一种新型太阳能驱动液态二氧化碳储能系统的热力学与技术经济分析

《Journal of Energy Storage》：Thermodynamic and techno-economic analysis of a novel solar-driven liquid CO 2 energy storage system

　　

• 提出了一种利用自蒸发和喷射器冷凝的液态CO?储能系统。• 太阳能热储能和有机朗肯循环（ORC）子系统回收余热以提高系统效率。• 对三种配置进行对比分析，揭示其热力学和经济特性。

引言

随着经济社会的快速发展，全球能源需求持续增长[1]。化石燃料长期主导全球能源结构，造成严重的环境污染和温室气体排放[2]、[3]。实现碳中和已成为全球共识，太阳能和风能等可再生能源因其清洁和可持续的特点而得到广泛开发[4]。可再生能源的间歇性和不稳定性给电网运行和大规模并网带来了挑战[5]。储能技术在平衡供需、稳定可再生能源输出和提高整体能源效率方面发挥着重要作用[6]。

目前，主流储能技术包括抽水蓄能（PHS）、锂离子电池储能（LBES）、压缩空气储能（CAES）以及新兴的基于CO?的储能（CES）系统[7]。抽水蓄能技术成熟，储能容量大，但高度依赖地理条件，且需要巨大的建设投资。锂离子电池储能系统响应速度快、效率高，但其容量有限、寿命较短、成本较高，限制了大规模部署[8]。压缩空气储能系统在可扩展性和耐久性方面具有优势，但其能量密度低，且需要特定的地质条件，限制了其应用。相比之下，基于CO?的储能系统因具有高储能密度、优异的热力学性能和减排潜力而受到越来越多的关注[9]。与空气相比，CO?具有适中的临界点（31.4 °C，7.38 MPa），更容易实现近超临界运行。在超临界状态下，CO?表现出低粘度、高密度和良好的传热性能，从而减少压缩功并提高系统效率。此外，CO?无毒、不可燃且广泛可得，使其成为一种安全环保的工作介质[10]。

基于二氧化碳的储能系统因其高能量密度、紧凑的结构和环境效益而受到越来越多的研究关注。与传统压缩空气储能系统相比，传统压缩二氧化碳储能（CCES）系统展现了更优越的能量效率和储能容量[11]。Xu等[12]提出了一种具有简单和分段循环配置的压缩超临界CO?储能系统。通过等压储存和水下气囊设计，结合热力学和?经济分析，他们发现分段循环配置通过优化回热显著提高了系统效率，为大规模应用提供了一种潜在解决方案。Zhou等[13]开发的混合氢-CO?储能概念，往返效率为42.41%，平准化电力成本约为0.2075美元/kWh，显示出与可再生能源整合的强可行性。然而，CCES系统通常依赖大型地下洞穴进行气体储存，限制了其地理适用性。尽管有这些改进，但大多数基于CO?的储能系统仍然依赖外部驱动的热界面，这限制了其运行灵活性。为克服这一局限，液态二氧化碳储能（LCES）系统通过将地下洞穴替换为高压液体储罐而被提出，从而提高了系统灵活性。Xu等[14]比较了LCES和液态空气储能（LAES）系统，报告指出LCES表现出较低的冷凝能耗和更高的总效率。然而，大多数LCES配置仍依赖外部热交换器来控制蒸发和冷凝过程。Sun等[15]设计了一种具有低压罐和显热-潜热冷储的LCES，实现了51.45%的循环效率。Wu等[16]进行了热力学和经济分析，揭示冷凝损失是影响系统性能的关键因素。早期的LCES研究主要依赖传统冷凝，以水或空气为冷却介质。Wang等[17]提出了一种基于热交换器的液态CO?系统，但其冷却能量需求高，且对环境温度依赖性强。为提高性能，Liu等[18]引入了一种喷射器辅助冷凝循环，并结合电热存储，有效减少了能量损失。同样地，Ma和Liu[19]报告了结合多级压缩和液体储存的系统，实现了效率、能量密度和成本效益的提高。为减少冷能损失，Zheng等[20]提出了一种将制冷循环和有机朗肯循环（ORC）集成的LCES，优化了冷储存和释放过程。将可再生能源整合到LCES系统中也成为日益增长的研究焦点。Wang等[21]开发了一种具有液体活塞和喷淋冷却的太阳能辅助等温CO?系统，而Fu等[22]提出了一种使用闭式干循环进行余热回收的太阳能辅助系统。Li等[23]研究了基于ORC的卡诺电池，并表明在不同应用场景下，热储存温度显著影响系统性能。此外，多项研究通过结合储能与辅助子系统探索了级联能源利用。Jiang等[24]将太阳能热储能与ORC结合以提高效率，He等[25]将液化天然气冷能与太阳能供热解耦以实现高效能量转换。从更广泛的综合能源系统角度来看，Xu和Yang[26]研究了以氢为导向的多能系统的协调低碳优化，为系统级能源整合提供了有用的见解。

根据先前的研究，现有LCES系统中液态CO?的蒸发和冷凝过程复杂，且对环境条件高度敏感。在充电过程中，CO?从液体到气体的蒸发通常依赖外部热源或冷能储存单元，这些单元在充电期间充当蒸发器，在放电期间充当冷凝器。这种双重功能使系统运行和控制变得复杂。虽然环境热量可以作为方便的热源，但系统性能强烈依赖环境温度，导致相当大的冷能损失和较高的热交换器需求。在放电过程中，CO?的低临界温度使传统水冷在各种环境条件下效率低下且不稳定。为提高冷凝性能，已提出填料床和相变材料冷能储存系统；然而，这些解决方案仍然相对复杂且成本高昂[17]。总体而言，现有方法改善了蒸发或冷凝过程中的某一个方面，但仍严重依赖外部热管理或辅助冷储，导致系统复杂性增加。因此，仍需要一种简化的LCES配置，能够在较少依赖外部换热的情况下实现稳定的蒸发和冷凝。此外，传统LCES系统中的透平入口温度通常受压缩热或环境热源的限制，导致相对较低的功率输出。太阳能辅助LCES系统已被开发以提高透平入口温度；然而，大多数研究侧重于太阳能热量输入，而透平排气余热的回收和利用仍然有限。因此，透平排气中包含的大量中低品位热能被浪费，级联热能利用的潜力尚未得到充分开发。因此，仍然存在需要一种能有效结合太阳能热储能与余热回收以改善热能利用和支持稳定高效系统运行的LCES系统。

为应对上述挑战，本研究设计了一种将自蒸发与喷射器增强冷凝相结合、集成太阳能热储能单元并采用ORC回收透平余热的LCES系统。对三种层级配置——基准系统、太阳能辅助系统和太阳能-余热组合系统——进行了热力学和技术经济对比，以阐明系统性能提升的途径。研究结果为下一代基于CO?的储能技术开发提供了有价值的指导。本研究的主要贡献和特点总结如下：

（1）与依赖外部蒸发器、环境热交换器或额外冷储单元进行CO?相变管理的传统LCES系统不同，本研究提出了一种集成闪蒸压力驱动自蒸发与喷射器辅助冷凝的液态CO?储能系统。该设计简化了蒸发-冷凝过程并减少了对外部换热的依赖。

（2）与先前报道的LCES和太阳能辅助储能系统相比，本研究将太阳能热储能和ORC子系统集成到LCES循环中。所提出的配置实现了稳定的太阳能热量供应和透平排气余热的级联利用，从而增强了热力学性能。

（3）系统性地从热力学和技术经济角度比较了三种逐步增强的配置，即基础LCES、ST-LCES和ST-LCES+ORC。这种层级比较阐明了自蒸发/喷射器冷凝、太阳能热储能和基于ORC的余热回收的单独和组合效应，为液态CO?储能系统的优化提供了更清晰的基础。

本文其余部分结构如下。第2节详细说明了所提系统的配置和工作原理。第3节描述了热力学建模方法，介绍了性能评估标准和相关假设。第4节展示了模型验证，并对不同系统配置进行了全面的参数和对比分析。最后，第5节总结了关键结论。

系统描述

如图1(a)和(b)所示，所提出的LCES包括压缩机、透平、喷射器、热交换器、节流装置和热储存罐等关键部件。在充电过程中，来自低压罐的液态CO?（状态1）通过阀1膨胀进入闪蒸分离器，产生汽相和液相流股。多余电力用于压缩汽相（状态2a）和泵送液相（状态2b）至相同压力。冷却并混合后的流股（状态4）随后

基本假设

为便于清晰地进行系统性能评估，基于相关文献[13]、[20]建立了若干简化假设：
（1）假设系统在稳态条件下运行，充电和放电过程的持续时间相等。
（2）系统中所有部件，包括储罐、管道、热交换器和分离器，的压降均视为可忽略不计。
（3）所有部件和连接管道均假设为绝热的。
（4）

模型验证

为确保所获得结果的准确性，所开发的系统模型与已发表的数据进行了验证。按照本研究中提出的建模方法建立了一个参考系统，并比较了每个系统点的热力学状态，如表4所示[20]。此外，由于喷射器在确定系统整体性能中起着关键作用，其模型进行了独立验证。仿真结果与实验

结论

本研究开发了一种新型LCES系统，结合了自蒸发和喷射器辅助冷凝，并对三种系统配置进行了对比分析：基础LCES、太阳能辅助ST-LCES和太阳能-余热耦合ST-LCES+ORC。进行了全面的热力学和技术经济分析，以考察系统设计和关键运行参数对能量效率、?性能和经济指标的影响。主要结论

作者贡献声明

徐新国：撰写—初稿，验证，方法学，数据整理，概念化。周俊杰：撰写—审阅与编辑，监督，形式分析，概念化。王江峰：撰写—审阅与编辑，监督，方法学，概念化。吴可欣：监督，方法学，概念化。Abdullozoda Ramazon Tolibjon：方法学，概念化。李航：撰写—审阅与编辑，监督，项目管理，调查，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们不存在已知的可能影响本文报告工作的财务利益冲突或个人关系。

致谢

作者衷心感谢中国国家重点研发计划（项目编号：2024YFE0116000）、中原青年博士后创新人才基金（项目编号：33220051）、中国国家博士后科学基金（项目编号：2023M743215和项目编号：2024T170821）、郑州大学博士后科学基金（项目编号：22120007）的资助。同时感谢编辑和审稿人提出的意见和建议对本手稿的贡献。

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