基于非共沸工质的抽水蓄热系统热经济性参数评估与优化研究

本文推荐研究人员针对可再生能源不稳定性导致的储能需求，开展了基于非共沸工质（zeotropic fluids）的抽水蓄热系统（PTES）多构型热经济性参数研究。通过对比四种Rankine-PTES构型，发现非共沸工质因温度滑移效应可降低不可逆损失，最优构型RVCHP-RORC在130°C时实现27.10%的往返效率（round-trip efficiency）和0.50 $·(kWh)?1的储能平准化成本（LCOS）。研究为低地理限制、长寿命储能技术提供了热经济性优化方案。

　　

随着全球气候变暖加剧，可再生能源如太阳能和风能因低碳特性成为替代化石能源的主力，但其间歇性供电问题亟需高效储能技术支撑。传统压缩空气储能（CAES）和抽水蓄能（PHES）受限于地理条件，而锂离子电池则因高成本和短寿命难以大规模应用。在此背景下，抽水蓄热系统（Pumped Thermal Energy Storage, PTES）作为卡诺电池（Carnot Battery）的子类，凭借低地理限制、长寿命和低成本潜力成为研究热点。然而，现有PTES研究多聚焦纯工质，对非共沸工质（zeotropic fluids）的探索仍存空白，而后者因温度滑移效应可提升热力学匹配度，降低系统不可逆性。

为填补这一空白，中国某高校的研究团队在《Journal of Energy Storage》发表论文，首次系统评估了非共沸工质在四种Rankine-PTES构型中的热经济性表现。研究通过建立热力学与成本模型，对比了有无回热器的系统性能，并分析了工质组分浓度的影响。结果表明，采用R-B工质的构型在140°C时实现最低LCOS（0.43 $·(kWh)^?1），而RVCHP-RORC构型在130°C时达到最高往返效率27.10%。研究还发现压缩机与涡轮机是成本最高的组件，而热水作为储热介质最具经济性。

研究团队采用MATLAB 2023a和REFPROP 9.1构建仿真模型，通过能量/?分析、平准化成本计算及多参数敏感性分析，验证了非共沸工质在提升PTES性能方面的优势。模型与文献数据的误差控制在0.91%以内，确保了可靠性。

系统描述
研究设计了四种Rankine-PTES构型，包括基础型（B-B）、带回热器的热泵构型（RB-B）、带回热器的热机构型（B-RORC）及双回热器构型（RVCHP-RORC）。所有系统均采用非共沸工质，通过热泵将电能转化为热能存储，再通过热机释放电能。

建模与分析
基于稳态假设和恒定等熵效率，建立了各组件的能量与?平衡方程。关键参数如热源温度（80–140°C）、工质浓度（R245fa/R123混合比）被纳入敏感性分析。经济模型采用化工设备成本指数（CEPCI）估算组件投资。

模型验证
通过对比文献中B-B构型的数据，验证了模型的准确性。结果显示，模拟值与文献值的最大相对误差仅为0.91%，证实了模型的可靠性。

结论与展望
研究表明，非共沸工质通过温度滑移效应显著提升PTES性能，其中RVCHP-RORC构型的?效率最高（27.09%）。经济分析显示，增加回热器虽提升效率，但也抬高成本，需权衡优化。未来研究可探索更高温度区间的工质适配性及实际工况下的损耗影响。

该研究为PTES系统设计提供了非共沸工质的理论依据，推动了低