基于印刷电路换热器的超临界压缩二氧化碳储能系统综合性能研究

《Energy》：A Comprehensive Performance Study of a Supercritical Compressed CO2 Energy Storage System Using Printed Circuit Heat Exchangers

　　摘要：随着能源存储需求的不断增长，超临界压缩二氧化碳能源存储系统因其紧凑性和高效率而受到关注。印刷电路式换热器是该系统的核心组件，但其几何结构对系统性能的影响尚未得到充分研究。本研究基于能量、耗散函数、能量水平、经济性及环境分析等多准则框架，系统评估了换热器参数——通道长度、直径、数量以及入口形状——对系统性能的影响。在设计条件下，该系统的往返效率为60.01%，耗散函数效率为58.68%，能量密度为5.6175千瓦时/立方米，平准化电力成本为0.1704美元/千瓦时，投资回收期为11.32年。敏感性分析表明，在各类换热器中，回热器的几何结构影响最大：将通道长度从0.2米增加到1米可使效率提升12%，而将直径从1毫米增加到3毫米则会使效率下降7.5%。对于回热器而言，适度增加通道数量有助于提升性能，但数量过多则会带来收益递减现象。与S形通道相比，之字形通道可使系统效率提升3.31%，其中回热器的提升效果最为显著。矩形入口虽能增强传热效果，但需权衡经济成本。本研究为超临界压缩二氧化碳能源存储系统中换热器设计的优化提供了理论支撑。

引言：能源存储对于保障稳定的能源供应至关重要[1]。在各种储能技术中，压缩二氧化碳能源存储技术因其相较于传统压缩空气能源存储技术更具优势而备受重视。二氧化碳的临界温度较高（31.1摄氏度，7.38兆帕），这使得它易于达到超临界状态，并能在接近常温的条件下液化，从而减少了相变过程中的能量损失。此外，超临界二氧化碳还具有高密度和低粘度的特点，这为设计更紧凑的系统组件提供了可能[2]。最重要的是，二氧化碳较高的体积能量密度使其在储能潜力上优于压缩空气能源存储技术[3]。基于这些优势，超临界压缩二氧化碳能源存储系统引发了大量研究兴趣，相关设计优化和系统集成方面也取得了显著进展。

在系统设计优化方面，刘等人[4]研究了基于双盐洞的压缩二氧化碳能源存储系统，并进行了敏感性分析。分析结果表明，输出功率与充放电压力呈正相关关系。而在较低储存压力下，系统的往返效率和耗散函数效率先上升后下降。作为盐洞的替代方案，徐等人[5]设计了采用气体存储袋的新型水下等压系统。他们发现，与简单循环相比，这种分流循环可使系统的往返效率和耗散函数效率分别提升5.2%和6.96%，不过平准化电力成本也会相应增加0.0011美元/千瓦时。李等人[6]通过数值模拟对比了基于含水层的压缩二氧化碳能源存储技术与传统压缩空气能源存储技术。在相同条件下的直接性能比较显示，压缩二氧化碳能源存储技术的平均能量效率比传统技术高出20%。何等人[7]利用传统和先进的耗散函数分析方法，研究了系统各组件之间的耗散损失分布及其相互作用，为系统性能优化奠定了基础。他们的研究表明，提高涡轮机和压缩机的效率以及减小换热器中的传热温差对于降低系统耗散损失和提升整体性能至关重要。郝等人[8]通过正交实验设计得出结论，组件本身的固有特性是决定超临界压缩二氧化碳能源存储系统性能的主要因素，这一发现为通过针对性设计优化系统热性能提供了指导。

在系统集成方面，高某[9]比较了采用简单回热循环和再压缩循环的太阳能辅助型超临界压缩二氧化碳能源存储系统，发现再压缩循环由于能更有效地利用余热，其循环效率高达28.77%，而简单回热循环的循环效率仅为23.56%。类似地，卢等人[10]将超临界二氧化碳再压缩循环集成到能源存储系统中，并通过调整辅助热源的位置提出了两种配置方案：一种是利用废热加热水作为热存储介质，另一种则是直接加热工作流体。他们进行了对比性的热经济性分析，随后进行了多目标优化。研究结果显示，采用水作为热存储介质的方案具有更高的往返效率（25.94%），而直接加热工作流体的方案则在平准化电力成本（68.94美元/兆瓦时）和耗散函数效率方面表现更好（58.76%）。陈等人[11]设计了一种新型的能源存储方案，其中包含了太阳能热存储装置。他们证明，采用分流循环不仅能使系统效率提升至70%，还能降低平准化电力成本。

此外，还有不少研究探讨了核心组件设计对系统整体性能的影响。赵等人[12]对系统中的离心压缩机进行了专门设计，建立了其性能曲线，从而便于进行系统级性能分析。他们的研究结果表明，在充气阶段，压缩机的压力比会随出口温度的升高而单调上升，而输入功率则仅有轻微波动。张等人[13]系统研究了离心压缩机设计对超临界压缩二氧化碳能源存储系统性能的影响。他们的研究证实，优化压缩机的空气动力学性能并准确模拟真实气体效应，能够显著提升系统效率和工作稳定性。郭等人[14]研究了高压储罐参数对系统性能的影响。他们的研究发现，将储罐温度优化至伪临界点（61.3摄氏度）后，系统的往返效率可从66.50%提升至69.32%，放电时间可从0.96小时延长至3小时，同时能量密度也会得到提升。杨等人[15]指出，作为核心膨胀组件的径向进气涡轮机的空气动力学特性直接决定了不同条件下的系统效率。他们的研究阐明了该涡轮机的流动机制和控制策略，为优化其设计以及保持系统高效率提供了理论依据。

除了上述组件外，换热器也是影响超临界压缩二氧化碳能源存储系统性能的另一关键组件。压缩空气能源存储技术源自布雷顿循环[16]，因此无论是压缩空气能源存储系统还是超临界二氧化碳布雷顿循环，换热器都是核心组件。鉴于这种共性，印刷电路式换热器因其具备较大的传热面积、紧凑的设计、较高的效率以及广泛的应用范围等优点而被广泛采用[17]。在布雷顿循环系统中，印刷电路式换热器的几何尺寸是影响系统性能的关键因素[18]。陈等人[19]对超临界二氧化碳布雷顿循环太阳能发电厂进行了动态热分析，同时将印刷电路式换热器纳入瞬态模型中，并研究了通道直径对性能的影响。高某[20]研究了印刷电路式换热器的类型和长度等几何参数对热力循环效率和经济性的综合影响。萨伊德等人[21]针对换热器长度和通道类型等具体设计参数进行了研究，明确了它们对超临界二氧化碳布雷顿循环运行特性的影响。此外，陈等人[22]建立了布雷顿再压缩循环的模型，并通过全面的熱力学和经济性评估以及多目标优化，对多种印刷电路式换热器设计方案进行了比较分析。

由于其出色的热性能和广泛的运行灵活性，印刷电路式换热器在超临界压缩二氧化碳压缩空气能源存储系统中具有巨大的应用潜力[5]、[11]。然而，与针对超临界二氧化碳布雷顿循环中印刷电路式换热器几何尺寸的众多研究相比，目前关于超临界压缩二氧化碳能源存储系统的研究主要集中于系统级的运行参数，如涡轮机入口温度和压缩机出口压力。将印刷电路式换热器本身作为核心设计变量的研究仍然较少。这种差异表明，在相同的工质条件和循环结构下，虽然布雷顿循环通过优化印刷电路式换热器的几何结构实现了显著的性能提升，但超临界压缩二氧化碳能源存储系统的相关研究仍往往将换热器视为具有固定效率或恒定传热系数的组件。

近期，学者们通过耗散函数分析找到了超临界压缩二氧化碳能源存储系统中的主要能量损失来源。何等人[7]发现，回热器的耗散函数破坏率最高，为36.58%，其次是再热器，为32.40%；回热器具有最大的可避免耗散函数破坏量，为14.24千瓦，而再热器的可避免耗散函数破坏量为9.58千瓦。刘等人指出，高压储罐是造成耗散函数破坏的主要因素，其破坏率超过33.37%，其次是加热器，约为20.98%。徐等人[5]证明，在简单循环和分流循环中，回热器、加热器和冷却器都是导致系统不可逆性的主要源头，优化换热器性能可以有效提升系统的往返效率。此外，他们还发现，在分流循环中，回热器的经济性优势更为明显，这说明对其结构进行优化有助于提升系统的经济性能。

这些研究形成了一个明确的共识：换热器是超临界压缩二氧化碳能源存储系统中耗散函数破坏的主要来源，提升其性能对系统的整体效率和经济效益有着至关重要的影响。然而，目前的研究存在两个主要局限：首先，换热器建模通常采用简化方法，假设其效率为固定值或传热系数为恒定值，未能将几何参数作为系统级性能评估的设计变量；其次，目前缺乏对系统中不同换热器所起作用的系统性比较。与布雷顿循环中已经开展的关于印刷电路式换热器几何参数优化的大量研究相比，超临界压缩二氧化碳能源存储系统在这一领域的研究还处于起步阶段。

文献中提到的性能瓶颈——如回热器36.58%的耗散函数破坏率及其14.24千瓦的可避免损失、加热器20.98%的耗散函数破坏贡献[4]，以及再热器32.40%的耗散函数破坏率[7]——本质上都源于换热器内的不可逆损失。这些损失与印刷电路式换热器的几何特性密切相关，包括通道直径、长度、数量以及形状。因此，要克服这些性能瓶颈，就需要从几何参数的角度入手，量化不同的几何设计如何影响耗散函数破坏的分布以及系统的经济性能。

基于这一思路，本研究首次将印刷电路式换热器的关键几何参数（包括通道长度、直径、数量、形状和类型）作为设计变量，系统研究了超临界压缩二氧化碳能源存储系统中所有换热器对系统整体性能的影响。与现有研究中的简化处理方法不同，本文采用了涵盖能量、耗散函数、能量水平、经济性和环境等多个维度的分析方法。通过量化几何参数变化对系统往返效率、耗散函数破坏分布、平准化电力成本以及投资回收期的影响，本文揭示了不同类型换热器对系统性能的不同贡献，为超临界压缩二氧化碳能源存储系统中换热器的选型和几何优化提供了理论依据。董恒燕：论文撰写——初稿、可视化、软件应用、方法设计、调研、正式分析、数据整理、论文润色与编辑。张远：论文撰写——初稿、项目指导、方法设计、资金筹措、概念构思、论文润色与编辑。杨凯：项目管理、论文润色与编辑。高文忠：项目管理、论文润色与编辑。杨超：资金相关事务。

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

致谢：本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号52476011和52471380）、上海青年科技英才计划（项目编号23QA1404400）、上海“全深度”远海海洋能源与动力前沿科学中心以及上海市科学技术委员会（项目编号22ZR1426900）的资助。

张远|董恒燕|沈晓杰|田震|刘志远|李庆普|杨超|高文忠|杨凯
中国上海201306，上海海事大学商船学院