卡诺HAWKER蓄电池结合制冷、供暖和电力系统的级联潜热和冷藏的瞬态热性能分析

卡诺电池（CBs）已成为一种可扩展的长期储能解决方案。他们对热能储存的依赖凸显了级联潜热和冷藏（CLHCS）的重要性，CLHCS可以提供灵活的热管理，但缺乏瞬态运行和性能研究。本文构建了针对CB系统定制的CLHCS动态模型，并提出了实现冷却、供暖和电力联合供电（CCHP）的CLHCS工作模式。研究关键参数，包括管数、级长、级数及充放电时间。结果显示，CLHCS在纯供电模式下展现出更优的热力学性能，分别实现了99%和94%的往返效率。参数分析表明，较小的管数能提升往返效率和体能效率，而增加级数带来的益处有限。与适度过充相比，充电不足会严重影响CLHCS的热能储存和释放性能。此外，案例优化结果显示，对于CB系统的CLHCS来说，电能效率比往返效率作为更有效的目标函数，以提升热力学性能。本研究表明，继续推进基于CB的CCHP系统CLHCS技术有充分的理由。

简介

根据国际可再生能源机构的统计数据，2023年全球可再生能源装机容量达到3900吉瓦[1]。然而，可再生能源固有的特性，如变异性、间歇性和不稳定性，导致了能源浪费以及接入电网的挑战[2]。电网级储能技术为平衡可再生能源供需提供了有效解决方案，同时确保电网稳定运行。
目前，抽水蓄能（PHS）和压缩空气储能（CAES）是相对成熟的电网规模技术[[3]， [4]， [5]]，但其部署仍受地理限制、生态问题和建设时间延长的限制。液态空气储能（LAES）虽然提供更优越的能量密度和选址灵活性，但在效率和复杂性方面存在困难[6]。电化学储能技术也日益受到推广，尽管大规模部署仍面临寿命、成本和安全方面的障碍[7]。
作为一种新兴的储能技术，卡诺电池（CB）因其大容量、低成本和地理灵活性等优势而受到关注[8,9]。其基本工作原理是通过热泵将电能转换为热能，在充电时储存在热能储存（TES）单元中，然后在放电时通过电源循环将储存的热能重新转换为电能[10]。因此，TES单元对CB系统至关重要，其性能显著影响整体系统效率。
感热储存在CB系统中广泛应用，主要包括填充床感热和冷藏库（PBSHCS）和液体感热冷藏（LSHCS）。Desrues等人[11]建模了基于PBSHCSs的CB系统，理论上实现了82%的理论最大往返效率;而White等人[[12]， [13]， [14]， [15]]则确定了PBSHCS的最佳几何形状，并强调了部分充放电策略以减少效率损失。McTigue等人[16,17]进一步优化了长径比等参数，报告往返效率低于70%。对于基于LSHCS的CB系统，Laughlin等人[18]在高压场景中显示出成本优势，而Zhao等人[19,20]则将热交换器效率提升（从90%提升到98%）与显著的动力效率提升（从34%提升到54%）联系起来。最近，基于LSHCSs的CB系统的动态运行分析也被报道。Yang等人[21,22]基于LBSHCS构建了一个CB系统的动态模型，发现输入功率降低7%会导致高温LBSHCS下降17°C，LBSHCS的抗能损失7%。另一人[23]进一步研究了基于LBSHCS的CB系统的动态响应，发现热惯性主要受液体储热介质的比热容和质量影响，热惯性的存在导致近150秒的稳态延迟。
上述研究仅聚焦于CB系统在纯储能中的应用。事实上，根据CB系统中热电转换的工作原理[24]，它们在放电时可以同时提供电力和热能，从而作为联合制冷、供暖和电力（CCHP）系统发挥作用[25]。
Zhang 等人[26]分析了基于PBSHS的CB系统在CCHP模式下的性能，发现三联电能效可达188%，而纯电模式下的发电效率可达64%。Alsagri等人[27]提出了一种基于太阳能辅助的LSHCSs计算机流系统，利用光伏电站的剩余电力加热熔盐。储存的热能随后可用于驱动焦耳-布雷顿循环发电、运行吸冷冷却器以供冷，或提供直接供暖。该系统实现了仅83%的三联产能效。
除了PBSHCS和LSHCS之外，级联潜热和冷藏（CLHCS）因其能在不同等级提供热和冷的灵活性，从而使CB系统能够产生多级热和冷，成为TES的有前景选择[28]。研究[29,30]表明，基于CLHCS的CB系统在热力学性能上与使用PBSHCS和LBSHCS的系统相当，且更灵活。此外，基于CLHCS的CB系统具备储存和释放电力以及多种热能和冷能等级的能力，使其成为多能源管理解决方案，有效应对能源枢纽的供需匹配挑战[25]。
目前关于CB系统CLHCS的研究主要采用稳态分析，假设PCM和出口HTF温度恒定，而忽略了感热效应和真实传热特性。然而，实际CLHCS运行涉及实时PCM温度变化和HTF出口温度的波动。这些瞬态现象对CB集成系统中的热力学性能产生了关键影响，但它们与两个关键设计参数（几何设计和运行时间）的关系仍未被深入探讨。此外，CB集成CLHCS中实现CCHP供电的操作模式，以及这些模式间瞬态现象和热力学性能的变化，仍被充分表征。因此，这些研究空白限制了基于CB的CCHP系统（包含CLHCS）的实际应用。
为解决这些问题，我们开发了一个适用于基于CB的CCHP系统的瞬态CLHCS模型，考虑了感热效应和实时传热特性。CLHCS的运行模式，包括纯电力供应（PES）、供热与电力联合（CHP）和冷却与电力联合供电（CCP），经过设计和比较评估。随后，进行一系列参数化分析，包括管数、级长、级数和充放电持续时间，以实现动态充放电操作。结合实际PCMs的独特特性，基于案例研究进行优化，设计适合CB系统的CLHCS。