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卡诺NEC锂电池系统耦合Ca（OH）的性能分析2/CaO 热化学热储存与燃煤电厂
发布时间：2026-08-05 20:01:02 点击： 次
为提升可再生能源利用率，加速燃煤电厂角色的转型，并减少碳排放，设计并分析了一套卡诺电池系统集成热化学能源储存与燃煤电厂。该系统采用了sCO2Brayton反向循环将电能转化为热能，利用CaO/Ca（OH）2作为热储存材料。在能量释放情形下，水合反应将热量释放到再热蒸汽，从而替代部分再热能。Aspen Plus用于构建系统，并通过实际操作数据进行验证。热力学分析显示，耦合系统实现了51.7%的往返效率和44.6%的耐能率。卡诺电池的实施可有效减少煤炭消耗超过7.3%。然而，这可能会使高温再热器出口的烟气温度升高到超出运行极限。为解决此问题，基于锅炉热平衡分析，提出了一种可行的锅炉热交换器面积调整方案。此外，还考察了抽取能力和压力对系统性能的影响。0.03兆帕的再生蒸汽，提取能力为10.0千克/秒，是最佳选择。
简介
卡诺电池已成为一种有前景的大规模储能技术，具有多项与CFPP耦合的优势。作为一种利用热力学循环的机械储能技术，卡诺电池可以轻松地与发电厂的蒸汽朗金循环集成。这种整合既能消耗可再生能源，也能降低建筑成本。此外，卡诺电池不受地理限制，具有高储存密度和高效性，且组件开发相对成熟[4]。这些特性使得卡诺电池与CFPP的集成成为能源储存和传统电厂升级的有前景解决方案。
基于大量文献调查和分析，卡诺电池与燃煤电厂的集成可分为强耦合和弱耦合两种形式。相关研究总结见表1。在弱耦合模式下，卡诺电池利用烟气[5]或燃煤电厂蒸汽[6,7]的废热作为储能系统的热源。Dai 等人[5]设计了一种兰肯型卡诺电池系统，利用燃煤电厂废气中的废热。张等人[6]将朗肯型卡诺电池与燃煤电厂结合，利用再生蒸汽作为蒸发器的热源。然而，薛等人设计的卡诺电池系统[7]使用低压涡轮出口蒸汽作为蒸发器的热源。这些弱耦合的系统解决方案在提升效率方面发挥作用，但无法作为燃煤电厂的升级和转型。在强联动模式下，燃煤电厂的锅炉和蒸汽轮机单元被改装为卡诺电池的一部分。这种耦合方式在分量集成和能量相互作用方面更为深入。在这种模式下，一些研究利用熔盐热能储存来完全替代锅炉。Hu 等人[8]、Yong 等人[9]基于熔盐热储存开发了耦合系统，其中熔盐通过电加热器加热，在能量储存场景中。在排放模式下，熔盐热能储存系统取代了锅炉，并使用了原有的蒸汽轮机系统。其输出功率可在峰值和谷地负载时进行调节。后来，Yong等人[10]在能量储存系统中使用了空气逆布雷顿循环，耦合系统的往返效率可达56%。Blanquiceth 等人[11]评估了新兴的抽水热电储存系统与火力发电厂的集成性能。结果显示，集成系统配置的往返效率可超过63.0%。
在其他一些研究中，燃煤电厂的锅炉仍保留在联结系统中。梁等[12]研究了一种集成系统，包括集成熔盐的CFPP热储存系统和沼气燃烧系统。沼气燃烧产生的废热用于加热熔融盐，熔盐可用于加热高压给料水并将蒸汽排入涡轮机，迅速提升CFPP的输出。发电量可迅速提升6.8%。在Miao等人[13]的研究中，电力加热TES系统集成在CFPP中，储存的热量被释放用于加热活蒸汽、再加热蒸汽和高压加热器给水。结果显示，输出功率可以有效提升。张等人[14]利用高温烟气和过热蒸汽加热熔盐，熔盐热储存中的热量将释放到涡轮系统以增强输出功率。Li等人[15]开发了类似系统，同样利用高温高压蒸汽加热熔融盐。Sun等人[16]开发了超临界二氧化碳（sCO2）集成了热能储存（TES）的电力系统。提取的sCO2高压涡轮进气口作为储存热量的来源，提取的热量分阶段用于储存、工作和回收，以降低可行的最低功率负荷比。TES系统的往返效率达到67.56%。需要注意的是，将锅炉作为卡诺电池的一部分可能会影响锅炉的热平衡，这是关键问题。然而，现有研究很少对此问题进行分析。
总结现有强耦合方案，当前研究中可识别以下问题：（1）在储能系统中，常用电加热或蒸汽提取加热熔盐，导致热能效率较低。（2）熔盐主要用作热储存材料。由于工作温度较高，会产生显著的热损失，不利于长期储能。（3）关于将卡诺电池与燃煤电厂联结的研究，并未聚焦于联结操作对原始燃煤电厂性能的影响。这些问题至关重要，决定了系统的可行性。
针对上述问题，进行了关于电热技术和热能储存系统的全面审查。根据卡诺电池的功率-热子系统，该构型可根据不同的热力学循环分为倒布雷顿循环和倒朗肯循环。在两个热循环之间，倒置布雷顿循环具有高能量密度、高储能效率、结构简洁和紧凑布局的优势，非常适合大规模储能技术[17]。Howes等人[18]设计了一种基于焦耳-布雷顿循环的新颖热泵储能系统，实现了72.0%的往返效率。Joshua等人[19]对Brayton循环热泵系统进行了全面的热力学分析和参数优化。他们的研究结果显示，在理想条件下，系统的往返效率可超过85.0%。科罗拉多2作为工作流体，具有无毒、低成本、易于达到超临界状态以及高传热率的优点[20]。Dostal 等人[21]比较了 sCO 的热力学性能和经济性2布雷顿循环与氦布雷顿循环结合，结果显示sCO2布雷顿循环系统成本更低，效率更高。Vinnemeier等人[22]评估了使用空气、氩气和一氧化碳的布雷顿循环热泵的性能2在卡诺电池系统内。对于工作在573.15–873.15K范围内的热泵系统，超临界一氧化碳2循环的效率与使用空气或氩气相当，甚至在某些情况下更高。此外，超临界CO也2CYCLE展现出卓越的运动效率，数值可能超过70%。Kim等人[23]发现超临界CO的积分2（sCO2） 布雷顿循环配合CFPP可使发电效率提升6.20%至7.40%。因此，sCO2布雷顿循环是卡诺电池储能循环中最有前景的选择之一。
在热储存部分，主要的热储存方法包括感热、潜热和热化学热储存[24]。感热储存具有低储热密度、大面积占地面积和显著热损失。与此同时，潜热储存的温度范围与布雷顿循环的高运行温度不匹配。热化学热储存具有高能量密度和低成本的优势，适合长期储存，确保长时间供电的安全。目前，一些研究正在研究采用热化学储能的卡诺电池系统，探讨其与sCO集成时的性能2周期 [25,26]，HP/ORC [27,28]，以及 Kalina 周期 [29]。然而，关于与燃煤电厂集成的热化学储能分析尚不足。至于卡诺电池系统，热化学储热材料的选择对系统性能有显著影响。Teng等[30]分析了四种典型的热化学热储存材料类型，并指出了各种热化学热储存材料的储热密度和工作温度。其中，广泛可得、无毒、安全且价格低廉的CaCO是一种3以及Ca（OH）2成为最常用的热化学热储存材料。然而，高温往往加速CaCO的烧结3/CaO，会导致CaO反应性在10个周期内降至低于0.30[31,32]，不利于系统的稳定和低成本运行。Xu等人[33]得出结论，随着碳酸化过程的进行，会出现CaO失活的问题，于是引入了新鲜石灰石作为补充剂。因此，CaO/Ca（OH）2是一种适合储存能量的材料。
基于上述文献分析，CaO/Ca（OH）2本文提出了热化学储能卡诺电池系统与CFPP的结合。该系统采用sCO2热泵循环以促进电力向热能的转换。在能量释放阶段，化学反应释放的热量会替代锅炉部分的再热能，从而促进CFPP的低碳转化。研究首先分析系统的热力学性能，以评估其理论可行性。基于该分析，论文考察了再热能变化对锅炉系统热平衡的影响，并提出了必要的修改建议。此外，研究还探讨了提取能力和提取压力的影响，考虑了系统在水化反应中使用再生蒸汽的情况。该系统为卡诺电池储能技术引入了新概念，为其与电网的潜在整合提供了见解。本研究结果增强了人们对未来此类系统在储能和低碳发电应用中的信心。
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