结合冷藏朗肯卡诺JLG蓄电池辅助的混合氢能储存系统：性能评估与多目标人工蜂鸟优化算法
来源：JLG电瓶 2026-08-11 22:35:44 点击：
储能是解决可再生电力电网波动性的有效解决方案。氢能储存（HES）系统是一种有前景的储能技术，因为它作为储能介质具有高能量密度。在这项工作中，一种新的HES系统，包括质子交换膜电解槽（PEME）、固体氧化物燃料电池（SOFC）和废热回收超临界一氧化碳2被提议采用再压缩循环（SRC），在无一氧化碳的情况下产生电力和热负荷2发射。为提升HES系统的往返效率，采用基于蒸气压缩制冷循环（VCR）和临界一氧化碳的冷能储存朗肯卡诺电池（CSRCB）2引入再生朗肯循环（TRC）以整合亚环境温度与SRC和SOFC废热。系统性能通过热力学和经济方法进行研究，并通过定义新的改进百分比（IP）指数来评估CSRCB对往返效率的影响。通过全面的参数评估和多目标人工蜂鸟优化算法（MOAHA），以求出最大往返效率和放电功率，同时产品成本率最小。结果显示，采用CSRCB使HES系统的往返效率提升了74.36%，相对于基点增加了30.38%。在这种情况下，放电效率提升了89.88%，而产品成本率、储能平化成本（LCOS）和回收期（PP）等经济指标分别降至最低值89.03美元/秒、0.2544美元/千瓦时和4.47年，净现值（NPV）为365万美元。
城市化的扩展和技术的发展导致化石燃料用于能源供应的过度增加，进而引发了全球气候变化[1]。为了减少环境影响，增加可再生能源在能源供应中的比例至关重要;然而，可再生能源的不稳定性会对电网造成干扰。因此，开发灵活且具有竞争力的储能技术以匹配发电和用电，被认为是解决这一问题的关键[2]。
在现有的储能技术中，如压缩空气储能、电化学储能、流动电池和大规模抽水蓄能，卡诺电池具备高效、高容量、性价比高、周期长以及无地理条件的储能系统优势[[3]、[4]、[5]、[6]、[7]]。卡诺电池是一种热机械式能量储存技术，能够将电能转化为低温和高温储存介质中的温差[6,8]。根据充电和放电过程中采用的不同热力学循环，可以制造出不同的卡诺电池变体。卡诺电池的主要类别被提出：抽水热能储存（PTES）、液态空气能储存和Lamm-Honigmann储能[4]。PTES是一项相对较新的技术，包含热泵循环、热储存系统和热机，其中热泵压缩机消耗多余的可再生电力，在充电过程中产生并储存热能;然后，它作为热机的原动力，在放电过程中产生电力[9]。根据热机所用的热力学循环，PTES主要分为布雷顿PTES和朗金PTES，也称为布雷顿卡诺电池（BCB）和朗肯卡诺电池（RCB）[[10]， [11]， [12]， [13]]。
与BCB相比，RCB因运行于低于473.15 K的存储温度，安全性更高，且水可作为廉价存储介质，降低系统成本[14]。此外，RCB还能利用低等级热源提升往返效率[15]。典型的RCB包括热泵、热储存段和朗肯热机[16]。最常见的RCB构型依赖于跨临界和超临界CO组合2热泵与跨临界一氧化碳2由于一氧化碳的优势，兰金循环[14,17,18]。2属性。科罗拉多2是一种天然环保流体（ODP = 0，GWP = 1），具有更宽广的来源、不易燃、无毒、蒸发潜热更高、临界温度更低、单位体积冷却能力更高以及更高的加热温度[19]。然而，RCB并不限于申请CO2;各种有机流体也被用于充放循环[20]。由于有机兰肯和跨临界一氧化碳的工作温度较低，2在循环中，RCB的往返效率不显著（最高60%）[14]。通过施加外部低或中等热源来增加热机温差，并为系统设计最优配置，可以改善这一问题。为此，Frate等人[21]设计了两种带再生器和不带再生器的RCB布局。结果显示，热源温度为353.15 K，最高为108%。Bellos等人[22]采用太阳能平板提供348.15 K的外部热源，并采用ORC再生循环将RCB的往返效率提升了64.92%。Ökten和Kurşun[23]将RCB与聚光光伏热系统集成，并采用吸收制冷循环以降低ORC热机的冷凝器蒸发压力。当低品位源温度为363.15 K时，他们发现往返效率最高可达142%，平定储能成本（LCOS）为0.242美元/千瓦时。范和西习[12]提出了四套带有内部热交换器或再生器的RCB系统，用于热泵和发动机循环。他们发现，基于基础ORC和再生蒸气压缩热泵的RCB在热源温度为353.15 K时，最大往返效率为25.06%，LCOS为0.305 $/kWh。Zhang等人[24]通过在热泵和ORC热机中使用再生器和预热器，改进了RCB的配置。他们发现，RCB结合预热器和再生器，在废热温度上升363.15 K时，实现了最高的往返效率99.3%。Hadelu等人[25]提升了跨临界一氧化碳的往返效率2通过引入闪光罐蒸气注入循环作为热泵，利用低品位地热热量，温度为367.15 K，将卡诺电池提升至140.2%。Norooziyan等人[26]研究了ORC的多种配置，包括基础ORC型、双压型ORC和双环型ORC作为RCB中集成的工业废热热机。他们的结果显示，当热源为393.15 K时，双压ORC的往返效率最高为219.9%，LCOS为0.160 $/kWh。Yu等人[27]建立了三种热源温度为368.15 K的RCB配置。他们发现，传统热泵和ORC相比其他配置的LCOS效率为0.451美元/千瓦时，能实现21.4%的更高往返效率。Yan等人[28]提出了一种利用级联充电和对偶展开实现大温度范围的RCB系统。当热源温度为343.15 K时，系统往返效率达到72%以上。Zhang等[29]建立了集成液氢冷能的新型RCB构型。该系统回收燃料电池废热，用于产生电力、热量和冷负载。整体往返效率为102%，LCOS为0.1516美元/千瓦时。Li 等人[30]提出了一种新的分段式储能卡诺电池，发现最大往返效率为87.29%，废热温度为352.95 K。
利用冷能降低凝结温度，也能提升RCB的性能。冷储存朗肯卡诺电池（CSRCB），也称为冷热集成泵热能储能（cold TI-PTES），最早由Frate等人[31]提出。基本的CSRCB包括充气过程中的蒸汽压缩制冷循环（VCR）、储存段以及排放过程中的朗肯热机。在充电过程中，VCR循环将电能转换为低于环境温度的热能，并储存在存储介质中。在排气过程中，热机可以在冷凝器亚环境的高温差与蒸发器外部热源之间运行。在CSRCB中，能量输入是充电过程中的电力输入和放电过程中的蒸发器热量输入。能量输出是指在放电过程中产生的净电。
文献中有少数著作专门讨论CSRCB。例如，Iqbal等人[32]研究了基础CSRCB的经济表现。他们还对系统的往返效率和LCOS进行了参数化评估。结果显示，热源的往返效率为74%，LCOS为0.32美元/千瓦时，冷藏温度分别为358.15 K和274.15 K。Xia等[10]对基础CSRCB进行了全面的热力学、经济和环境分析，CSRCB在VCR中使用回热器（R-CSRCB），以及使用预热器在ORC中（RP-CSRCB）的R-CSRCB（RP-CSRCB）。结果显示，RP-CSRCB在能量表现上更佳，LCOS降低幅度最高（15.46%），相较其他配置。Tang 等人[33]提出了利用质子交换膜燃料电池废热和蒸发氢冷能的6E分析。结果显示，往返效率最高为37.17%。
最近，氢能储存（HES）系统被提出为解决可再生电力电网连接问题的有前景方案。该技术具有清洁高效的能源来源、无活动部件以及高能量储存密度的优势[34]。在该技术中，氢气作为储存介质，具有环保性和高能量密度的特性。在充气过程中，氢气通过水电解制备，这被称为最佳效率技术[35]。然后，这些燃料被输送到燃料电池中，在放电过程中产生电力。文献显示，质子交换膜（PEM）和固体氧化物技术已被广泛用于HES系统中生产氢气和动力。PEM是面向大规模容量的低温电化学器件，响应速度快、无排放且易于维护[[36]， [37]， [38]];而固体氧化物技术则具有低排放和高效率且工作温度高[39,40]。学者们提出了并分析了多个HES系统。例如，Ogbonnaya等人[41]对电解槽-燃料电池储能进行了热力学分析，发现该系统的往返效率为10.59%。Razmi等人[42]将质子交换膜电解燃料电池（PEME-PEMFC）储能与太阳能驱动的蒸汽兰金循环集成，实现了长期能源储存。他们的系统在最佳条件下的运动效率为17.6%。由于SOFC的工作温度较高，烟气可以作为子系统的热源，以产生更多电力。基于此，Mirbagheri等人[43]利用SOE-SOFC氢能储存的废热进行朗肯循环，计算出12.73%和13.39%的能量和振能效率。郑等人[44]设计了基于PEME和SOFC集成的HES系统，并结合机械压缩能储存，以提升PEME效率。该系统能够产生电力、制冷和供暖。能耗和运动效率分别针对夏季、过渡季节和冬季进行了计算。冬季的最大能量效率和运动效率分别为87.3%和45.58%。Razmi等人[45]将Kalina循环与基于SOE-SOFC的HES系统结合，发现峰值需求削减时往返效率为74.2%。赵等人[46]基于PEMC-SOFC构建了集成ORC超临界一氧化碳的HES。2（sCO2）用于废热回收。结果分别显示往返效率为54.29%和50.34%。Guan等人[47]建立了基于PEMEC和SOFC的HES系统与大型卡诺电池的新组合。SOFC的高温废热被用来提升卡诺电池的往返效率。他们发现了最大71.98%的往返效率，相较参考系统提升11.32%。
根据上述文献调查，关于通过废热回收提升HES性能的研究有限。现有工程仅专注于利用Rankine、Kalina和ORC-sCO蒸汽机车2循环，即燃料电池烟气温差与环境之间的运作。关于通过改善废热回收来提升HES往返效率的知识仍然不足。这项工作的主要创新之处在于，CSRCB与HES系统创新集成，旨在探索利用HES系统废热在放电过程中提升发电潜力。在这种配置下，电力和热负荷在高等电系统中产生，其热废物通过CSRCB的放电循环回收，该循环在低温废热和亚环境温度之间工作，以产生更多电力。这项工作的主要贡献可以总结如下：
简介
在现有的储能技术中，如压缩空气储能、电化学储能、流动电池和大规模抽水蓄能，卡诺电池具备高效、高容量、性价比高、周期长以及无地理条件的储能系统优势[[3]、[4]、[5]、[6]、[7]]。卡诺电池是一种热机械式能量储存技术，能够将电能转化为低温和高温储存介质中的温差[6,8]。根据充电和放电过程中采用的不同热力学循环，可以制造出不同的卡诺电池变体。卡诺电池的主要类别被提出：抽水热能储存（PTES）、液态空气能储存和Lamm-Honigmann储能[4]。PTES是一项相对较新的技术，包含热泵循环、热储存系统和热机，其中热泵压缩机消耗多余的可再生电力，在充电过程中产生并储存热能;然后，它作为热机的原动力，在放电过程中产生电力[9]。根据热机所用的热力学循环，PTES主要分为布雷顿PTES和朗金PTES，也称为布雷顿卡诺电池（BCB）和朗肯卡诺电池（RCB）[[10]， [11]， [12]， [13]]。
与BCB相比，RCB因运行于低于473.15 K的存储温度，安全性更高，且水可作为廉价存储介质，降低系统成本[14]。此外，RCB还能利用低等级热源提升往返效率[15]。典型的RCB包括热泵、热储存段和朗肯热机[16]。最常见的RCB构型依赖于跨临界和超临界CO组合2热泵与跨临界一氧化碳2由于一氧化碳的优势，兰金循环[14,17,18]。2属性。科罗拉多2是一种天然环保流体（ODP = 0，GWP = 1），具有更宽广的来源、不易燃、无毒、蒸发潜热更高、临界温度更低、单位体积冷却能力更高以及更高的加热温度[19]。然而，RCB并不限于申请CO2;各种有机流体也被用于充放循环[20]。由于有机兰肯和跨临界一氧化碳的工作温度较低，2在循环中，RCB的往返效率不显著（最高60%）[14]。通过施加外部低或中等热源来增加热机温差，并为系统设计最优配置，可以改善这一问题。为此，Frate等人[21]设计了两种带再生器和不带再生器的RCB布局。结果显示，热源温度为353.15 K，最高为108%。Bellos等人[22]采用太阳能平板提供348.15 K的外部热源，并采用ORC再生循环将RCB的往返效率提升了64.92%。Ökten和Kurşun[23]将RCB与聚光光伏热系统集成，并采用吸收制冷循环以降低ORC热机的冷凝器蒸发压力。当低品位源温度为363.15 K时，他们发现往返效率最高可达142%，平定储能成本（LCOS）为0.242美元/千瓦时。范和西习[12]提出了四套带有内部热交换器或再生器的RCB系统，用于热泵和发动机循环。他们发现，基于基础ORC和再生蒸气压缩热泵的RCB在热源温度为353.15 K时，最大往返效率为25.06%，LCOS为0.305 $/kWh。Zhang等人[24]通过在热泵和ORC热机中使用再生器和预热器，改进了RCB的配置。他们发现，RCB结合预热器和再生器，在废热温度上升363.15 K时，实现了最高的往返效率99.3%。Hadelu等人[25]提升了跨临界一氧化碳的往返效率2通过引入闪光罐蒸气注入循环作为热泵，利用低品位地热热量，温度为367.15 K，将卡诺电池提升至140.2%。Norooziyan等人[26]研究了ORC的多种配置，包括基础ORC型、双压型ORC和双环型ORC作为RCB中集成的工业废热热机。他们的结果显示，当热源为393.15 K时，双压ORC的往返效率最高为219.9%，LCOS为0.160 $/kWh。Yu等人[27]建立了三种热源温度为368.15 K的RCB配置。他们发现，传统热泵和ORC相比其他配置的LCOS效率为0.451美元/千瓦时，能实现21.4%的更高往返效率。Yan等人[28]提出了一种利用级联充电和对偶展开实现大温度范围的RCB系统。当热源温度为343.15 K时，系统往返效率达到72%以上。Zhang等[29]建立了集成液氢冷能的新型RCB构型。该系统回收燃料电池废热，用于产生电力、热量和冷负载。整体往返效率为102%，LCOS为0.1516美元/千瓦时。Li 等人[30]提出了一种新的分段式储能卡诺电池，发现最大往返效率为87.29%，废热温度为352.95 K。
利用冷能降低凝结温度，也能提升RCB的性能。冷储存朗肯卡诺电池（CSRCB），也称为冷热集成泵热能储能（cold TI-PTES），最早由Frate等人[31]提出。基本的CSRCB包括充气过程中的蒸汽压缩制冷循环（VCR）、储存段以及排放过程中的朗肯热机。在充电过程中，VCR循环将电能转换为低于环境温度的热能，并储存在存储介质中。在排气过程中，热机可以在冷凝器亚环境的高温差与蒸发器外部热源之间运行。在CSRCB中，能量输入是充电过程中的电力输入和放电过程中的蒸发器热量输入。能量输出是指在放电过程中产生的净电。
文献中有少数著作专门讨论CSRCB。例如，Iqbal等人[32]研究了基础CSRCB的经济表现。他们还对系统的往返效率和LCOS进行了参数化评估。结果显示，热源的往返效率为74%，LCOS为0.32美元/千瓦时，冷藏温度分别为358.15 K和274.15 K。Xia等[10]对基础CSRCB进行了全面的热力学、经济和环境分析，CSRCB在VCR中使用回热器（R-CSRCB），以及使用预热器在ORC中（RP-CSRCB）的R-CSRCB（RP-CSRCB）。结果显示，RP-CSRCB在能量表现上更佳，LCOS降低幅度最高（15.46%），相较其他配置。Tang 等人[33]提出了利用质子交换膜燃料电池废热和蒸发氢冷能的6E分析。结果显示，往返效率最高为37.17%。
最近，氢能储存（HES）系统被提出为解决可再生电力电网连接问题的有前景方案。该技术具有清洁高效的能源来源、无活动部件以及高能量储存密度的优势[34]。在该技术中，氢气作为储存介质，具有环保性和高能量密度的特性。在充气过程中，氢气通过水电解制备，这被称为最佳效率技术[35]。然后，这些燃料被输送到燃料电池中，在放电过程中产生电力。文献显示，质子交换膜（PEM）和固体氧化物技术已被广泛用于HES系统中生产氢气和动力。PEM是面向大规模容量的低温电化学器件，响应速度快、无排放且易于维护[[36]， [37]， [38]];而固体氧化物技术则具有低排放和高效率且工作温度高[39,40]。学者们提出了并分析了多个HES系统。例如，Ogbonnaya等人[41]对电解槽-燃料电池储能进行了热力学分析，发现该系统的往返效率为10.59%。Razmi等人[42]将质子交换膜电解燃料电池（PEME-PEMFC）储能与太阳能驱动的蒸汽兰金循环集成，实现了长期能源储存。他们的系统在最佳条件下的运动效率为17.6%。由于SOFC的工作温度较高，烟气可以作为子系统的热源，以产生更多电力。基于此，Mirbagheri等人[43]利用SOE-SOFC氢能储存的废热进行朗肯循环，计算出12.73%和13.39%的能量和振能效率。郑等人[44]设计了基于PEME和SOFC集成的HES系统，并结合机械压缩能储存，以提升PEME效率。该系统能够产生电力、制冷和供暖。能耗和运动效率分别针对夏季、过渡季节和冬季进行了计算。冬季的最大能量效率和运动效率分别为87.3%和45.58%。Razmi等人[45]将Kalina循环与基于SOE-SOFC的HES系统结合，发现峰值需求削减时往返效率为74.2%。赵等人[46]基于PEMC-SOFC构建了集成ORC超临界一氧化碳的HES。2（sCO2）用于废热回收。结果分别显示往返效率为54.29%和50.34%。Guan等人[47]建立了基于PEMEC和SOFC的HES系统与大型卡诺电池的新组合。SOFC的高温废热被用来提升卡诺电池的往返效率。他们发现了最大71.98%的往返效率，相较参考系统提升11.32%。
根据上述文献调查，关于通过废热回收提升HES性能的研究有限。现有工程仅专注于利用Rankine、Kalina和ORC-sCO蒸汽机车2循环，即燃料电池烟气温差与环境之间的运作。关于通过改善废热回收来提升HES往返效率的知识仍然不足。这项工作的主要创新之处在于，CSRCB与HES系统创新集成，旨在探索利用HES系统废热在放电过程中提升发电潜力。在这种配置下，电力和热负荷在高等电系统中产生，其热废物通过CSRCB的放电循环回收，该循环在低温废热和亚环境温度之间工作，以产生更多电力。这项工作的主要贡献可以总结如下：
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新型混合储能系统，包括HES系统和CSRCB，用于在放电过程中产生电力和热能负载。 - -
HES系统包含PEMC-SOFC和sCO2再压缩循环（SRC），CSRCB配置基于蒸汽压缩制冷循环（VCR）和反临界一氧化碳2再生朗金循环（TRC）。 - -
SRC产生的废热作为CSRCB的TRC热源，录像机则提供冷能以增加热机温差。 - -
所提系统采用热力学和经济学概念建模，并进行全面的参数评估，以评估主要设计参数对系统性能的影响。 - -
新标准被定义用于评估包含CSRCB对HES系统往返效率的影响。 - -
系统在净放电、往返效率和产品成本率方面的最佳性能通过多目标人工蜂鸟优化算法确定。 - -
最后，将所提储能系统的性能与文献中现有的HES、RCB和CSRCB系统进行比较，以展示CSRCB在提升HES系统热力学性能方面的潜力。