一种基于太阳能辅助的超临界二氧化碳循环与蒸汽朗肯循环的创新式抽吸式热能存储方案

《Energy》：An innovative pumped thermal energy storage concept driven by solar-assisted transcritical CO2 and steam Rankine cycles

　　摘要：泵式热能存储技术因其长时储能能力、选址灵活且环保特性，被视为极具前景的储能技术。与热系统整合的泵式热能存储方式为能源优化提供了新途径，并有望进一步提升效率。本文提出了一种创新的太阳能辅助超临界二氧化碳热泵泵式热能存储方案，该方案基于亚临界和超临界蒸汽朗肯循环，分别对应系统I和系统II。该方案采用两种熔盐（Hitec XL和太阳能熔盐）构建四罐结构。超临界二氧化碳循环分为低温段和高温段：低温段通过向Hitec XL循环释放热量为动力循环中的水预热，而高温段则与塔式接收器配合，将太阳能熔盐温度提升至833 K。文中阐述了所提系统的基本原理并建立了数学模型。研究结果显示，对于系统I，无塔情况下的最大往返效率、有塔时的序效值以及集成塔式接收器后的等效功率效率分别可达54.01%、92.78%和54.51%；系统II的相应数值分别为62.16%、69.35%和64.74%。这些结果表明，启用塔式接收器对提升两种系统的能源利用效率及热力学性能至关重要。此外，系统I和系统II的最大储热容量分别为211.96 MWh和2481.66 MWh。

引言：泵式热能存储技术因其在解决可再生能源整合及电网稳定性问题方面的潜力，以及其低成本储能材料、长使用寿命和与现有工业基础设施的兼容性，而备受关注。尽管前景广阔，但低往返效率及有限的热泵容量等技术瓶颈限制了其广泛应用。由于存在不可逆损失，大多数泵式热能存储系统的往返效率约为50%。虽有一些研究表明可通过压缩机和涡轮机的多缩放效率超过90%，从而实现60-70%的较高效率，但目前市面上的热泵其供热能力仅在20 kW到20 MW之间，这使得泵式热能存储系统主要适用于分布式储热示范和发电应用。与热系统整合的泵式热能存储技术可通过利用各类废热资源来降低热泵的电力负荷，这种协同作用可通过提高储热温度、改善动力循环效率以及减少热泵中的不可逆损失等多种方式提升往返效率。在众多解决方案中，太阳能因其全球范围内均可获取且几乎取之不尽的特性而尤为突出。引入太阳能不仅能降低热泵的运行温差，还能因更高的放热温度提升热机的平均吸热温度，从而分别有助于提高性能系数和动力循环效率。混合型泵式热能存储系统通过整合太阳能集热器以及双罐熔盐/单罐相变材料，可有效应对太阳能的间歇性问题并维持电网稳定，因此特别适合用于100 MW以上的大型储热应用。近期研究显示，将太阳能与泵式热能存储系统相结合具有巨大潜力。Petrollese等人提出了一种新型塔式泵式热能存储系统，该系统以氩气作为工作流体，采用闭环布雷顿循环，配备三个填充床式储热罐，其往返效率可达60%。Du等人则提出了一种基于氦气的太阳能泵式热能存储系统，该系统采用固体填充床进行储热，并从聚光镜场中的颗粒获取太阳能热量。他们发现，引入太阳能可显著提升输出功率和能量密度，但会使往返效率略降至约58%。Yu等人将开环超高温空气热泵与基于塔式的超临界二氧化碳循环发电厂相结合，实现了62.5%的最高往返效率。与传统电加热方式相比，该系统可使聚光镜场面积减少28.5%，或使功率输出提升约20%。Liu等人则在太阳能与地热互补的泵式热能存储系统中整合了癸烷热泵和有机朗肯循环，其功率效率和热效率分别达到了118%和23.89%。McTigue等人提出了两种与太阳能塔相结合的混合型泵式热能存储方案，这些方案以二氧化硅颗粒作为储热介质，并采用流化床式换热器。该方案中的颗粒接收器和热泵的温度分别可达1200 K和1100 K，其往返效率超过60%。Niu等人比较了四种与塔式发电厂相结合的压缩二氧化碳储能系统，其中液态二氧化碳配置在保持59.4-63.3%的竞争力强的储热效率、28.4-29.6%的序效值以及35.0-37.5%的能量效率的同时，具有最高的储热密度。然而，现有研究尚未将超临界二氧化碳热泵储能技术与太阳能塔相结合，也未探讨过同时使用两种不同熔盐的可能性，更没有关于超临界二氧化碳热泵、塔式结构及四罐储热结构整合的相关报道。目前已有研究证实，573-873 K温度范围内的超临界二氧化碳热泵具备提升泵式热能存储系统温度的显著能力，此外，该循环还提升了其与高温显热储热的兼容性，更能适应蒸发器和冷凝器中的温度变化。不过，大多数研究显示，太阳能辅助的泵式热能存储系统的往返效率约为60%。尽管也有少数研究报道了超过100%的往返效率，但这些结果是由于太阳能的大量贡献大幅降低了压缩机的能耗，从而导致电能输入低于总功率输出。本研究提出了新型的太阳能辅助超临界二氧化碳热泵泵式热能存储系统，旨在进一步提升往返效率。系统I和系统II分别采用亚临界和超临界蒸汽朗肯循环。与使用单一储热流体的传统泵式热能存储系统不同，本研究采用了两种熔点不同的熔盐，因此需要配备双高温储热罐和双低温储热罐。这种新颖的结构可实现对各储热罐的储热时长进行灵活调节，以满足不同系统的特定储热需求。另一方面，虽然亚临界蒸汽朗肯循环是最常见的与太阳能发电结合的方式，但燃煤电厂中常用的超临界蒸汽朗肯循环也有潜力与塔式发电厂相结合。Zhai等人比较了523-1273 K温度范围内太阳能发电系统中超临界二氧化碳循环、空气布雷顿循环、亚临界和超临界蒸汽朗肯循环的性能，认为在773 K以下的中温范围内，以及追求设备紧凑性的场景中，超临界蒸汽朗肯循环具有优势。Sun等人创新性地提出了一种超临界再热回热流程，用于构建新型超临界蒸汽朗肯循环，该循环可用于太阳能和核能发电，其效率预计将高于超临界二氧化碳布雷顿循环。White等人分析了一种与储热系统相结合的超临界蒸汽朗肯循环系统，该系统的储热功能由铅冷快堆和太阳能塔提供。在储热释放过程中，该系统的发电功率可达587.8 MWe，效率为51.4%。这些研究都证明了超临界蒸汽朗肯循环与塔式发电厂的高效结合，以及储热系统在缓解太阳能间歇性问题方面的作用。据笔者所知，本研究是首个将太阳能塔式接收器与超临界二氧化碳热泵相结合的研究。现有文献中虽有将塔式接收器与传统热泵相结合的报道，也有将超临界二氧化碳热泵与抛物面槽式集热器相结合的报道，但采用四罐熔盐结构的太阳能辅助超临界二氧化碳热泵泵式热能存储系统则是首创。超临界二氧化碳循环的低温段和高温段分别向两类熔盐释放热量，以此减少节流过程中的不可逆损失并提升性能系数。低熔点的熔盐从超临界二氧化碳循环的低温端吸收热量，为动力循环中的给水预热；而高熔点的熔盐则在进入塔式接收器之前从二氧化碳压缩机的出口吸收热量，随后在接收器中被进一步加热至833 K。预计所提出的系统相比传统的太阳能辅助泵式热能存储设计，能够实现更高的往返效率。文中详细阐述了这些系统的运行原理及独特特点，还进行了对比研究以分析其热力学性能的差异，同时通过详细的序效分析量化了能量损耗情况。最后，还对系统的储热容量进行了严格评估，并简要分析了相关经济指标。

系统描述：本研究采用了两种熔盐：太阳能熔盐（60% NaNO3+40% KNO3）和Hitec XL熔盐（48% Ca(NO3)2+45% KNO3+7% NaNO3）。这两种熔盐在现有的太阳能项目中得到了广泛应用，其熔点分别为494 K和403 K。图1展示了所提出的两种泵式热能存储系统的示意图。这两种系统均采用相同的太阳能辅助超临界二氧化碳热泵循环以及双熔盐储热单元，但动力循环有所不同。系统I采用单级驱动的亚临界蒸汽朗肯循环。

数学模型：图2展示了T-s图。由于两种系统采用相同的熱泵循环，且动力循环中的控制方程也类似，因此以系统I为基准建立了相应的数学模型。

结果与讨论：在热力学系统分析中，通常首先通过能量分析确定最佳运行条件，然后再通过序效分析来评估能源利用的效率。对于所提出的太阳能辅助泵式热能存储系统，其能量效率指标包括各项性能参数、性能系数等。前三个指标用于评估各子系统的能量性能，而最后一个指标则是对整个泵式热能存储系统进行综合评估，同时也可为系统设计确定最佳运行条件。

结论：本研究提出了两种基于塔式结构的超临界二氧化碳热泵泵式热能存储系统：系统I采用亚临界蒸汽朗肯循环作为动力来源，系统II则采用超临界蒸汽朗肯循环。这两种系统均采用了两类熔盐构成的双显热储热结构。通过分析过热蒸汽压力和塔式接收器入口温度的影响，得出了若干重要结论。对于这两种系统而言，过热蒸汽压力和塔式接收器入口温度的变化趋势均会对系统性能产生影响。

作者贡献声明：Shangyin Hu负责软件和资源准备；Pengcheng Li负责初稿撰写、方法论设计、实验研究、正式分析以及数据整理工作；Chengxing Shu负责软件和资源准备；Jing Li负责论文审阅与编辑、方法论设计、实验研究、资金申请、正式分析以及概念构思工作；Liangle Chen负责论文审阅与编辑、正式分析工作；Chenhan Jin负责初稿撰写；Yiran Cheng负责初稿撰写；Gang Pei负责方法论设计工作；Fenggang Liu负责论文审阅与编辑工作；Ximin Bai未参与具体研究工作。

利益冲突声明：? 作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52206008）的资助。

作者名单：Pengcheng Li|Chengxing Shu|Jing Li|Liangle Chen|Shangyin Hu|Fenggang Liu|Ximin Bai|Chenhan Jin|Yiran Cheng|Gang Pei
单位：中国合肥工业大学汽车与交通工程学院，地址：中国合肥屯溪路193号