中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：當(dāng)前，由于可再生能源持續(xù)并入電網(wǎng)，大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)備受關(guān)注。其中熱泵儲(chǔ)電，也稱卡諾電池，作為一種新興的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)，因其不受地理?xiàng)l件的限制、成本低、儲(chǔ)能密度高和系統(tǒng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，有著廣闊的應(yīng)用前景。然而，這種獨(dú)立的卡諾電池存在熱利用效率低的缺陷，可通過(guò)系統(tǒng)集成克服這一缺陷。
上海交通大學(xué)Changying Zhao教授課題組開(kāi)發(fā)并分析了一種基于熱泵-有機(jī)朗肯循環(huán)（HP-ORC）的余熱集成儲(chǔ)能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了熱泵儲(chǔ)電與燃煤電廠的耦合，并通過(guò)循環(huán)效率和?效率之間的權(quán)衡優(yōu)化，找到適合現(xiàn)有燃煤電廠的運(yùn)行參數(shù)。相關(guān)研究表明，HP-ORC通常用于中低溫儲(chǔ)能系統(tǒng)，一般由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、兩個(gè)蓄熱罐（潛熱蓄熱罐和顯熱蓄熱罐）、膨脹機(jī)、冷凝器和泵組成。
在儲(chǔ)能階段，有機(jī)工質(zhì)進(jìn)入蒸發(fā)器并由來(lái)自燃煤電廠冷卻塔前的蒸汽加熱蒸發(fā)后，在壓縮機(jī)內(nèi)被壓縮至高溫高壓狀態(tài)，潛熱蓄熱罐中的LiNO3-KNO3熔鹽通過(guò)相變吸收來(lái)自有機(jī)工質(zhì)的部分熱量，顯熱蓄熱罐中的加壓水吸收有機(jī)工質(zhì)的剩余熱量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了電能向熱能的轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)。
在釋能階段，有機(jī)工質(zhì)在高壓下被泵送至蓄熱罐進(jìn)行換熱，其在顯熱蓄熱罐內(nèi)預(yù)熱，在潛熱蓄熱罐內(nèi)蒸發(fā)至過(guò)熱狀態(tài)，并在渦輪機(jī)中膨脹做功并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。同時(shí)，有機(jī)工質(zhì)的選取會(huì)直接影響系統(tǒng)的效率，通過(guò)多標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，該研究采用丁烯作為有機(jī)工質(zhì)。基于熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律，研究人員對(duì)HP-ORC系統(tǒng)進(jìn)行了能量分析和?分析，以系統(tǒng)的循環(huán)效率和?效率作為評(píng)價(jià)性指標(biāo)，研究分析了熱源溫度、有機(jī)朗肯循環(huán)冷凝溫度、換熱器夾點(diǎn)溫差、壓縮機(jī)/膨脹機(jī)等熵效率對(duì)循環(huán)效率和?效率的影響。
研究結(jié)果表明，循環(huán)效率與熱源溫度、壓縮機(jī)/膨脹機(jī)等熵效率呈正相關(guān)，與朗肯循環(huán)冷凝溫度、換熱器夾點(diǎn)溫差呈負(fù)相關(guān)。在一定的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定下，顯熱蓄熱罐的?損失為41.52 kWh，潛熱蓄熱罐的?損失為36.45 kWh，分別占系統(tǒng)總?損的35%和30.7%，這是由蓄熱罐中高溫升程傳熱的不可逆因素所導(dǎo)致的。
為進(jìn)一步優(yōu)化HP-ORC系統(tǒng)，該研究通過(guò)多目標(biāo)遺傳算法，以循環(huán)效率和?效率為目標(biāo)函數(shù)，得到了目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解集。結(jié)果表明，當(dāng)循環(huán)效率從0.96增加到0.99時(shí)，?效率下降了1.9%，由于兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)之間的強(qiáng)相關(guān)性且目標(biāo)函數(shù)之間的權(quán)衡已達(dá)到最佳，最優(yōu)解集的任何一點(diǎn)都可以被選為最優(yōu)設(shè)計(jì)。當(dāng)熱源溫度和最大儲(chǔ)存壓力設(shè)計(jì)為87.1℃和3.6 MPa時(shí)，循環(huán)效率和?效率分別可以達(dá)到0.97和0.64。在多目標(biāo)優(yōu)化條件下，與額定功率300 MW燃煤機(jī)組耦合的HP-ORC系統(tǒng)，其輸出功率受燃煤電廠排汽熱和非高峰期用電量的共同影響。當(dāng)燃煤電廠在1:00的非高峰期功率達(dá)155MW時(shí)，該HP-ORC系統(tǒng)可提供150 MW的電力，所需的最大熱量達(dá)到785 MW，故需要額外的廠外余熱；一天的電力需求在13:00達(dá)到峰值，為449.9MW。在這種模式下，該集成系統(tǒng)總共可以提供890.2 MWh的電力，集成卡諾電池的燃煤電廠最大調(diào)峰能力可達(dá)94.4%。與抽汽加熱相比，該集成系統(tǒng)不會(huì)降低燃煤電廠的額定功率。此外，充分利用錯(cuò)峰用電進(jìn)行調(diào)峰，系統(tǒng)整體電效率提升了38.6%。
圖1 集成HP-ORC系統(tǒng)的燃煤電廠運(yùn)行參數(shù)
該項(xiàng)研究分析了熱泵-有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的熱力學(xué)特性，探索了其與燃煤電廠集成的可行性，為集成卡諾電池的燃煤電廠調(diào)峰運(yùn)行提供了理論依據(jù)和解決方案。相關(guān)研究成果發(fā)表在《Energy Conversion and Management》。
參考文獻(xiàn)：X.J. Xue, Y. Zhao, C.Y. Zhao. Multi-criteriathermodynamic analysis of pumped-thermal electricity storage with thermalintegration and application in electric peak shaving of coal-fired power plant. Energy Conversion and Management, 2022, DOI: 10.1016/j.enconman.2022.115502
