SSB蓄电池基于遗传算法的系统布局与工质优选优化提升卡诺电池性能
2026-03-19 20:41:55
摘要
本研究提出通过改进热泵与有机朗肯循环（ORC）的布局设计来提升卡诺电池的往返效率。在此基础上，构建了两种新型卡诺电池系统（基础蒸汽喷射式卡诺电池：BVI Carnot Battery，以及喷射器-蒸汽喷射复合式卡诺电池：EVI Carnot Battery），并与基础卡诺电池系统进行对比。采用遗传算法以往返效率为目标完成优化，显著降低了系统优化的工作量。通过分析不同热泵与ORC布局对往返效率的影响，本研究明确了何种系统更适用于效率提升。优化参数涵盖热泵冷凝温度、ORC蒸发温度以及两个子系统工质的选择。通过综合分析有机朗肯循环（ORC）系统、热泵系统以及集成卡诺电池，得出以下结论：VI型热泵可显著提升性能系数（COP），并通过提高蓄热温度来扩展运行范围。喷射器ORC通过增大蒸发器进出口热源之间的温差来增强吸热能力，从而提高净输出功率。然而与基础ORC系统相比，在卡诺电池中采用喷射器ORC并不能有效改善往返效率。这表明卡诺电池需要在同等吸热条件下采用高热效率的ORC系统，才能实现往返效率的提升。当VI型热泵应用于卡诺电池时，往返效率至少提升了9% 且该增幅随储热温度的升高而逐渐增大。基础卡诺电池的最佳储热温度为80 °C，其往返效率为33.60 %。对于BVI和EVI卡诺电池而言，最佳储热温度为90 °C，对应的往返效率分别为39.36 %与38.98 %。最优工质组合为R1233zd(E)（有机朗肯循环系统）与R1234ze(Z)（热泵）。
图文摘要
引言
能源问题在社会发展中日益凸显。如何高效利用可再生能源、减少因用户读档变化导致的电网电能浪费，已成为亟待解决的课题。由此催生的储能技术研究旨在实现能量的跨时段转移。Marguerre[1]于1922年提出卡诺电池概念，该技术通过热泵提升低品位热能温度，经存储后利用热机转化为电能。与其他储能方式相比，其优势在于不受地理条件限制且成本相对较低[2,3]。
Alsagri [2]提出了一种结合太阳能的卡诺电池系统，采用熔融盐作为储热介质，并通过多目标优化方法进行全面经济性评估。研究结果表明：该系统的电-电转换效率为26.82%，电-热转换效率达55.78%，发电成本为10.15美分/千瓦时，其性能优于纯发电型卡诺电池。Ayadi等[3]设计了四种结合太阳能与地热能的卡诺电池系统架构，并进行了综合性能评估。结果显示不同工况下的最优系统配置方案。Basta等[4]以小型燃煤热电联产电厂为基础，将其改造为卡诺电池并进行了技术经济性分析。在纯凝工况下，平准化储能成本为35-179欧元/兆瓦时；在背压式热电联产模式下，平准化储能成本范围为35-291欧元/兆瓦时。
Bellos [5]构建了一种用于余热源梯级利用的卡诺电池系统。当输入功率为100 kW且余热源为350 kW时，该系统的往返效率达到64%，能量效率为14.2%。Canpolat Tosun等[6]采用不同方法分析了卡诺电池放电过程（有机朗肯循环，ORC）与充电过程（热泵）的可持续性和能量效率。该热泵的最高性能系数可达4.5，而有机朗肯循环的最大能量效率为11.8%。Chen等[7]提出将卡诺电池与燃煤热电联产系统耦合的方案，并利用CO2作为工质。他们通过优化各子系统设计并结合案例分析评估了可行性。戴等人[8]提出了一种由热泵、显热储热罐和热机循环组成的卡诺电池系统，开展了参数分析与全局优化研究。通过整合经济性与能量性能指标，构建了储能平准化成本模型。
Daniarta等[9]提出了一种通过新型可逆朗肯循环实现卡诺电池功能的系统。研究对比了9种工质的热力性能，结果表明R152a表现最佳。Eppinger等[10]建立了包含有机朗肯循环(ORC)和可逆热泵的卡诺电池系统。针对四种工质进行计算后发现R1233zd(E)性能最优，其往返效率计算值为59%。Fan等[11,12]构建了四种基于热泵与有机朗肯循环的卡诺电池系统。以平准化储能成本为目标函数，采用遗传算法作为优化技术。对四个系统进行优化计算，表明配备热回收装置的系统具有更优的经济性。Niu等[13]与Liu等[14]的研究同样证实，集成热回收功能的系统表现更佳。
Laterre等人[15]利用数据中心的废热作为卡诺电池的低温热源。通过结合热力学模型与数据中心实际数据，对三种不同热集成方案和两组气候条件进行了多性向优化设计。研究表明，热泵对提升效率至关重要，而将其与电加热结合将改善技术经济性能。Liang等人文献[16]系统综述了卡诺电池相关核心组件，重点分析了工质、膨胀机、压缩机、换热器及储热装置的发展现状与技术性能指标，同时指明了该技术的瓶颈问题与发展路径。林等[17]提出了一种耦合卡诺电池的集成系统架构，并通过构建热力学模型评估其性能。研究结果表明：相较于基础能源系统，采用卡诺电池的集成能源系统可降低28。57%的运行成本，并减少城市电网16.49%的电力消耗。
卢等人[18]提出了一种工质成分可调的卡诺电池系统，采用非共沸混合物提升变工况下的性能表现。研究结果表明，使用非共沸混合物的往返效率和㶲效率分别提升了22.4%和16.78%。苗等人[19]设计了一种将液化天然气(LNG)与传统卡诺电池相结合的系统。通过对关键参数的检验评估发现，LNG-卡诺电池能显著提高系统的往返效率。保罗等人[20]提出了一种针对热能存储系统和卡诺电池分类的新方法，并总结了500°C以上高温热能存储领域的最新技术。高温存储是实现卡诺电池高效循环的重要手段。Qiao等[21,22]对卡诺电池进行了多目标（Multi-Objective）优化设计，对比了不同工质的性能表现，最终筛选出适宜的工作流体。研究团队还量化分析了系统中各组件的投资成本占比及各部件运行时的能量损耗情况。
Redelinghuys等人[23]研究了卡诺电池与槽式太阳能热发电相结合的系统，通过分析设计变量对系统性能的影响，探索缓解卡诺电池热衰减的途径。Scharrer等人[24]将卡诺电池应用于配备太阳能的住宅，以提高其自给率并降低成本。研究发现，大规模应用对该技术的可行性具有显著促进作用。Sorknæs等[25]提出将卡诺电池应用于可再生能源开发，计算了其投资成本、维护与运营成本，并得出结论：要实现盈利，大规模应用的经济可行性必须低于特定经济指标。Su等人[26]构建了四种地热辅助型卡诺电池，并对其进行多目标优化。在优化运行参数下对子系统和设备性能进行了比较分析，从而能够对地热集成卡诺电池系统的技术优势与实施可行性进行全面评估。Sui等[27]在其卡诺电池构型中设计了一种吸湿性盐介导的吸收-解吸循环，为可再生能源系统的大规模集成提供了创新方案。结果表明，该系统能有效节省系统空间与投资成本。根据多目标优化结果，卡诺电池在最佳运行浓度下具有最优综合性能，其往返效率达45.80%。
Tassenoy等人[28]构建了一个通用卡诺电池系统，并通过案例研究验证其应用效果。研究表明，系统规模的扩大会提升太阳能光伏发电的整合度，但同时会降低经济性指标。提高热力学效率是改善经济性能的重要途径。Vecchi等学者[29]从技术经济性角度进行了对比分析，探讨了卡诺电池大规模应用的可行性及其商业化运营现状。Weitzer等研究者[30,31]提出将有机闪蒸循环应用于卡诺电池，以进一步提升热源与工质之间的热匹配度。研究表明，当前构建的系统可提高净输出功率与往返效率。与常规卡诺电池不同，Xia等[32]提出将卡诺电池用于冷能存储，通过利用冷能冷却ORC系统来提升净输出功率，并从能量、功率、经济性和环境效益四个维度对该系统进行了评估。Yu等[33]构建了三种卡诺电池构型并对比其经济性能与热力学性能。结果表明，基础型卡诺电池和可逆热泵-ORC系统在往返效率与能效方面更具优势，而双机可逆热泵-ORC系统则表现出更好的经济性。
基于上述研究可知，热泵与有机朗肯循环（ORC）是卡诺电池的核心组件，其各自的热力学性能决定了系统整体效能。然而，当前研究多聚焦于耦合其他能源以提高卡诺电池系统的往返效率，且针对热泵与ORC在卡诺电池中的布局优化，通常仅采用回热器这一简单方案。如何有效提升各循环单元性能并实现两者间的协同优化，已成为提升卡诺电池性能的关键课题。为此，本研究着力构建新型热泵与ORC联合系统以同步提升两者性能。由于ORC与热泵循环的耦合计算会大幅增加运算负荷，故采用遗传算法进行优化以节省计算资源。采用高临界温度的工质作为热泵循环介质，以探究提升蓄热温度的可能性，并对比分析不同工质对系统性能的影响。通过优化计算筛选最佳循环方案与工质组合，进一步给出最优运行工况。
