基于废热分解和电辅助加热技术的高温布雷顿-卡诺电池性能提升研究

《Applied Thermal Engineering》：Research on performance enhancement of high-temperature brayton carnot battery based on waste-heat deconstruction and electric-assisted heating

Carnot电池研究针对空气和二氧化碳作为工质，分析其在不同废热排放策略下的性能差异。通过构建无废热排放、仅充电阶段排放和充电/放电均排放热的三种Brayton Carnot电池系统，研究发现空气更适合放电阶段废热排放的WD-CB配置（效率49.8%，密度36.2 kWh/m3），而二氧化碳更适配充电阶段排放的WC-CB配置（效率61.1%，密度53.7 kWh/m3）。进一步引入电辅助加热技术，突破压缩机出口温度限制，使空气基系统效率提升至50.4%，密度达103.3 kWh/m3。研究建立了工质热力学特性与系统拓扑结构匹配的优化模型。

　　

张泉文|张家全|朱培旺|吴毅|郭庆和|顾建文|肖刚

浙江大学清洁能源利用国家重点实验室，中国杭州310027

摘要

在众多电能存储（EES）技术中，卡诺电池（CB）因其高效率、高能量存储密度和地理独立性而受到广泛关注。本文根据工作流体的气体性质是否接近理想气体在运行范围内的性质，选择了空气和二氧化碳（CO₂）作为工作流体。基于废热排放策略，将布雷顿卡诺电池（Brayton Carnot Battery）分解为两种配置：第一种配置仅在充电过程中排放废热（WC-CB），而在第二种配置中放电过程中也可以排放废热（WD-CB）。通过热力学计算比较了最适合空气和二氧化碳卡诺电池的系统配置。结果表明，基于空气的卡诺电池更适合WD-CB配置，在600°C的涡轮入口温度下，其往返效率为49.8%，能量存储密度为36.2 kWh/m³；而基于二氧化碳的卡诺电池更适合WC-CB配置，在相同的600°C下，其往返效率为61.1%，能量存储密度为53.7 kWh/m³。此外，结合电辅助加热技术后，存储温度不再受压缩机出口温度的限制，使得基于空气的系统的往返效率提高到50.4%，能量存储密度达到103.3 kWh/m³。

引言

随着全球对环境保护和可持续发展的关注度不断提高，风能和太阳能等可再生能源在能源结构中的占比持续增长[1]、[2]。然而，这些能源具有间歇性、可变性和随机性，导致电力供应不稳定，对电网的安全稳定运行构成重大挑战[3]、[4]。例如，太阳能发电依赖于阳光，而风能则受风力条件影响，这两者都会随着天气变化而显著波动。电能存储（EES）技术可以解决可再生能源发电的不确定性问题，提高电力系统的灵活性和稳定性，并支持以可再生能源为基础的新型电力系统的发展[5]、[6]。在各种EES技术中，卡诺电池（CB）技术因其高效率、高能量存储密度和不受地理限制而受到广泛关注[7]、[8]。

根据充电方式的不同，卡诺电池可分为两类：一类通过电加热直接充电[9]，另一类使用压缩热泵进行充电[10]、[11]，后者是目前更主流的类型。热泵可以将热量从低温源传递到高温源。在充电过程中，电能通过热泵循环转化为高温热能；在放电过程中，热能通过热力学循环重新转化为电能[12]。根据所使用的热力学循环，这些系统可以进一步分为基于布雷顿循环（Brayton cycle）或朗肯循环（Rankine cycle）的卡诺电池[13]、[14]、[15]。

布雷顿卡诺电池（Brayton CB）具有高存储温度、高往返效率以及结构简单等优点，是目前最主流的高温卡诺电池系统[16]。尽管许多研究人员对其热力学性能进行了分析，但大多数现有研究仅关注特定的工作流体或固定的系统配置，缺乏基于流体性质的比较优化。例如，Desrues等人[7]和Wang等人[17]、[18]使用类理想气体（氩气和氦气）证明了布雷顿CB的可行性，实现了39.3%至66.7%的往返效率。对于偏离理想行为的气体，McTigue等人[19]表明，超临界二氧化碳由于其临界点附近的特定性质变化，可以实现78%的效率。然而，这些研究通常采用预先确定的循环拓扑结构。目前缺乏关于系统架构——特别是废热排放策略——应如何根据流体是理想气体（如空气）还是实际气体（如二氧化碳）进行结构分解和匹配的关键分析。

此外，对更高能量密度的追求推动了高温热存储卡诺电池的发展[20]。虽然Paul等人[21]和Kronhardt等人[22]定义了高温范围，并且氩气、氮气、空气和二氧化碳等常见流体的热力学性质已有详细记录[23]、[24]、[25]、[26]，但仍存在显著的技术差距。在布雷顿CB中，氩气、氮气和空气接近理想气体，而二氧化碳在其临界点附近的行为并不理想[27]。然而，这些流体的理论优势受到实际涡轮机械的限制。具体来说，现有的压缩机技术最高只能达到约400°C[28]。这一限制形成了瓶颈：提高存储温度以提高效率通常需要更高的压缩机出口温度，而这超出了当前材料的能力[29]。现有文献往往通过假设理想化的组件性能来回避这一问题，未能提供兼顾高存储温度和有限压缩温度的解决方案。

为了解决这些差距，本文提出了一种新的方法，将废热排放与电辅助加热相结合。与以往独立处理流体选择和循环配置的研究不同，本文明确将工作流体的热力学行为（理想气体与实际气体）与最佳废热排放拓扑结构联系起来。本研究的主要贡献和创新点如下：（1）将布雷顿卡诺电池分解为WC-CB（充电时排放废热）和WD-CB（放电时排放废热）两种配置。严格的热力学比较表明，关于流体性质的“普遍认知”决定了不同的最佳拓扑结构：空气更适合WD-CB配置，通过中间冷却减少压缩功；而二氧化碳更适合WC-CB配置，利用其独特的临界点附近性质。 （2）提出了电辅助加热卡诺电池（EAH-CB）概念，将热存储温度与压缩机出口温度分离，使系统能够在较高的涡轮入口温度下运行，同时保持压缩机在成熟的技术范围内，从而解决了文献中指出的工程瓶颈。 （3）建立了一个系统的优化映射，量化了这些策略的性能提升，并为选择流体-拓扑组合提供了指导。

节选内容

布雷顿CB的热力学循环

在布雷顿CB中，工作流体始终处于单相区域，因为能量仅以显热的形式存储，因此固体填充床储热器能够在较宽的温度范围内提供优异的热匹配[30]。存储设备包括一个热储热器和一个冷储热器，分别用于存储热能和冷能。从热力学第二定律的角度来看，工作流体在压缩过程中会产生熵的增加，

计算方法和过程

前一节描述的WC-CB、WD-CB和EAH-CB系统都涉及压缩/膨胀和热交换/存储过程。基于热力学第一定律，本节介绍了这两组过程的计算方法，并最终确定了确定每种系统往返效率和能量存储密度的相应程序。工作流体的热物理性质来自REFPROP数据库。

往返效率

在计算卡诺电池系统的往返（电-电）效率时，最初假设所有压缩和膨胀组件的等熵效率相等（η_c,iso?=?η_e,iso）。虽然这简化了现实工程条件下的情况（实际效率往往存在差异），但这种方法用于将涡轮机械性能的影响与工作流体的内在热物理行为分开。

结果与讨论

在本研究中，选择空气作为代表理想气体的工作流体[25]，因为空基卡诺电池的往返效率高于氩基系统，且空气在成本上优于氦气和其他气体。对于性质与理想气体假设差异较大的工作流体，采用二氧化碳（CO₂）作为代表介质，因为它是一种天然存在的、价格低廉且对环境无害的流体[33]。

结论

本文根据卡诺电池的废热排放策略对其进行了分解，并比较了使用空气和二氧化碳作为工作流体的系统的存储性能。确定了最适合每种流体的配置，并研究了电辅助加热对布雷顿卡诺电池存储性能的影响。具体结论如下：

(1)

空气的行为类似于理想气体，熵增加明显

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（资助编号：52325605）的支持。