一种使用联苯 - 联苯氧化物混合物的创新高温亚临界泵送蓄热系统

《Energy》：An innovative high-temperature subcritical pumped thermal energy storage system using biphenyl-biphenyl oxide mixture

　　

• 提出了一种新型亚临界PTES系统，压缩机出口温度为400 °C。• BDO作为热泵、热存储和CORC的统一工作流体。• 最大COP和CORC效率分别为22.71和29.04%。• 最佳往返效率和?效率可分别达到641.62%和23.14%。• 存储时长为6小时时，系统LCOS为0.369美元/kWh。

引言

电能存储对于平衡随时间变化的用户能源需求与现场发电能力至关重要。熔融热能存储（PTES）由于其地理适应性、灵活的容量配置、可控的成本和长使用寿命，是一种极具前景的电能存储技术。在充电阶段，剩余电力通过热泵循环转化为热能；在放电阶段，储存的热量通过热机循环重新用于发电。

工作温度超过400-500 °C的高温PTES技术近年来备受关注，这得益于其卓越的能量存储密度。大多数研究涉及PTES与聚光太阳能或高温废热的热集成。McTigue等人提出了两种将颗粒型PTES与聚光太阳能发电结合的新型混合概念[1]。热泵充电后，太阳辐照将颗粒温度从750 K提升至1100 K，使往返效率从41%提升至62%。Cascetta等人开发了一个与太阳能电站集成的5 MW/6 h氩气布雷顿-焦耳PTES系统动态仿真模型，其中采用填料床作为热存储单元[2]。在太阳能热能的辅助下，最大热存储温度达到1000 K，往返效率约为63-65%。Barberis等人提出了一种由工业废热驱动的创新PTES系统，采用超临界二氧化碳（sCO2）作为工作流体[3]。sCO2热泵将水泥厂330 °C的废热提升至400-600 °C进行热存储。在最大热存储温度为500-600 °C时，往返效率范围为55%至67%。Shamsi等人探索了一种将太阳能、废热和生物质等免费热源相结合的潜在PTES布局，以提升系统整体性能[4]。结果表明，在热源温度为500 °C时，最大往返效率约为150%。

除上述数值仿真研究外，过去两年间还报道了多项试点运行和规划中的项目。例如，一套存储容量为1.1 MW/10.8 MWh的多源热存储绿色蒸汽系统于2025年5月在上海正式投入商业运行，此前已进行了两个多月的试运行。该系统巧妙地将单罐熔盐热存储与换热单元同高温热泵相结合，以每吨蒸汽仅743 kWh的电耗供应工业级蒸汽[5]，[6]。一个2 MW、600 °C的PTES示范项目于2025年11月19日在中国浙江省成功投运，采用熔盐作为存储介质[7]。另一套400 °C轴流式PTES试点设施于2025年12月22日在浙江启动运行，采用空气作为热泵循环流体，电力输入为5.6 MW，热功率输出为8 MW，提供1小时的热存储能力。其COP随废热温度不同在1.3至2.0之间变化，当与熔盐结合时，存储时长可延长至6-14小时[8]。全球首个超高温PTES项目"储诺"于2025年12月25日在中国投入运行，储能功率超过1 MW。其利用熔盐将存储温度提升至560 °C以上，储能密度在80至120 kWh/m3之间波动，往返效率超过65%[9]，[10]。一项名为HYSTORE的研究倡议由瑞典皇家理工学院牵头，将热泵与相变材料相结合，为建筑供暖和制冷应用提供自适应储能解决方案。该项目由欧盟委员会资助，预计于2027年底结束[11]。SCO2OP-TES是一项由欧盟资助的研究项目，旨在验证基于sCO2正向和反向布雷顿循环配合熔盐热存储的创新试点工厂，该项目旨在革新工业废热在优化循环效率和促进电网灵活性方面的作用[12]，[13]。

通过总结上述规划和运行系统，可以发现几乎所有方案均以空气作为热泵工作流体，SCO2OP-TES除外，后者采用CO2。此外，"储诺"和SCO2OP-TES分别以空气和CO2作为热机的工作流体，而其余所有项目仅产生高温蒸汽而不发电。尽管空气和CO2是廉价且安全的循环流体，但它们不可避免地存在若干缺点：首先，气体压缩需要消耗大量技术功才能显著缩小体积并提高压力和温度。相比之下，在朗肯循环或卡琳娜循环中压缩液体所需功很少。其次，空气的低比热容和密度导致巨大的体积流量，进而需要大型设备，如换热器和大容量气体轮机。第三，尽管sCO2布雷顿循环设备紧凑，但必须承受超高压（通常为几十兆帕或更高），且CO2在高温高压条件下的腐蚀性要求使用昂贵的耐热钢或合金材料。此外，sCO2循环的长期运行可靠性尚未得到验证。第四，鉴于熔盐被广泛用于高温热存储[5]，[6]，[7]，[8]，[9]，[10]，[12]，[13]，存储介质与循环工作流体之间巨大的热物性差异导致显著的热传递损失。

上述挑战可以通过采用联苯-联苯氧化物（BDO）共晶混合物来解决。特别是，BDO在PTES系统中同时作为热泵、热存储和有机朗肯循环（ORC）的工作流体。BDO以Therminol? VP-1、Dowtherm-A或Diphyl等知名商标销售[14]，[15]。在抛物槽式太阳能发电技术中，它通常被称为导热油，用作吸热器传热流体[16]。根据制造商说明，BDO结合了优异的热稳定性和低粘度，在广泛的最佳操作温度范围内可实现高效、可靠、均匀的性能。它可在高达400 °C的范围内作为液态或沸腾-冷凝传热介质运行。其推荐的最大本体和膜温分别为400 °C和430 °C，基于行业标准热试验。在这些限制范围内运行可保证在大多数工况下的长使用寿命[17]。通过闭环锅炉回路[18]和热管测试平台[19]中的重复实验，验证了其优异的热稳定性和化学稳定性。BDO已被广泛报道作为ORC工作流体[20]，[21]，[22]，[23]，[24]。鉴于热泵循环与ORC之间的相似性，正向循环中可行的工作流体也适用于热泵逆向循环。另一方面，将油作为热存储介质在早期太阳能塔式电站中已有成功应用记录。例如，1982年投运的Solar One采用单罐热电分层存储系统，填充Caloria HT-43矿物油和花岗岩岩石作为固体填料[25]。两年后，Solar Electric Generating Station I成功上线运行，采用双罐直接存储设计，其中Calloria油既作为传热介质又作为存储介质[26]。因此，从理论上讲，使用合成导热油BDO进行热泵循环和热存储是可行的。

据作者所知，本文首次将BDO共晶混合物应用为高温亚临界PTES中热泵、充放电及热存储过程的统一工作介质。这种集成设计显著减小了热能存储装置与正向/逆向循环之间因热物性不匹配而产生的不可逆热传递损失。尽管CO2已被同时用于热泵循环、热存储和发电循环，但其存储温度仅为62 °C[27]，因此不符合高温PTES方案的要求。此外，最高达25 MPa的超临界运行条件导致初始投资成本过高，回收期长达十余年[27]。相比之下，本文提出的PTES布局完全在亚临界条件下运行，最大压力不超过1.1 MPa。然而，最大存储温度仅为395 °C，明显低于熔盐存储提供的560 °C。这意味着对于等容量存储需要更大的BDO混合物体积。本文详细阐述了新型PTES的运行理念和特性，建立了数学模型，进行了热力学性能优化和?分析，最后评估了经济指标。

系统描述与运行原理

图1展示了创新的基于BDO共晶混合物的PTES系统。它由三个模块组成：左侧的高温热泵循环、中间的双罐存储装置和右侧的级联有机朗肯循环（CORC）。其主要组件和运行原理如下所述。

热存储单元具有一个部分填充胶囊型相变材料（PCM）的高温罐（HTT），以及一个低温罐（LTT）和一个泵（P3）。

数学模型

假设废热为烟气，其主要成分为空气。其在不同温度下的焓值可从REFPROP 8.0中获得[29]。根据REFPROP查询结果，压力对空气焓值影响不大。图2展示了t-s图。

结果与讨论

表2总结了计算所需的所有详细参数。CORC的成功实践案例报道较少。根据现有实验研究，CORC测试台架中上部涡轮机和下部涡轮机的功率输出分别为44 kW和48 kW[43]。因此，本研究中CORC的总发电功率四舍五入至100 kW。值得注意的是，由于换热器内可实现的最小绝对压力受到技术限制，

结论

本文提出了一种与废热集成的高温亚临界PTES系统。BDO共晶混合物创新性地作为热泵循环、热能存储单元以及包含两个中间换热器（IHX）的CORC的工作流体。得益于BDO独特的热物性，系统可在395 °C下实现热存储，同时最大运行压力维持在约1 MPa。这意味着所提出的系统可以解决一系列技术和经济方面的挑战。

作者贡献声明

景立：撰写-审阅与编辑、方法论、调查、形式化分析、概念设计。白西民：软件、资源。裴刚：监督。陈亮乐：软件、资源。胡尚银：撰写-审阅与编辑。刘凤岗：撰写-审阅与编辑。李鹏程：撰写-原稿、方法论、调查、形式化分析、数据管理。陈怡：软件、资源。舒成兴：撰写-审阅与编辑。

生成式人工智能和AI辅助技术在写作过程中的声明

在本文准备过程中，作者未使用任何生成式人工智能或AI辅助技术。

资金支持

本研究由中国国家自然科学基金（52206008）资助。

利益冲突声明

? 作者声明不存在已知可能影响本文所报道工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究由中国国家自然科学基金（52206008）资助。

李鹏程 | 陈怡 | 舒成兴 | 陈亮乐 | 胡尚银 | 刘凤岗 | 景立 | 白西民 | 裴刚