HAWKER蓄电池采用级联相变材料储热的创新型非共沸卡诺电池热经济学研究

卡诺电池（Carnot battery，CB）作为一种解决可再生能源发电失衡问题的电力存储技能已崭露头角。为提高储能功能，相变资料（phase change material，PCM）在CB中的使用已得到广泛研讨。但是，潜热存储中的非均匀暖流现象以及PCM与CB工质之间的热匹配性差，严重限制了体系功能。本研讨提出一种新式非共沸CB体系，选用级联PCM作为储能介质（cascaded PCM-based CB，CPCB），旨在改进储/放热才能与热匹配功能。建立了潜热贮存装置的动态数学模型以及CPCB的热经济模型。研讨重点调查了级联相变资料的动态特性及其对CPCB功能的影响，并经过事例研讨验证了CPCB相较于传统潜热贮存CB（PCB）的优越性，提醒了影响CPCB热经济功能的关键要素。结果标明，与PCB比较，CPCB最高可完成7.27%的功能提高。COP同时在发电范畴占比达11.07%。CPCB的往复功率较PCB提高6.07%，其平准化储能成本下降11.52%。研讨发现峰谷持续时间是影响CPCB热经济功能的最关键要素。本研讨结果有助于规划具有更高归纳功能的级联相变资料CB体系。

引言

跟着人类社会的展开，能源缺少问题日益严峻。开发可再生能源发电与提高能源使用功率是完成碳中和的关键技能战略[1]。但是，可再生能源发电的间歇性和动摇性对电网灵活性构成严重应战[2]。储能技能作为电能柔性调理与精准控制的中心技能，在可再生能源结构转型中发挥着不行替代的效果[3]。因此，经过储能改进电力供需平衡可提高电网安全性与灵活性[4]。
卡诺电池（Carnot battery, CB）代表一种新式的热基电力存储技能[5]。该技能体系通常由热泵（heat pump, HP）、热机（heat engine, HE）和蓄热体系（thermal storage system, TES）构成。充电进程中，电能经过热泵转化为热能存储于蓄热体系；放电进程中，蓄热体系驱动热机发电[6]。卡诺电池中的热机可选用布雷顿循环或有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle, ORC）运转[7]。与运转温度在200–500°C的布雷顿型卡诺电池比较，朗肯型卡诺电池的储热温度相对较低（运转温度低于200°C）[8]。此外，经过整合余热可提高朗肯型卡诺电池功能，该特性近年来已引起广泛重视[9]。
在Rankine型焚烧锅炉中，传热主导着能量转换进程[10]，其伴随的火用损超过体系总火用的60%[11]。已有研讨标明，将锅炉换热器的夹点温差(Δ)从2°C提高至10°C会导致往复功率(PPTDη从93%降至65%[12]。因此，提高传热功能对增强CB体系效能至关重要[13]。选用非共沸混合物因其温度滑移特性成为改进热力循环中热匹配的新式办法[14]。Koen等[15]研讨了非共沸CB体系的热匹配特性，发现换热器㶲损可下降至15.7%。Lu等[16]论证了R1233zd(E)/环戊烷作为CB工质的优越性，其㶲功率提高达22.40%。rtη相较于纯流体CB的改进。Zhou等[17]发现非共沸CB的最高功率到达81.26%，较纯CB提高43.46%。Li等[18]提出了一种选用分段蓄能的新式非共沸CB，研讨标明：rtη选用具有适合温度滑移的非共沸混合物的CB，其功率比运用纯流体的CB高出23.51%。Mehmood等[19]指出，为完成最优功能，有必要准确调控CB中非共沸混合物的组分配比以取得最佳温度滑移。rtηηrt归纳这些研讨标明，非共沸混合物经过其在冷凝锅炉（CB）中温度滑移特性的使用，完成了更优的热量匹配，从而提高了体系功能。ηrt. Collectively, these studies indicated that zeotropic mixtures enable superior heat matching through their temperature glide utilization in CB, improving the system performance.
TES（蓄热体系）作为CB中连接充放循环的中心组件，对体系功能具有决定性影响[20]。CB范畴干流TES技能包含显热储热、潜热储热、化学储能及其混合方式[21]。其中化学储能在安全性与可控性方面存在应战，限制了其广泛使用。显热储热凭仗操作简易性和技能成熟度，仍是当前使用最广泛的技能[22]，但存在热损失明显[23]、储能密度低等固有缺陷(ESD，低于2千瓦时·平方米−3[24]），以及较高的组件成本（占总成本30%以上[24]），这些要素阻碍了CB技能的广泛使用[25]。比较之下，潜热存储使用相变资料（PCM）完成了明显提高ESD[26]。薛等人[27]发现，ESD潜热储热体的储热密度比显热储热体高32%。但是相变资料在实践使用中面对诸多问题，如导热系数低、过冷度大、毒性及腐蚀性等[28]。其中导热系数低是首要问题，这会导致相变储热体系中相变进程推迟及暖流散布不均[29]。在储热体系运转进程中，相变资料与传暖流体（HTF）之间的非均匀传热现象会引起传暖流体温度动摇，进而下降热泵或有机朗肯循环的功能[7]。Zheng等[30]针对潜热储热体展开了试验研讨。研讨发现，储热体系（TES）内大部分区域的传暖流体（HTF）与相变资料（PCM）的温差极小，导致近50%的PCM出现熔融/凝固推迟现象。Manfrida等[31]进一步证明，PCM无法为有机朗肯循环（ORC）供给恒温热源输出。尽管潜热储能在焚烧后碳捕集（CB）运转中展现出良好的使用远景，但传热不均现象明显限制了体系功能。
为提高潜热蓄热CB中的传热均匀性，研讨者将重点放在级联相变资料上，这种资料在不改动物性的情况下可提高热功能[32]。经过依据TES中传暖流体温度改变趋势将不同熔点的相变资料进行级联排布，可改进相变资料与传暖流体之间的热匹配度[33]。Farid与Kanzawa[34]最早提出级联相变资料概念，Watanabe等[35]则进一步探求了其运转特性。结果标明，级联相变资料的传热速率比单一相变资料高15%。Yuan等[36]报道了充/放电容量分别提高38.40%和27.02%，完成了紧凑型蓄热体系规划及成本下降。这些研讨标明，级联相变资料在传热均匀性和存储读档方面均优于单一相变资料。在CB使用中，Zhao等[37]开发了选用级联相变资料的填充床储罐数学模型，提醒了其运转参数对CB功能的影响。研讨显示级联相变资料的热匹配效果接近于显热贮存。随后他们提出根据CB的级联相变资料三联产体系，完成了95.0%的最高归纳能效[38]。Tafone等[39]研讨了运转参数对选用级联相变资料的纯CB体系的影响。结果标明所提出的CB体系到达了ηrt其功率为47.6%。ESD较显热蓄热体提高了100%。Dai等[40]经过稳态模型研讨了选用级联相变资料的蓄热体运转功能，结果标明当相变资料级数从1增至4时，ηrt提高了32.2%。随后，他们提出了一种考虑工质相变进程的非均匀体积分配办法[41]。与等体积级联相变资料比较，该办法改进了传热均匀性并提高了ηrt提高了27.9%。从前研讨标明，级联相变资料（PCMs）办法解决了非均匀传热这一中心应战，因此成为提高CB功能的关键技能。
整体而言，热匹配与TES运转行为对CBs运转功能至关重要。潜热储能在CB使用中已展现出明显潜力。但是，因为传热特性不均匀，选用潜热贮存的传统CBs面对严重技能应战，这些应战导致CB功能下降，包含PCMs相变不完全、HTF温度动摇以及CBs内部热失配等问题。根据运转时的温度特性，在CBs中选用非共沸混合物与级联PCMs有望改进热匹配并提高体系功能。选用级联PCMs的非共沸CB展现出解决这些应战的可观潜力。但是，当前关于级联PCMs的CB研讨首要依赖静态热力学模型，这些模型无法充分捕捉PCMs运转时的动态特性[42]。级联相变资料的动态特性与热匹配特性对非共沸复合工质功能的影响尚未得到充分研讨。此外，前人研讨未能体系评价选用级联相变资料的非共沸复合工质使用潜力。展开热经济功能评价具有迫切性，这对开发高功能储能解决方案具有重要辅导价值。 （注：依据术语表要求，"Match"在本文语境中不适用竞赛义项，故选用常规学术翻译；"Action"在"actionable insights"短语中译为"可操作的"以坚持学术规范性，未强制运用"动作"译法；其他术语表未包括词汇均按规范学术用语处理。）
本研讨提出了一种选用梯级相变储热技能(CPCB)的新式热集成非共沸混合工质冷库体系。建立了CPCB体系的热力学与经济性模型，分析了其充放热进程中的动态特性。经过对比研讨验证了CPCB相较于传统单相变资料冷库(PCB)的功能优势。最终经过事例研讨提醒了影响CPCB体系热经济功能的关键要素，为规划具有高归纳功能的梯级相变冷库体系供给了理论依据。本研讨的立异点与贡献可归纳如下。

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  选用级联相变资料（PCMs）以提高新式非共沸复合工质（zeotropic CB）的归纳功能。
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  对所提出的CPCB相较于传统CB的优越性进行了验证比较。
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  明显影响CPCB热经济功能的关键要素得以清晰提醒。