卡諾電池是通過水或熔鹽等儲能介質(zhì)將電能以熱能形式儲存起來，并在需要時將熱能轉(zhuǎn)化為電能的系統(tǒng)。這類系統(tǒng)包括 液態(tài)空氣儲能 (LAES) 系統(tǒng)、 基于 布雷頓 或 朗肯的泵送式熱能儲存 (PTES) 系統(tǒng)、拉姆-霍尼格曼儲能(Lamm-Honigmann storage，一種基于吸附技術(shù)，可同時以熱能和電能進行充放電)以及基于集成電阻加熱并進行功率循環(huán)的系統(tǒng)。

所有這些存儲技術(shù)都允許廣泛的應(yīng)用，例如套利業(yè)務(wù)、輔助服務(wù)或電網(wǎng)內(nèi)的調(diào)峰。

科學(xué)家們通過單目標(biāo)優(yōu)化和多目標(biāo)優(yōu)化模擬了多個系統(tǒng)，以實現(xiàn)能量、火用和經(jīng)濟效率，并使用了 16 種不同的環(huán)保工作流體組合。

“CB是一種電能-熱能-電能的儲能技術(shù)，通過加熱或冷卻熱能存儲系統(tǒng)(TES)，將剩余電力轉(zhuǎn)化為熱能。儲存的熱能可以在需要時再轉(zhuǎn)換回電能，”學(xué)者們解釋道。“CB分為三個熱能區(qū)：TES儲罐(高溫和低溫)、熱源和散熱器。”

該團隊提出了六種可作為CB運行的HP-ORC組合方案。系統(tǒng)1是最基本的系統(tǒng)，包括一個蒸汽壓縮式熱泵(??VCHP)和一個簡單的ORC。系統(tǒng)2在HP上增加了一個蓄熱器，系統(tǒng)3在ORC上增加了一個蓄熱器，系統(tǒng)4在HP和ORC上都增加了蓄熱器。系統(tǒng)5使用帶閃蒸室的兩級熱泵，而系統(tǒng)6則采用兩級HP和一個蓄熱式ORC。

在高壓側(cè)和有機朗肯循環(huán) (ORC) 側(cè)分別測試了四種不同的工質(zhì)，共計得出 16 種可能的組合。具體而言，它們是 R1224yd(Z)、R1234ze(Z)、R1336mzz(Z) 和 R1233zd(E)。這些系統(tǒng)是在 MATLAB 2024a 中開發(fā)的，假設(shè) VCHP 和 ORC 處于穩(wěn)態(tài)運行;熱交換器中沒有熱量損失和壓力損失;壓縮機和膨脹機的效率恒定;水作為熱源、儲能和冷源中的傳熱流體。

首先，對六種系統(tǒng)配置和16種工質(zhì)對的所有可能組合進行單目標(biāo)優(yōu)化。每種組合均經(jīng)過三個單目標(biāo)優(yōu)化——能量、火用和經(jīng)濟性。采用一種新穎的評分方法，系統(tǒng)地確定最佳工質(zhì)配置對。

模擬結(jié)果表明，再生熱泵和ORC配置(系統(tǒng)4)在所有流體組合中始終提供最佳效果，證明了其與其他系統(tǒng)相比更適合該技術(shù)。其中，R1233zd(E)-R1233zd(E) 的整體性能最高，其次是 R1234ze(Z)-R1224yd(Z)?；A(chǔ)熱泵和ORC配置(系統(tǒng)1)采用 R1336mzz(Z)-R1336mzz(Z) 時性能最低。

基于此分析，該團隊對系統(tǒng) 4 進行了多目標(biāo)優(yōu)化，在高壓側(cè)和有機朗肯循環(huán)側(cè)均使用了 R1233zd(E)。根據(jù)他們的研究結(jié)果，他們在往返效率和儲能平準(zhǔn)化成本 (LCOS) 之間進行了權(quán)衡。盡管如此，最優(yōu)設(shè)計仍實現(xiàn)了 57.43% 的往返效率和 0.649 歐元(0.73 美元)/千瓦時的平準(zhǔn)化成本 (LCOS)。

“在不顯著影響整體性能的情況下，效率可以達到 81.30%。超過這個水平，由于性能會迅速下降，進一步的改進就沒有必要了。”該團隊表示，“對于小型實驗臺，最佳設(shè)計點對應(yīng)的 LCOS 為 1.093 歐元/千瓦時，但預(yù)計在更大規(guī)模下會下降。”

他們的研究成果發(fā)表在《能源轉(zhuǎn)換與管理：X》雜志上，題為“用于儲能應(yīng)用的卡諾電池的多目標(biāo)優(yōu)化和設(shè)計”。

丹麥技術(shù)大學(xué)的學(xué)者 在2023年發(fā)表的一項研究中 提出，使用 卡諾電池 將燃煤電廠轉(zhuǎn)變?yōu)榭稍偕茉瓷a(chǎn)。

丹麥的另一組研究人員也研究了如何 使用卡諾電池在本國儲存可再生能源， 并發(fā)現(xiàn)這些設(shè)備只有在一定的成本門檻下才能做出顯著的貢獻。