马晓娟

浙江大学能源工程学院

摘要(Abstract)：

热泵储电系统又称卡诺电池，依靠逆向热泵循环完成电能向高低温热能的存储，再通过正向动力热机循环将热能还原为电能，是不受地理约束、适配长时大规模新能源消纳的新型物理储能技术。现有研究普遍直接将正逆组合卡诺循环往返效率视作热泵储电理论效率绝对上限，缺少从系统循环结构、储热介质有限热容、传热不可逆约束层面对卡诺基准适用边界的系统性辨析，同时布雷顿、朗肯两类主流热泵储电循环缺少标准化热力学分类对比框架。本文首先按照储能、释能阶段动力循环形式，构建热泵储电标准化热力学分类体系，完整阐释闭式布雷顿循环热泵储电、有机朗肯跨临界朗肯循环热泵储电两类系统的流程结构、工质特征与工程技术差异；其次推导正逆向卡诺循环组合模型的理想往返效率，论证无热容约束、无传热温差理想假设下卡诺效率退化为1的理论困境，从储热储罐有限变温、循环分阶段不可逆熵产、热泵与热机工质物性差异三重维度，证明单一恒温热源卡诺循环无法作为热泵储电真实热力学极限，厘清卡诺基准的无效适用场景；引入有限温差传热、有限时间热力学修正，推导变温储热条件下热泵储电真实效率边界，量化高低温热源平均温度对往返效率的非线性反向制约规律，刻画最大功率输出工况下效率-功率此消彼长的权衡曲线。研究表明：布雷顿型热泵储电依靠气体工质无相变循环，理论理想往返效率上限更高、适配高温大规模电站场景；朗肯型依靠相变工质，运行温区低、模块化适配分布式余热耦合场景；理想无损耗卡诺组合循环仅存在理论抽象价值，无法匹配储热介质温度持续变化的工程本质，有限传热温差、储罐变温效应会大幅压缩系统效率边界；热源温差扩大同步降低热泵制热系数与热机发电效率，存在最优储热温度区间平衡储能密度与往返效率；追求瞬时最大功率输出时系统效率会显著偏离可逆理想基准，形成功率-效率固有权衡矛盾。本文建立的循环分类框架与卡诺基准适用性批判分析，可为热泵储电系统工质选型、储热温度区间设计、热力循环构型优化提供底层热力学理论依据。

关键词(KeyWords)：热泵储电；卡诺电池；热力学循环分类；布雷顿循环；朗肯循环；卡诺效率；有限时间热力学；往返效率

参考文献(References)：