跨临界CO2部分冷凝再压缩卡诺电池的热经济性能优化与多场景应用评估

本文创新性地提出一种基于部分冷凝与再压缩结构的跨临界CO2/R32卡诺电池（PC-CB）系统，通过二元非共沸工质优化热力循环匹配，显著提升往返效率（round-trip efficiency）11.82%。研究结合热力学分析与经济性评估，揭示了其在峰谷电价差异显著场景下的快速投资回报优势，为中型工业废热（>150°C）的高效利用提供了新型电能存储解决方案。

　　

Highlight

本研究的创新点如下：

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  提出新型跨临界CO₂部分冷凝再压缩卡诺电池（PC-CB），通过降低回热过程换热温差减少不可逆损失，较传统回热式卡诺电池性能显著提升。
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  针对拟议卡诺电池开展多参数敏感性分析，涵盖废热入口温度、工质组分、冷源温度等关键热力学影响因素。
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  构建多场景经济性评估框架，结合不同地区峰谷负荷时长与分时电价特性，系统性评估新型卡诺电池在三类典型电力特征区域的应用潜力。

Trans-critical CO₂ partial condensation and recompression Carnot battery

图2展示了发电用跨临界CO₂部分冷凝再压缩循环（PCRC）示意图。为同时满足废热回收与电能存储需求，本研究融合跨临界朗肯循环与超临界CO₂布雷顿循环优势，提出基于PCRC结构改进的跨临界CO₂部分冷凝再压缩卡诺电池（PC-CB）。图3(a)与图3(b)分别呈现其系统示意图与T-s相图。

Thermodynamic and economic models of PC-CB

本节基于以下假设建立PC-CB的热力学与经济性模型：

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  系统处于稳态运行；
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  忽略换热器与管道中的热损失及压降；
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  忽略换热过程中工质组分变化；
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  气液分离时气液两相工质处于饱和状态。

Optimization algorithm and solution flow chart

公式(1)–(44)构成PC-CB的热力学模型，公式(45)–(66)描述其经济性模型。表3列出了关键决策变量与约束条件。采用多目标遗传算法（NSGA-Ⅱ）对系统进行热经济性优化，目标函数为最大化净输出功率与最小化平准化储能成本（LCOS）。

Results and Discussion

本节通过案例研究评估PC-CB性能，并与传统再压缩卡诺电池（RC-CB）对比，验证其优势机制。基于CO₂/R32的二元非共沸工质可降低循环压力、适配常规冷源，从而提升循环效率、净功率与热经济性能。

Conclusion

本研究提出一种集成废热利用的跨临界CO₂部分冷凝再压缩卡诺电池，建立其热力学分析与优化模型，并在多变运行条件下与传统超临界CO₂再压缩卡诺电池进行性能对比。通过考虑投资回收期及不同城市运行场景的经济性分析，凸显该系统在中等温度废热利用领域的应用价值与经济可行性。