费者端的电力限制/停电（电力短缺时）。前者会导致可再生能源的经济表现不佳，后者则威胁电网系统的安全。开发大规模、长时、高效储能是关键解决方案;然而，目前的储能技术规模远远不够。因此，既有必要也紧迫：（1）探索可调传统电厂（如燃煤电厂（CFPP））极低负荷运行能力，特别是低于设计最小负荷（MLD）[4];（2）同时开发储能技术，以确保可再生能源的可持续发展，尤其是在仍拥有大量传统电厂的国家（如中国， 德国等）。
卡诺电池（CB），即抽水热能储能（PTES），是大规模、长时长且高效储能的有前景选择[5,6]，将电力储存为热能。与其他大型储能技术（如抽水蓄能、压缩空气储能和电池）不同，CB不依赖稀有材料，单位容量成本效益更高[7,8]，对地质条件和自然资源依赖更小，且寿命更长。CB通常分为两类：（1）使用热泵（HP）和有机朗肯循环（ORC）的朗肯卡诺电池（RCB）[9,10]，以及（2）使用可逆布雷顿循环的布雷顿卡诺电池（BCB）[11,12]。尽管BCB可能提供更高的效率[[13]， [14]， [15]]，但它们在高温下运行，需要先进的材料和设备[16,17]。相比之下，RCB以较低温度储存热量[18]，设备成本更低，技术成熟度更高[[19]， [20]， [21]]，因此更适合实际应用。
尽管储存温度较低，但由于充电侧的废热/低品位热量通常得到热辅助，RCB通常预期其高往返效率，从而大幅提升充电COP性能。此外，根据以往研究，采用再生加热器[24]、提高组件效率[21,25]、改进热储存工艺[[26]、[27]、[28]]以及在ORC侧集成制冷循环以降低涡轮背压[29]，还可提升RCB的性能。
在实用能源行业，许多先进的CFPP不应立即退役，因为沉没成本巨大且可能助力可再生能源安置[30,31]。使用卡诺电池翻新CFPP备受关注，因为它有望成为传统发电厂转型的潜在解决方案。用高温增压循环（即逆向布雷顿循环或电加热器）替代锅炉来建造新CB的方案最具吸引力[[31]， [32]， [33]]。Blanquiceth 等人[32]提出了一套全面的系统热积分方法，并基于往返效率和功率/能量密度评估了性能。Yong等人[33]提出了一种新型级联储热子系统，并基于热经济分析评估了系统性能。Cui 等人[31]提出了两种方法（给水温度调节和蒸汽参数调整）来调整系统结构，并比较了基于热力学性能和碳减排因子的六种集成方案。基于CFPP的新型CB可实现零碳排放，但（1）大型充电装置是必需的，因此电加热器在商业应用中更具经济性[32]，但其电力储存的热力学性能较差;（2）即使选择反向布雷顿循环进行充电，往返效率仍处于较低水平（低于56%[31,33]，因为充电COP不高于1.5[31,33]，且蒸汽轮机的工作温度低于布雷顿循环。另一种典型研究是利用热电厂的低温热量（如涡轮机产生的废气[34]或蒸汽[23]）来热辅助RCB的充电循环。在此类研究中，储电能性能可显著提升，热电厂的灵活性也得以提升。然而，能源性能的提升主要归功于充电端的提升，且由于低储热温度，放电效率仍然较低。因此，对于这种热助推RCB来说，排放方面仍有很大提升效率的潜力，因为ORC的效率（仅约10%[35]）受到低储存温度的强烈限制。
探索更高效的排放方法以替代ORC是关键且可行的途径。Weitzer等人[36]用有机闪光循环（OFC）取代了ORC系统，其往返效率提高了41.5%。我们的研究团队[37]用“低阶煤干燥与储存”取代了热能储存工艺，从而用水蒸汽的朗金循环取代了ORC技术，往返效率从39.44%显著提升到70.92%，其中短缺在于只能在使用低品位煤的电厂采用。这些工作显示出通过替换ORC带来的性能提升潜力。因此，寻找更可行、更高效的朗肯卡诺电池放电方法仍是一个值得研究的课题。
对于大型火力发电厂，低压蒸汽轮机系统运行温度与ORC相同，这意味着它可以作为一种潜在的排放选择。因此，本研究提出了一种新的卡诺电池概念，即（1）被热电厂的低压部分取代ORC系统，（2）充电循环由电厂低温蒸汽热辅助。因此，预计将实现以下优势：（1）提升储能效率;（2）由于火电厂容量大，安装能力大，投资成本降低（因拆除昂贵的大型ORC系统[38]）;（3）极低负荷运行能力增强（有利于可再生能源的适应）和降低一氧化碳₂热电厂排放。研究了拟议系统的三个关键且根本性的问题。

• (1)
  该系统的性能提升（与传统卡诺电池相比）（详见第5.1节讨论）。
• (2)
  提升性能的热力学机制及进一步能量转换的潜力（详见第5.2节讨论）。
• (3)
  考虑多重操作约束和可变边界条件设定关键参数（尤其是热水罐温度）的原则（详见第5.3节）。

选择典型的CFPP和CB作为性能评估案例，并根据设计外特性建立热力学模型（基于原始设备制造商的数据进行校准）。基于此，这项工作的主要创新性和科学贡献可描述为：

• (1)
  提出一种新型大型朗肯卡诺电池概念，显著提升了能源性能;
• (2)
  对新卡诺电池概念及性能提升的热力学机制进行全面性能评估;
• (3)
  识别操作约束和参数设定策略。