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高压级联卡特蓄电池储能系统中浮动电压的测量与分析

来源：卡特蓄电池发布时间：2026-06-19 11:18:48 点击：次

自20世纪以来，工业的广泛应用与发展以及经济的发展促进了经济繁荣。然而，化石燃料的过度使用导致碳排放增加，造成全球变暖和严重的环境破坏。为此，世界各国采取了诸如1997年的Kyoto Protocol[1]和2021年的Glasgow Climate Convention等措施，目前已有151个国家（占全球总排放量的89%）承诺实现净零或碳中和目标[2]。中国作为世界上最大的发展中国家，已宣布其目标是在2030年前实现碳达峰，并在2060年前实现碳中和。这将通过采取更强有力的政策和措施来实现，例如关闭高耗能企业和提高碳税[3]。
因此，为解决这些问题而对可再生能源的需求显著增加。尽管风能和太阳能等可再生能源在全球总能源系统中的占比一直在逐渐提高[4]，但其局部分布、间歇性和波动性使得由于能源供需不匹配，难以直接应用于实际生产中[5]。因此，人们开展了广泛的研究，开发新型储能技术以提高电力系统的灵活性是最可行的解决方案[6]。此外，中国目前的一次能源利用效率仅为34%，约有42%的能量以废热的形式损失，其中大部分是低温废热（约占总量的66%）[7]。这种废热温度较低且分布较为分散，难以使用传统的动力循环进行回收，需要开发特定的回收技术。
卡诺电池（CB）作为一种利用热能的新型储能技术。与其他常见的储能技术相比，如抽水蓄能（PHES）和压缩空气储能（CAES），CB不受环境或地理条件的限制[8]。锂电池（LB）[9]比CB更昂贵，而液流电池（FB）的寿命较短[10]。CB具有结构简单、成本低且独立于地理环境等特点[11]，能够实现灵活储能，解决供需不匹配的问题[12]，并回收低温废热，是一种极具前景的储能技术[13]。
目前已提出三类主要的CB：pumped thermal energy storage（PTES）、liquid air energy storage（LAES）和Lamm-Honigmann storage（LHS）[14]。PTES在管理电力、热量和冷量的供需方面具有灵活性。它没有地理限制，且往返效率可能达到100%，使其成为一种环境足迹较小的极具前景的方案[15]。PTES系统通过工作流体的相变过程储存显热和潜热[9]。它由热泵循环、储热系统和动力循环组成。储热系统由过剩电力驱动的逆时针热力学循环充电，该循环在放电期间提供热量以运行动力循环[16]。根据动力循环的原理，PTES系统可分为两类：基于Brayton循环的和基于Rankine循环的[17]。根据动力循环中使用的工作流体，PTES可分为蒸汽Rankine循环[13]、有机Rankine循环（ORC）[18]、超临界CO₂循环[19]和氨循环[20]。此外，一些研究人员提出了几种新型级联循环，例如氨与蒸汽级联循环[13]，以及超临界CO₂与亚临界NH₃级联循环[20]。其中，使用具有较高临界温度的蒸汽作为工作流体的蒸汽Rankine循环，其温度最高可达400 °C。相比之下，基于ORC的PTES系统使用的工作流体临界温度较低...
Steinmann [13] 于2014年首次提出了将低温废热集成到PTES系统中的方案，并于2017年描述了PTES系统与其他大规模储能技术相比的特性[23]。Vecchi等人[24]评估了PTES系统商业化开发的最新方法，主要关注理论研究与实际应用在性能和经济性方面的差异。Nitsch等人[25]认为PTES系统较低的储能成本是其发展的主要驱动力，并构建了一个优化模型Remix，该模型被应用于2050年中欧零排放能源系统的案例研究中。Su等人[26]利用地热辅助热量构建了四种不同配置的CB，以深入评估地热辅助热量的优势以及CB的应用潜力。此外，一些研究人员已开始使用智能算法来优化系统，Feng等人[27]通过选择系统运行的六个关键参数，研究了最大化㶲效率和最小化成本的双目标优化问题，并获得了Pareto最优解。另外，一些研究[28]指出，系统的运行性能与运行工况密切相关，在实际运行中组件长期偏离设计工况会导致效率降低，甚至影响组件的使用寿命。
PTES系统由各种部件组成，每个部件的性能直接影响系统效率。Eppinger等[32]分析了部件等熵效率对系统性能的影响，表明系统性能与等熵效率呈正相关，当等熵效率从50%提高到90%时，系统效率也从30%提高到了83%。Weitzer等[33]讨论了基于ORC和有机闪蒸循环的CB系统，指出两相膨胀可以提高系统效率，并提出闪蒸过程可以在非设计工况下继续运行。Bellos等[11]在PTES系统中引入了太阳能辅助系统，并进行了多目标优化，实现了高达68.48%的最佳效率，这是空气热源效率的两倍以上。他们[34]还提出了一种废热双重利用的PTES系统，其中废热首先用于为储热系统提供热量，然后作为HP的热源。Liang等[35]构建了一个由多种热源驱动的多压蒸发ORC，并使用了非线性规划模型，使系统的净功率输出增加了10.87%。Zhang等[36]在Rankine循环中增加了一个预热器，提高了进入蒸发器的工质温度，并将系统效率提高了18.4%。
传热过程是PTES系统与外界之间能量交换的重要过程，改善传热过程中的温度匹配关系对于减少㶲损失和提高系统效率具有非常重要的作用。Jockenhofer等[37]研究了换热器夹点温差对系统性能的影响，并指出当夹点温差从5 °C增加到10 °C时，系统性能下降了18%，同时指出换热器是㶲损失的主要部件。Fan等[26]针对PTES系统的换热器优化了传热过程，使㶲效率提高了19.2%，热效率提高了25.06%。一些研究通过分析传热过程来寻找更高效的工作流体。Qiao等[38]提出了一种基于基团贡献法评估CB中不同工作流体性能的新方法，这有利于在分子水平上优化系统性能，并综合认为R272fa是最佳工作流体。Zhang等[36]在PTES系统的充放电过程中使用了不同的工作流体。结果表明，工作流体的类型对系统效率的影响极小（<2%），并且增加了系统的复杂性。
由于非共沸工质在相变过程中是变温过程，因此该工质在等压相变期间的饱和液体点温度和饱和蒸汽点温度不同。两者之间的温差定义了在该压力下非共沸工质的温度滑移[40]。Zühlsdorf等人[41]基于14种天然制冷剂组分研究了HPs中二元混合物的数值模拟，并表明最大性能提升达20%。Xi等人[42]研究了使用R245fa作为烷烃阻燃剂的ORC系统的详细经济建模，结果表明，与纯工质相比，非共沸工质主要降低了蒸发器的初始成本。Huang等人[43]设计了一种新型蒸汽喷射热泵，用于在不同热源温度下主动调节具有不同非共沸工质的混合物组分，结果表明丁烯/环己烷和环丙烷/己烷表现出最佳性能。Feng等人[44]将R600/R601a非共沸工质应用于ORC系统，发现当R600质量分数为0.6时系统经济性最佳。Lu等人[45]为CB增加了可调节工质组分的部件，这使得使用非共沸工质的系统功率回收效率和㶲效率分别提高了22.40%和16.78%。因此，选择ze...

综上所述，由于组件结构的限制，传统的CB具有较低的能量回收效率。尽管已有许多从热力学和经济角度对CB系统进行的研究，且大量研究探讨了非共沸工质相比纯工质在性能提升方面的优势，但鲜有研究探讨在PTES系统中采用非共沸工质所引起的效率变化及经济表现，以优化其热经济性。本工作中提出了一种用于分段储能的新型PTES系统，该系统采用非共沸工质，并从热力学、经济性和环境角度将其与传统PTES系统进行了对比。分析了工质质量分数、废热温度以及储能温度对系统性能的影响，并对能量回收效率和投资成本进行了多目标优化。与以往研究的主要改进如下：（1）提出了一种具有分段储能功能的PTES系统，通过HP中工质的双级冷凝减少了换热过程中的㶲损失，调节了储能环境中热水的质量流量，并证明了其在热效率和经济性方面优于传统PTES系统。

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