中國儲能網訊：當前，由于可再生能源持續(xù)并入電網，大規(guī)模儲能技術備受關注。其中熱泵儲電，也稱卡諾電池，作為一種新興的大規(guī)模儲能技術，因其不受地理條件的限制、成本低、儲能密度高和系統效率高等優(yōu)點，有著廣闊的應用前景。然而，這種獨立的卡諾電池存在熱利用效率低的缺陷，可通過系統集成克服這一缺陷。
上海交通大學Changying Zhao教授課題組開發(fā)并分析了一種基于熱泵-有機朗肯循環(huán)（HP-ORC）的余熱集成儲能系統，實現了熱泵儲電與燃煤電廠的耦合，并通過循環(huán)效率和?效率之間的權衡優(yōu)化，找到適合現有燃煤電廠的運行參數。相關研究表明，HP-ORC通常用于中低溫儲能系統，一般由蒸發(fā)器、壓縮機、兩個蓄熱罐（潛熱蓄熱罐和顯熱蓄熱罐）、膨脹機、冷凝器和泵組成。
在儲能階段，有機工質進入蒸發(fā)器并由來自燃煤電廠冷卻塔前的蒸汽加熱蒸發(fā)后，在壓縮機內被壓縮至高溫高壓狀態(tài)，潛熱蓄熱罐中的LiNO3-KNO3熔鹽通過相變吸收來自有機工質的部分熱量，顯熱蓄熱罐中的加壓水吸收有機工質的剩余熱量，進而實現了電能向熱能的轉化和存儲。
在釋能階段，有機工質在高壓下被泵送至蓄熱罐進行換熱，其在顯熱蓄熱罐內預熱，在潛熱蓄熱罐內蒸發(fā)至過熱狀態(tài)，并在渦輪機中膨脹做功并驅動發(fā)電機產生電能。同時，有機工質的選取會直接影響系統的效率，通過多標準對比，該研究采用丁烯作為有機工質?；跓崃W第一定律和熱力學第二定律，研究人員對HP-ORC系統進行了能量分析和?分析，以系統的循環(huán)效率和?效率作為評價性指標，研究分析了熱源溫度、有機朗肯循環(huán)冷凝溫度、換熱器夾點溫差、壓縮機/膨脹機等熵效率對循環(huán)效率和?效率的影響。
研究結果表明，循環(huán)效率與熱源溫度、壓縮機/膨脹機等熵效率呈正相關，與朗肯循環(huán)冷凝溫度、換熱器夾點溫差呈負相關。在一定的系統參數設定下，顯熱蓄熱罐的?損失為41.52 kWh，潛熱蓄熱罐的?損失為36.45 kWh，分別占系統總?損的35%和30.7%，這是由蓄熱罐中高溫升程傳熱的不可逆因素所導致的。
為進一步優(yōu)化HP-ORC系統，該研究通過多目標遺傳算法，以循環(huán)效率和?效率為目標函數，得到了目標函數的最優(yōu)解集。結果表明，當循環(huán)效率從0.96增加到0.99時，?效率下降了1.9%，由于兩個目標函數之間的強相關性且目標函數之間的權衡已達到最佳，最優(yōu)解集的任何一點都可以被選為最優(yōu)設計。當熱源溫度和最大儲存壓力設計為87.1℃和3.6 MPa時，循環(huán)效率和?效率分別可以達到0.97和0.64。在多目標優(yōu)化條件下，與額定功率300 MW燃煤機組耦合的HP-ORC系統，其輸出功率受燃煤電廠排汽熱和非高峰期用電量的共同影響。當燃煤電廠在1:00的非高峰期功率達155MW時，該HP-ORC系統可提供150 MW的電力，所需的最大熱量達到785 MW，故需要額外的廠外余熱；一天的電力需求在13:00達到峰值，為449.9MW。在這種模式下，該集成系統總共可以提供890.2 MWh的電力，集成卡諾電池的燃煤電廠最大調峰能力可達94.4%。與抽汽加熱相比，該集成系統不會降低燃煤電廠的額定功率。此外，充分利用錯峰用電進行調峰，系統整體電效率提升了38.6%。
圖1 集成HP-ORC系統的燃煤電廠運行參數
該項研究分析了熱泵-有機朗肯循環(huán)系統的熱力學特性，探索了其與燃煤電廠集成的可行性，為集成卡諾電池的燃煤電廠調峰運行提供了理論依據和解決方案。相關研究成果發(fā)表在《Energy Conversion and Management》。
參考文獻：X.J. Xue, Y. Zhao, C.Y. Zhao. Multi-criteriathermodynamic analysis of pumped-thermal electricity storage with thermalintegration and application in electric peak shaving of coal-fired power plant. Energy Conversion and Management, 2022, DOI: 10.1016/j.enconman.2022.115502
