耦合LNG冷能发电的卡诺电池系统热力学与热经济性多目标优化研究

　　为提升间歇性可再生能源并网稳定性，研究人员创新性地将液化天然气(LNG)冷能与有机朗肯循环(ORC)结合，构建低温卡诺电池(CB)系统。通过热力学与热经济性模型分析，发现该系统功率转换效率(P2P)达258.91%，平准化能源成本(LEC)低至0.019$/kWh，较基础CB系统效率提升2.3-4.5倍，为电网级储能提供了高效低成本解决方案。

　　

在全球减碳背景下，光伏和风电等可再生能源的间歇性特性给电网稳定性带来严峻挑战。尽管抽水蓄能(PHES)和电化学储能技术各具优势，但前者受地理限制，后者则面临高成本和低能量密度的瓶颈。液化空气储能(LAES)和卡诺电池(CB)虽能突破这些限制，但前者功率转换效率(P2P)仅50-60%，后者在高温运行时又面临压缩机技术难题。如何开发兼具高效率、低成本和环境适应性的新型储能系统，成为能源领域亟待解决的难题。

针对这一挑战，中国研究人员创新性地将液化天然气(LNG)冷能发电与有机朗肯循环(ORC)相结合，构建了低温卡诺电池系统(LNG-CB)。通过建立热力学与热经济性模型，采用NSGA-II算法进行多目标优化，发现该系统在7MPa LNG压力、5°C夹点温差(PPTD)和70°C储热温差条件下，可实现258.91%的P2P效率和0.019$/kWh的LEC，性能远超传统CB系统。相关成果发表于《Journal of Energy Storage》，为电网级储能提供了新思路。

关键技术方法
研究采用MATLAB建立热力学模型，调用REFPROP 9.1数据库获取工质物性，基于NSGA-II算法以P2P效率、火用效率和LEC为目标进行多目标优化，并通过TOPSIS决策法筛选最优参数组合。系统对比了基础CB与LNG-CB在不同储热温度(120-250°C)、设备等熵效率(压缩机92%、膨胀机94%)等参数下的性能差异。

系统配置
CB系统由热泵、储热单元和热机三部分组成。LNG-CB创新性地将ORC与LNG气化过程耦合，利用-162°C的LNG冷能提升系统效率。计算表明，其设备总成本虽比基础CB高47.8%，但功率输出的大幅提升使LEC降低超50%。

热力学模型
假设系统处于稳态且无管道压损，建立能量/火用平衡方程。结果显示LNG-CB的火用效率达39.44%，储热温度差增大可提升P2P效率，但超过70°C后增幅趋缓。R1233zd(E)作为热泵工质时系统性能最优。

结果与讨论
参数敏感性分析表明：LNG压力从0.1MPa升至7MPa可使P2P效率提高153%；PPTD每降低5°C，效率提升约8%。多目标优化得到的帕累托前沿显示，7MPa下系统综合性能最佳，LEC与P2P效率呈负相关。

结论与意义
该研究首次实现LNG冷能与CB系统深度耦合，突破传统CB效率瓶颈：

1. 创新性设计使P2P效率达传统系统的4.5倍，LEC降低50%以上；
2. 明确7MPa LNG压力、70°C储热温差为最优工况；
3. 为可再生能源大规模并网提供兼具高能量密度(287kWh/m³
   )和长寿命(30年)的储能方案。

这项工作由Shiyu Liu等完成，获得国家自然科学基金(52476007)支持。其价值不仅在于创效能效纪录，更开创了工业余热与低温能源协同利用的新范式，对推进"双碳"目标具有重要实践意义。