《Energy》：Supercritical CO
2 pumped thermal electricity storage modifications via thermodynamic cycle splitting method
编辑推荐：
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将循环分割方法扩展到超临界二氧化碳驱动的热能储存系统中。
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为三种改进措施开发了等效的子
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将循环分割方法扩展到超临界二氧化碳驱动的热能储存系统中。
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为三种改进措施开发了等效的子循环模型。
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对这三种措施进行了参数敏感性分析。
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三种措施的效率分别提高了15.20%、0.82%和1.46个百分点。
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组合系统的效率比主机系统提高了17.12个百分点。
引言
随着能源需求不断增加和碳中和目标的推进，可再生能源的大规模应用得到了加速，风能和太阳能已成为电力供应的主要来源。然而，这些资源的可用性受气象条件的影响，导致其输出具有不确定性和间歇性。随着它们在能源结构中的比例持续增加，电力系统对灵活调节的需求也在增加，这使得大规模能量储存成为下一代电力系统发展的重要组成部分[1]。
抽吸式热能储存（PTES），也称为卡诺电池，近年来作为一种新型的大规模、长时储能技术受到了越来越多的关注。与现有的储能技术（如抽水蓄能[2]、压缩空气储能[3][4]和电化学储能[5][6]相比，PTES系统在场地灵活性、成本、能量密度和运行寿命方面具有显著的优势，显示出广泛的应用前景。布雷顿循环PTES系统因其结构简单和较高的热储存温度而备受关注[7][8]。现有PTES系统使用的工作流体包括氩气（Ar）、氮气（N?）、氦气（He）和空气[9][10][11][12][13]。液态介质PTES系统相比固态颗粒介质系统具有更低的储存成本、更高的功率密度和更好的热储存利用效率[14][15]。Farres和McTigue等人[16][17]发现，基于氮气的PTES系统在回热配置下的往返效率可达59%–72%。此外，库存管理和液态储存介质控制策略已在源负载波动和环境温度变化条件下得到了验证[18][19][20]。
与氩气、空气和氮气布雷顿循环相比，超临界二氧化碳（sCO?）布雷顿循环具有更高的效率和更紧凑的结构[21]。研究表明，sCO? PTES系统简化了系统结构并提高了能量密度，往返效率可达59%-64%[22][23][24][25]。然而，接近临界点的二氧化碳性质变化会导致回热器中的热容量不匹配，从而限制了往返效率的提升。Qi等人[26]指出，回热器是sCO? PTES系统中最大的能量损失来源，改进潜力有限。
sCO?再压缩循环采用了两级回热器，并在低温回热器中分离了一部分冷侧流体，减少了回热器中的热容量不匹配现象，避免了瓶颈温度差的问题[27][28]。虽然一种采用回热充电和再压缩放电的sCO? PTES系统的往返效率仅达到了52.6%[29]，但Sun等人[30]、Zhang等人[31]以及我们之前的工作[32]通过改进涡轮机布局和放电过程中的热回收程度，将再压缩PTES的往返效率提高到了约68%–70%——这远高于非回热和具有回热功能的sCO? PTES系统。在再压缩配置下，回热器的能量损失比率从62.35%降至33.33%，证实了不可逆性的降低。
在sCO?循环研究中，中间冷却和再加热已被证明是提高热效率的有效措施，其中中间冷却循环表现出最佳的整体性能[33][34][35]。Feng等人[36]指出，再加热和中间冷却分别能使再压缩循环的效率提高1%–1.65%和0.35%–2.7%。Jiang等人[37]发现，中间冷却再压缩循环的热效率可达50.95%，比单纯再压缩循环提高了3.14%。
然而，关于前向和反向双循环sCO? PTES系统的改进措施的研究仍然相对有限[38]。典型的改进措施（如再加热和中间冷却）虽然可以提高放电（热机）循环的热效率，但会降低充电（热泵）循环的COP（性能系数），使得PTES系统难以准确判断其对往返效率的影响。由于缺乏对这些双循环系统配置设计的 mechanistic 理解，因此在系统改进和效率提升方面缺乏理论指导。
从定量贡献评估的角度来看，综合热力学计算或全局优化可以评估组合配置的整体性能提升，但它们无法直接区分不同改进措施的单独贡献。虽然单独的配置比较可以提供一些估计，但循环状态参数和性能基线的变化使得在统一框架内定量区分这些贡献变得困难。能量分析可以识别给定配置下的组件级能量损失，但仍无法直接量化每种改进措施对整体往返效率提升的贡献。因此，需要能够在系统层面解耦各种单独改进措施的分析工具。
Xin等人[39]提出了一种新的热力循环分割分析方法，将每种改进措施视为一个等效的热力子循环，通过添加高效子循环或移除低效子循环来修正复杂的修改循环。该方法已应用于蒸汽朗肯循环[40]、基于煤的Allam循环[41]和sCO?布雷顿循环[39]。在sCO?布雷顿循环中，再压缩、中间冷却和再加热措施分别使sCO?回热循环的效率提高了5.56%、2.04%和1.59%，新的组合sCO?循环效率达到了53.58%[39]。这些结果证明了该方法在量化单独节能效益和指导修改系统配置方面的有效性。
然而，现有的循环分割方法主要关注的是单个热机循环中节能改进措施对热效率的提升。鉴于sCO? PTES系统充电和放电过程（前向和反向循环）之间的热力学对称性，本研究进一步探讨了当节能改进措施同时影响充电热泵循环和放电热机循环时的PTES系统往返效率提升的定量评估。
本研究创新地将循环分割方法扩展到了前向和反向双循环sCO? PTES系统。首先，为sCO? PTES系统的充电和放电过程构建了再压缩、再加热和中间冷却等典型改进措施的等效子循环。在此基础上，推导出了每种改进PTES系统的往返效率和效率提升的分析表达式，直接反映了相应改进措施的节能效果。接着开发了一种新的组合sCO? PTES系统，并利用这些等效子循环分析了关键参数对往返效率提升的影响。此外，还采用了能量分析方法来验证循环分割方法的有效性。两种方法的比较显示了循环分割方法在揭示每种改进措施的独立贡献和指导系统配置优化方面的潜力。
章节片段
主机循环设计和工作原理
本文中的基础主机循环系统是sCO?回热PTES系统，其流程图和T-s图如图1所示。本研究中使用的热储存介质是太阳能盐，冷储存介质是水。在充电过程中，sCO?通过电机驱动的压缩机被压缩到高温高压状态，然后流入高温热交换器（HTE）将热量传递给热储存介质。
组合sCO? PTES系统描述
基于循环分割分析方法，本研究开发了一种新型的双循环sCO? PTES系统，该系统结合了再压缩、中间冷却和再加热措施，以探索其对往返效率的提升效果。组合PTES系统的布局和T-s图如图8所示。为了减轻Q_a,dis对往返效率的负面影响，在sCO? PTES系统中应用了部分中间冷却措施。
结论
对于sCO?双循环PTES系统，本文将热力循环分割分析方法从单一热机循环扩展到了耦合的充电和放电过程，建立了等效子循环的热力学分析框架。通过为充电和放电过程中的再压缩、中间冷却和再加热措施建立等效子循环（ERC、EIC和ERH），得出了往返效率提升的分析表达式。
CRediT作者贡献声明
He Yang：撰写——初稿、可视化、验证、调查、正式分析、数据整理。 Xiaoze Du：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、正式分析、概念构思。 Huimin Wei：软件开发、调查、正式分析。 Saeed Saad ELSihy：软件开发、方法论
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国教育部基础与跨学科学科突破计划（项目编号：JYB2025XDXM303）和中央高校的基本研究基金（项目编号：2026MS019）的财政支持。
<作者列表>He Yang|Huimin Wei|Xiaoze Du|ELSaeed Saad ELSihy
