基于卡诺CTM蓄电池储能的冷热电淡水联供系统能量-㶲-经济性（3E）分析与多目标优化
发布时间：2026-07-09 21:02:12 点击： 次
本研讨提出了一种集成卡诺电池、吸收式制冷循环和多级闪蒸海水淡化的多联产体系，要点关注余热回收、可再生动力存储和梯级能量使用。该体系被规划用于一起供给制冷、供热、电力和淡水供给，选用双压冷凝热泵完成不同档次能量的梯级输出，其间低温冷凝器与吸收式制冷循环相耦合，而高温冷凝器一侧则作为储热单元。淡水和日子热水的供给首要依赖于吸收式制冷循环的余热。本研讨中确定了卡诺电池的最佳工质选择。随后，本研讨分析了若干运转参数对体系热力学功用与经济性的影响，包括低温冷凝器出口水温、热泵蒸发器内工质过热度、蓄热槽温度、压缩机等熵功率以及低/高温冷凝器工质质量流量比等参数。其间，低温/高温冷凝器中工质的质量流量比对体系影响最为明显，体系的全体能效和出资回收期别离提高了138.51%和174.58%。本研讨选用非支配排序遗传算法II对体系进行多目标优化，以确定集成发电体系的最佳规划参数。优化后体系的总能效、㶲效及出资回收期别离为23.26%、12.56%和4.96年。
可再生动力的开展是应对当今全球动力与环境挑战的关键方向。预测显示，到2050年，可再生动力发电将占全球电力供给的近一半，其装机容量的年增长率估计在2020至2050年间增长五倍[[1], [2], [3]]。以可持续性和环境效益著称的太阳能与风能，在可再生动力供给中占有重要份额。但是，其间歇性与不稳定性特征为电网实时供需Match带来了挑战[4,5]。因而，选择适宜的储能技能对缓解这一问题至关重要。常用储能方法包括压缩空气储能(CAES)、抽水蓄能(PHS)及电化学储能[6]。尽管CAES与PHS均具有高能效优势，但均受限于地舆条件且建设周期较长[7]。而电化学储能则存在本钱高、容量有限及寿命短等缺点[8]。鉴于可再生动力的快速开展，满意储能需求的新式技能仍亟待突破。
卡诺电池作为一种新式的大规模储能技能[9]，于2018年汉诺威工业博览会上初次向大众展现[10]。其间，抽水蓄热储能（PTES）作为卡诺电池的分支技能，在可再生动力存储范畴展现出明显潜力。PTES体系通过两种途径完成电能存储：或在热泵循环中向压缩机运送电能转化为热能，或选用电加热方法直接产热，最终将热能贮存于蓄热设备中。当电力需求高峰期来临时，存储的热能通过发电循环从头转化为电能。卡诺电池具有多重优势：不受地舆条件约束、储能密度高且本钱低价，这些特性使其在可再生动力使用与低谷电力存储范畴具有宽广的使用前景。
卡诺电池中常用的发电循环包括有机朗肯循环（ORC）和布雷顿循环。Zamengo等[11]提出了一种新式布雷顿PTES体系，该体系通过选用化学储热技能并使用CO2作为工质，完成了37.4%至41.7%的往复功率。2作为作业流体。Tosun等人[12]研讨了一种选用有机朗肯循环(ORC)发电的太阳能卡诺电池体系，其最大功用系数(COP)到达4.5，表明该体系全体具有明显的可持续性特征。Zhao等人[13]对选用ORC的卡诺电池体系进行了能量、㶲及经济指标的深入研讨。研讨结果表明，配备回热器的体系展现出更优异的热力学功用，可使储能平准化本钱下降12%。Sorknæs等人[14]评价了卡诺电池在100%可再生动力体系中的经济潜力，结论表明其能下降对传统发电厂的依赖，潜在经济效益范围为60.5至66.2欧元/兆瓦时。此外，卡诺电池通常使用余热作为热源以提高体系功用。例如，Zhang等人[15]提出余热回收与卡诺电池的耦合计划，完成了85%的最大往复功率。当余热温度为90°C时，功率可提高至99.3%。Bellos等人[16]开发了一种双重使用余热的卡诺电池体系，余热首要流向潜热贮存体系，随后被导入热泵蒸发器。该体系完成了64%的往复功率、14.2%的能效以及36.7%的㶲功率。
近年来，根据储能的归纳动力使用体系受到广泛关注，尤其是储能型热电联产体系以及冷热电三联供（CCHP）体系。Jiang等[17]提出了一种新式压缩空气储能（CAES）体系，该体系可一起供给电力、制冷与供热。研讨结果表明，选用两级压缩与两级扩展包装备时体系功用最优。Congedo等[18]提出了一种将微型压缩空气储能-热能存储体系与可再生动力相结合的多联供体系，用于为小型住所单元供电，这为该类体系的规划供给了有价值的辅导。Ye等人[19]介绍了一种选用固态储热的冷热电联供同享储能体系，满意了用户对电能和热能的双重需求。该体系因完成8.4年的出资回收期和10.2%的内部收益率而值得关注。Ouyang等人文献[20]研讨了一种集成体系，该体系使用发电机发生的高温余热进行冷热电联供(CCHP)和能量存储，完成了30%的热功率与6.22年的出资回收期。该体系每年可减少8,910.49吨二氧化碳排放，并节约2,791.74千升燃料。尽管这些体系首要针对高温余热，但必须指出的是：在工业出产中，低档次余热约占余热丢失总量的66%[21]。因而，怎么有效使用这些低档次资源已成为亟待解决的问题。对此，研讨者们开始探究根据卡诺电池的热电联产或多联产体系。Zhang等[22]规划了一种选用10 MW/4h布雷顿PTES的新式冷热电联供体系，该体系在低需求时段将冷热能量贮存于填充床中，并按需向用户运送。该体系的最大功用系数到达188.1%，火用功率为63.9%。Hadelu等[23]提出了一种结合朗肯PTES与喷射式制冷循环的集成体系。他们比较了不同制冷剂和运转参数对热力学及经济性指标的影响，并进行了多目标优化。研讨结果表明：选用R1233zd(E)制冷剂时，热泵功用系数最高可提高15%，最低运转本钱为7.35美元/小时，出资回收期为4.1年。此外，Al-Hamed [24]提出了一种根据光伏/光热技能的集成体系，该体系耦合了发电、制氢、淡水出产、供热与热能存储功用，全体动力功率与㶲功率别离到达11.6%和6.49%。值得注意的是，现在关于卡诺电池与其他动力供给源集成的研讨较为有限，该范畴仍需进一步探究。
在许多多联产体系中，制冷需求是用户需求的关键组成部分。传统上，制冷通过电力驱动的制冷体系供给，这些体系不只耗费大量电力，还会导致碳排放添加。吸收式制冷技能作为代替计划，其驱动力来自热能而非电力。这种单效装备在85至110°C的热源温度范围内运转效果明显，具有多项优势，包括下降电力耗费、环境友好性以及完成高制冷量的才能。因而，吸收式制冷成为多联产体系中制冷输出的优选计划。Asgari等[25]提出了一种三联产体系，该体系整合了单效吸收式制冷循环(ARC)、供热单元、气化单元以及燃气轮机循环。他们的研讨结果显示，体系年㶲功率为30.8%，年动力使用系数到达71.3%。Li等[26]对三联供体系中吸收式制冷机与电动制冷机的能效和㶲效进行了对比评价，发现当蒸汽运送间隔小于5公里时，吸收式制冷机体现更优。此外，吸收式制冷体系常与海水淡化设备联用。Wang等[27,28]提出将吸收式制冷发生器发生的蒸汽运送至海水淡化体系，从而完成体系中低档次热能的有效使用。Ghorbani等[29]开发了一种集成燃料电池发电、制冷和淡水出产的体系，该体系中来自制冷发生器的热源流体被导入盐水加热器，可完成33 kg/s的淡水产量，体系总热功率和㶲功率别离为54.37%和88.95%。 %%
如前所述，根据卡诺电池的归纳动力体系可整合冷、热、电、水与氢等多种动力方式，但现有研讨对其耦合机制的探究仍显碎片化。本文在前人研讨基础上，构建了一个集成光伏发电、吸收式制冷、海水淡化与卡诺电池的多元联产体系。该体系可一起为工业园区供给制冷、供热、电力及淡水供给。该园区一起包括出产区与日子区两大功用板块。居住区需要制冷、供暖、电力和淡水供给，而出产区则一起需要制冷、电力和淡水。此外，该体系使用低档次废热作为热源，并选用多级闪蒸（MSF）海水淡化体系回收ARC发电机出口余热。值得注意的是，ARC体系对其热源温度有特定要求：当热源温度低于80°C时，体系功用系数（COP）会明显下降，并可能导致运转毛病。应对这一挑战的潜在解决计划是集成热泵以提高热源温度。尽管热泵也使用于卡诺电池体系，但卡诺电池的储热温度与ARC所需热源温度存在明显差异。此外，在以往热泵耦合的多联供体系中，热泵通常以单级输出模式运转。本研讨根据Dai等人[[30], [31], [32]]提出的双压冷凝热泵结构，开发了多级温度输出体系。该体系可一起满意ARC与卡诺电池的运转温度需求。
综上所述，本文提出的多联产体系成功解决了低档次余热与可再生动力的使用难题，一起克服了吸收式制冷循环与卡诺电池因作业温度差异过大而难以匹配的问题。本研讨丰富了根据卡诺电池的多联产体系供能方式，并进一步探究了多级热泵在归纳动力体系中使用的可行性。
可再生动力的开展是应对当今全球动力与环境挑战的关键方向。预测显示，到2050年，可再生动力发电将占全球电力供给的近一半，其装机容量的年增长率估计在2020至2050年间增长五倍[[1], [2], [3]]。以可持续性和环境效益著称的太阳能与风能，在可再生动力供给中占有重要份额。但是，其间歇性与不稳定性特征为电网实时供需Match带来了挑战[4,5]。因而，选择适宜的储能技能对缓解这一问题至关重要。常用储能方法包括压缩空气储能(CAES)、抽水蓄能(PHS)及电化学储能[6]。尽管CAES与PHS均具有高能效优势，但均受限于地舆条件且建设周期较长[7]。而电化学储能则存在本钱高、容量有限及寿命短等缺点[8]。鉴于可再生动力的快速开展，满意储能需求的新式技能仍亟待突破。
卡诺电池作为一种新式的大规模储能技能[9]，于2018年汉诺威工业博览会上初次向大众展现[10]。其间，抽水蓄热储能（PTES）作为卡诺电池的分支技能，在可再生动力存储范畴展现出明显潜力。PTES体系通过两种途径完成电能存储：或在热泵循环中向压缩机运送电能转化为热能，或选用电加热方法直接产热，最终将热能贮存于蓄热设备中。当电力需求高峰期来临时，存储的热能通过发电循环从头转化为电能。卡诺电池具有多重优势：不受地舆条件约束、储能密度高且本钱低价，这些特性使其在可再生动力使用与低谷电力存储范畴具有宽广的使用前景。
卡诺电池中常用的发电循环包括有机朗肯循环（ORC）和布雷顿循环。Zamengo等[11]提出了一种新式布雷顿PTES体系，该体系通过选用化学储热技能并使用CO2作为工质，完成了37.4%至41.7%的往复功率。2作为作业流体。Tosun等人[12]研讨了一种选用有机朗肯循环(ORC)发电的太阳能卡诺电池体系，其最大功用系数(COP)到达4.5，表明该体系全体具有明显的可持续性特征。Zhao等人[13]对选用ORC的卡诺电池体系进行了能量、㶲及经济指标的深入研讨。研讨结果表明，配备回热器的体系展现出更优异的热力学功用，可使储能平准化本钱下降12%。Sorknæs等人[14]评价了卡诺电池在100%可再生动力体系中的经济潜力，结论表明其能下降对传统发电厂的依赖，潜在经济效益范围为60.5至66.2欧元/兆瓦时。此外，卡诺电池通常使用余热作为热源以提高体系功用。例如，Zhang等人[15]提出余热回收与卡诺电池的耦合计划，完成了85%的最大往复功率。当余热温度为90°C时，功率可提高至99.3%。Bellos等人[16]开发了一种双重使用余热的卡诺电池体系，余热首要流向潜热贮存体系，随后被导入热泵蒸发器。该体系完成了64%的往复功率、14.2%的能效以及36.7%的㶲功率。
近年来，根据储能的归纳动力使用体系受到广泛关注，尤其是储能型热电联产体系以及冷热电三联供（CCHP）体系。Jiang等[17]提出了一种新式压缩空气储能（CAES）体系，该体系可一起供给电力、制冷与供热。研讨结果表明，选用两级压缩与两级扩展包装备时体系功用最优。Congedo等[18]提出了一种将微型压缩空气储能-热能存储体系与可再生动力相结合的多联供体系，用于为小型住所单元供电，这为该类体系的规划供给了有价值的辅导。Ye等人[19]介绍了一种选用固态储热的冷热电联供同享储能体系，满意了用户对电能和热能的双重需求。该体系因完成8.4年的出资回收期和10.2%的内部收益率而值得关注。Ouyang等人文献[20]研讨了一种集成体系，该体系使用发电机发生的高温余热进行冷热电联供(CCHP)和能量存储，完成了30%的热功率与6.22年的出资回收期。该体系每年可减少8,910.49吨二氧化碳排放，并节约2,791.74千升燃料。尽管这些体系首要针对高温余热，但必须指出的是：在工业出产中，低档次余热约占余热丢失总量的66%[21]。因而，怎么有效使用这些低档次资源已成为亟待解决的问题。对此，研讨者们开始探究根据卡诺电池的热电联产或多联产体系。Zhang等[22]规划了一种选用10 MW/4h布雷顿PTES的新式冷热电联供体系，该体系在低需求时段将冷热能量贮存于填充床中，并按需向用户运送。该体系的最大功用系数到达188.1%，火用功率为63.9%。Hadelu等[23]提出了一种结合朗肯PTES与喷射式制冷循环的集成体系。他们比较了不同制冷剂和运转参数对热力学及经济性指标的影响，并进行了多目标优化。研讨结果表明：选用R1233zd(E)制冷剂时，热泵功用系数最高可提高15%，最低运转本钱为7.35美元/小时，出资回收期为4.1年。此外，Al-Hamed [24]提出了一种根据光伏/光热技能的集成体系，该体系耦合了发电、制氢、淡水出产、供热与热能存储功用，全体动力功率与㶲功率别离到达11.6%和6.49%。值得注意的是，现在关于卡诺电池与其他动力供给源集成的研讨较为有限，该范畴仍需进一步探究。
在许多多联产体系中，制冷需求是用户需求的关键组成部分。传统上，制冷通过电力驱动的制冷体系供给，这些体系不只耗费大量电力，还会导致碳排放添加。吸收式制冷技能作为代替计划，其驱动力来自热能而非电力。这种单效装备在85至110°C的热源温度范围内运转效果明显，具有多项优势，包括下降电力耗费、环境友好性以及完成高制冷量的才能。因而，吸收式制冷成为多联产体系中制冷输出的优选计划。Asgari等[25]提出了一种三联产体系，该体系整合了单效吸收式制冷循环(ARC)、供热单元、气化单元以及燃气轮机循环。他们的研讨结果显示，体系年㶲功率为30.8%，年动力使用系数到达71.3%。Li等[26]对三联供体系中吸收式制冷机与电动制冷机的能效和㶲效进行了对比评价，发现当蒸汽运送间隔小于5公里时，吸收式制冷机体现更优。此外，吸收式制冷体系常与海水淡化设备联用。Wang等[27,28]提出将吸收式制冷发生器发生的蒸汽运送至海水淡化体系，从而完成体系中低档次热能的有效使用。Ghorbani等[29]开发了一种集成燃料电池发电、制冷和淡水出产的体系，该体系中来自制冷发生器的热源流体被导入盐水加热器，可完成33 kg/s的淡水产量，体系总热功率和㶲功率别离为54.37%和88.95%。 %%
如前所述，根据卡诺电池的归纳动力体系可整合冷、热、电、水与氢等多种动力方式，但现有研讨对其耦合机制的探究仍显碎片化。本文在前人研讨基础上，构建了一个集成光伏发电、吸收式制冷、海水淡化与卡诺电池的多元联产体系。该体系可一起为工业园区供给制冷、供热、电力及淡水供给。该园区一起包括出产区与日子区两大功用板块。居住区需要制冷、供暖、电力和淡水供给，而出产区则一起需要制冷、电力和淡水。此外，该体系使用低档次废热作为热源，并选用多级闪蒸（MSF）海水淡化体系回收ARC发电机出口余热。值得注意的是，ARC体系对其热源温度有特定要求：当热源温度低于80°C时，体系功用系数（COP）会明显下降，并可能导致运转毛病。应对这一挑战的潜在解决计划是集成热泵以提高热源温度。尽管热泵也使用于卡诺电池体系，但卡诺电池的储热温度与ARC所需热源温度存在明显差异。此外，在以往热泵耦合的多联供体系中，热泵通常以单级输出模式运转。本研讨根据Dai等人[[30], [31], [32]]提出的双压冷凝热泵结构，开发了多级温度输出体系。该体系可一起满意ARC与卡诺电池的运转温度需求。
综上所述，本文提出的多联产体系成功解决了低档次余热与可再生动力的使用难题，一起克服了吸收式制冷循环与卡诺电池因作业温度差异过大而难以匹配的问题。本研讨丰富了根据卡诺电池的多联产体系供能方式，并进一步探究了多级热泵在归纳动力体系中使用的可行性。