原文信息
Thermodynamic investigation of a Joule-Brayton cycle Carnot battery multi-energy system integrated with external thermal (heat and cold) sources
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S030626192402035X
Highlights
(1) 提出了一种能够与多品位热源和冷源互动的新型卡诺电池方案。
(2) 探讨了卡诺电池有效利用外部多品位热能和冷能的方法。
(3) 评估了卡诺电池用于大型能源枢纽的技术可行性，COP可达119.3%。
(4) 讨论了卡诺电池发展为未来智慧能源管理系统的潜力。
Research gap
卡诺电池作为一种新兴的长时大规模储能技术，受到广泛关注。它利用热力循环实现电能与热能/冷能的互相转换，从而进行能量存储与释放，展现出从纯储电系统向冷热电多能联供系统转型的潜力。然而，目前尚缺乏对卡诺电池在不同情景下如何灵活储存与释放电能和多品位热能/冷能的深入研究，特别是外部热源和冷源对卡诺电池内部能量转化与传递过程以及系统性能参数的影响机制仍需进一步探索。
Abstract
The electro-thermal conversion working mode implies that Carnot batteries have the potential to transform into multi-energy management systems by scheduling and converting different energy vectors according to energy demands. In this paper, a thermodynamic model of Joule-Brayton cycle Carnot battery multi-energy systems is established, based on which two methods of conversion and utilisation of external multi-grade heat and cold are proposed to respond to changes in energy demand. The effects of key parameters such as heat and cold source temperatures, the amount of absorbed heat and cold energy, working fluid mass flow rate and discharge duration on the performance of electricity efficiency, exergy efficiency and coefficient of performance are discussed. The results show that the electricity efficiency of the Carnot battery multi-energy system can be increased to 68.8%-78.0% when the system integrates heat sources only, and to 113.9%-115.2% when the system integrates both heat and cold sources. Moreover, the methods of increasing the working fluid mass flow rate and extending discharge duration allow such systems to integrate with multiple heat and cold sources in combined cooling, heating and power mode, reaching a coefficient of performance of 128.6%. The technical feasibility of such systems is also evaluated for a large energy hub in China, with the coefficient of performance, exergy efficiency and reduced CO2 emissions rate reaching 119.3%, 85.1% and 94.3 t/h, respectively. The Carnot battery multi-energy system possesses sufficient flexibility in the domain of multi-energy utilisation, demonstrating its potential to evolve into smart energy hubs for cities or districts.
Keywords
Carnot battery
multi-energy system
thermally integration
cascaded latent heat and cold store
combined cooling, heating and power
Graphics
图1. 基于卡诺电池的多能系统示意图：(a) 储能过程，电能由逆向焦耳-布雷顿循环转化为热能和冷能，外部的热/冷能可根据其温度储存在相应的相变储热/冷单元中；(b) 释能过程，储存的热/冷能可以根据其温度直接向外供热/冷，也可以通过正向焦耳-布雷顿循环转换成电力向外输出。
图2. 当多能联供系统耦合外界热源和冷源时，热源温度和冷源温度对卡诺电池发电效率的影响。研究发现，需要合理匹配热源温度和冷源温度来使发电效率超过基准情况（不耦合热源和冷源，发电效率为57.6%，图中红色虚线）。例如，当冷源温度为280 K时，热源温度高于727 K才能使发电效率超过基准情况。当热源温度和冷源温度分别为850 K和125 K时，电效率可提高到113.9%。
图3. 当系统在冷热电三联模式下耦合冷热源时，冷热源温度、增加的工质质量流量(a)以及延长的释能时长(b)对系统性能系数的影响。通过使工质质量流量增加到21.3 kg/s (αm = 0.7)，系统的冷热电三联效率可以达到128.6%；而通过使放电时长延长到12 h (αt = 1.0)，系统的冷热电三联效率可以达到128.4%。
图4. 卡诺电池多能联供系统耦合到大型能源枢纽的示意图：(a) 储能过程，(b) 释能过程。这个能源枢纽包括一座2×1000 MW燃煤电厂、一座2×300 MW燃气电厂和配套的LNG接收终端，同时也是附近石化工业园区的重要能源来源。当卡诺电池与该能源枢纽耦合时，冷热电三联能量效率和㶲效率分别为119.3%和85.1%，冷热电三联模式下减少的CO2排放量达到94.3 t/h。
作者简介
团队介绍：
本研究由上海交通大学、伯明翰大学、浙江大学及国家电投能源科学技术研究院（前身为国家电投上海成套院）的研究人员共同合作完成。
通信作者简介：
赵耀，上海交通大学智慧能源创新学院副教授，博士生导师。从事长时大规模储热/冷及热机械储能技术研究，聚焦相变储热和卡诺电池。主持及参与多项国家及省部级科研项目，发表期刊与会议论文30余篇，获得国家发明专利3项，并担任多个国内外学术期刊的青年编委。邮箱：zhaoyao@sjtu.edu.cn。
第一作者简介：
黄佳兴，上海交通大学智慧能源创新学院博士研究生，主要研究方向为卡诺电池热力系统优化和相变储热。在卡诺电池相关研究领域，已发表SCI论文2篇，会议论文3篇，并获得国家发明专利1项。
关于Applied Energy
本期小编：何意；审核人：赵耀
《Applied Energy》是世界能源领域著名学术期刊，在全球出版巨头爱思唯尔 (Elsevier) 旗下，1975年创刊，影响因子10.1，CiteScore 21.2，本刊旨在为清洁能源转换技术、能源过程和系统优化、能源效率、智慧能源、环境污染物及温室气体减排、能源与其他学科交叉融合、以及能源可持续发展等领域提供交流分享和合作的平台。开源（Open Access）姊妹新刊《Advances in Applied Energy》影响因子13.0，CiteScore 23.9。全部论文可以免费下载。在《Applied Energy》的成功经验基础上，致力于发表应用能源领域顶尖科研成果，并为广大科研人员提供一个快速权威的学术交流和发表平台，欢迎关注！
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