基于相变材料的蒸汽卡诺电池热力学循环设计

为了研究工业园区综合能源系统的多能互补新路线,提出基于高低温相变材料的新型蒸汽卡诺电池.建立计及设备性能与质量流量的热力学循环计算模型,分析设计参数、多级压缩结构对系统热泵系数、循环效率、储电损失与供热(火用)效率的影响.通过探究发现,低温相变材料的相变温度和高温相变材料的相变温度是影响蒸汽卡诺电池性能的主要因素,得到蒸汽卡诺电池的高循环性能区.优化蒸汽卡诺电池的参数与结构,结果表明,循环效率可达56.96%,热泵系数可达2.55,供热(火用)效率可达68.74%.

面向火电厂改造的熔盐卡诺电池储能系统仿真研究

熔盐卡诺电池储能系统将火电厂与储能技术耦合,是实现机组灵活改造的有效途径。该系统可采用新能源场站弃电或者电网低谷电直接或者通过热泵循环间接加热熔盐,将电能转化为高温热能存储,而后高温熔盐和锅炉共同作为热源来驱动汽轮机发电,从而达到减少煤炭使用甚至替代锅炉的目的。为探究部件参数变化对火电厂改造的熔盐卡诺电池储能系统的效率影响规律,本工作首先在Aspen Plus平台中搭建了热泵循环、熔盐蒸发器以及典型600 MW亚临界燃煤机组等模块构成的熔盐卡诺电池储能系统热力学模型。其次,分析了热泵的循环工质、有/无回热以及部件关键参数对热泵制热效率及系统储能特性的影响规律。最后,比较了直接电加热和利用热泵循环加热熔盐的两种不同电转热形式的储能系统变工况效率。研究结果表明,有回热系统的热泵制热系数和储能系统往返效率均高于无回热系统;对于有回热系统,氩气作为热泵循环工质的回热器热负荷最低,然而氮气作为热泵循环工质时,储能系统的往返效率最高。在冷源温度67℃、等熵效率0.9和机械效率1.0时,储能系统额定工况的往返效率可达61.46%。此外,在额定工况下,采用热泵的储能系统相比于直接电加热的系统往返效率提高了45.16%。本研究可为火电厂改造的熔盐卡诺电池储能系统的设计和分析提供理论指导。

依托低阶煤电站的提质储热卡诺电池及其性能分析

大规模、高效率的储能技术,是新能源电力持续发展的重要保障。该文提出一种卡诺电池的新模式,即依托低阶煤电站的提质储热卡诺电池,以低阶煤干燥与存储替代常规的储热。结合典型案例与仿真模型,分析耦合系统内部的能量转化特性,明确碳排放水平与新能源电力消纳能力的变化,进而探讨储能功率对各单元性能的影响规律及其成因。结果表明,在电站不同的稳燃负荷下,储能规模可达22.8~61.0MW,往返效率可达72.2%~97.2%;运行模拟表明,单日可多消纳可再生弃电165.5MW×h,降低碳排放3.56%(134.5t)。该储能模式不仅可以实现电能的大规模、高效率存储,还可以改善电站的深度调峰能力与碳排放水平,可为存量煤电的灵活低碳转型与卡诺电池的工业化提供技术选项。

卡诺电池在玻璃窑炉低品位余热利用中的展望

玻璃窑炉在生产过程中超过30%的能耗会以废热的形式被烟气带走。目前余热利用后的烟气温度(~170℃)仍有较大利用空间。此外,退火窑产生的低品位余热目前也存在较大浪费。该文将结合一种新型的大规模物理储电技术-卡诺电池技术,对玻璃熔窑中低品位的余热利用进行分析与展望。

基于相变堆积床的卡诺电池系统设计与实验研究

卡诺电池系统是一项将过余电量以热能的形式存储起来,需要的时候通过动力循环向外释放的大规模物理储能系统,其摆脱了地理环境限制且紧凑高效,在削峰填谷、长时储能方面具有广泛前景。本工作设计了一套基于正/逆布雷顿循环和相变储热技术的10 MWh级卡诺电池系统,建立了基于Python3.8的数值模型,探究了压比、等熵效率、工质雷诺数、介质长径比等参数对系统性能的影响,结果表明该系统运行在压比为10、等熵效率0.9工况下时往返效率可以达到0.6,储能和功率密度分别达到378.44 kWh/m^(3)、203.58 kW/m^(3)。在不同的运行参数下分别对两个储罐的储能过程进行了实验研究,验证了当入口处工质压力越大、温度与室温温差越大,系统的储能密度与功率密度越高。

新型全时段耦合余热的卡诺电池系统构建及热-经济性评估

卡诺电池(CB)是可同时实现储电和余热回收利用的新兴储电技术。当前耦合余热卡诺电池(TI-CB)仅在充电环节利用余热,余热利用不充分。本文提出一种全时段耦合余热的卡诺电池系统(DTI-CB),通过将余热与有机朗肯循环(ORC)耦合,实现余热与卡诺电池全时段高效集成,并对其热-经济性能进行评估。相比TI-CB系统,DTI-CB最高可提高95.67%的发电能力和降低30.90%的平准化度电成本;相比ORC发电和CB独立系统,DTI-CB在高负荷条件下具有更高的热经济性优势。

基于跨临界循环的卡诺电池储能系统构型优化

卡诺电池是一种新兴有前景可实现大规模储能的技术。本文基于跨临界CO2循环的卡诺电池储能系统,首先根据储热介质和有无回热情况,设计了 6种系统构型,并对其热力参数进行优化;之后,从热-经济学的角度开展了对比分析,获得了最优系统构型。结果表明:带回热后的卡诺电池系统比无回热系统综合效率有所提高;其中使用菜籽油时获得最高综合效率(75.28%)和储能密度(36.61 kWh·m^(-3)),且比无回热的系统分别增大了 36.67%和25.68 kWh·m^(-3)。6种卡诺电池系统构型的总投资成本在(11.5~36.3)×10^(6) USD,单位能量的投资成本在954~3028 USD.kW^(-1)·h^(-1);换热器成本占比最高可达54%,储热罐的成本占比最高可达14%,膨胀机和压缩机成本占比分别在18%~31%和14%~26%之间;对比来看,使用导热油并加入回热的卡诺电池系统经济性最好。

超临界二氧化碳-高温热泵联合储能发电系统设计及分析

为解决可再生能源间歇性和波动性导致的电力供需不匹配问题,提出了一种基于超临界二氧化碳(S-CO_(2))循环和高温热泵的联合循环储能发电系统,该系统是卡诺电池形式的一种创新探索。通过熔盐储热装置和水储冷装置实现能量交换,有效联合了热泵循环加热过程和S-CO_(2)循环发电过程,获得了较高的储能发电系统往返效率。模拟计算了联合循环的典型工况参数和热力性能,分析了S-CO_(2)循环中主要参数对系统整体效率的影响。结果表明:提高膨胀机入口温度有助于提高整体循环效率,系统最优往返效率可达62.8%,同时储热熔盐需求量减少;提高主压缩机入口气体参数可使系统效率达到极限值,超过该值后整体循环效率不再提高;主再压缩机分流比为0.35时系统效率达到最优;确定了S-CO_(2)循环系统最佳运行工况,比同工况下简单布雷顿系统往返效率高7.98%。

碳中和背景、路径及源于自然的碳中和热能解决方案

工业化以来的人类活动是全球气候变化尤其是全球变暖的关键因素,这已成为世界科学界的共识。为了早日实现"双碳"目标,碳替代、碳减排、碳循环、碳封存将是4个最主要的技术路径。为细化不同技术的碳中和贡献度,针对国际组织Project Drawdown给出的76种具体减碳技术进行了计算,结果表明:碳减排相关技术将发挥最重要的作用;行为改变将比技术进步产生更大的影响;与自然和热能相关技术的减碳潜力占比分别达到45.9%和35.5%。基于自然在碳循环中的重要作用及我国丰富的自然热能资源,提出了源于自然的碳中和热能解决方案,并以利用地下储热为例分析了其优势。

基于固体填料床的泵热储能系统热-经济性分析

泵热储能技术因其具有大规模化、成本较低且无地理条件限制的优势,在未来电力系统中扮演着十分重要的角色。针对采用固体填料床且基于可逆焦耳-布雷顿循环的泵热储能系统,开展了不同设计参数对系统热-经济性的影响规律研究,结果表明:系统综合效率随着最大充电温度、做功部件多级效率和填料床孔隙率的增加而升高;当选取氦气为工质,磁铁矿为储热介质,且最大充电温度为850 K时,多级效率为92%,填料床孔隙率为46%时,得到最大综合效率72.45%。系统平准化储能成本随着最大充电温度和做功部件多级效率的增加而降低;当选取氦气为工质,磁铁矿为储热介质,且最大充电温度为850 K时,多级效率为92%,填料床孔隙率为40%时,可获得最小平准化储能成本0.211美元(/kW·h)。