耦合低品位余热利用的卡诺电池储能技术

项目背景

卡诺电池，是一种以热能作为储能形式的大规模储能技术。在充能时，通过热泵循环实现电-热转换，获得高温储热，在放能时，通过热机循环实现热-电转换，具有不受地理条件限制、储能密度高、易实现多能联供等优势。目前，提升储能效率是其推广应用的关键。低品位余热（液体<95℃、气体<200℃、固体<400℃）广泛存在于水泥、钢铁、发电等工业场景。据统计，我国低品位工业余热量相当于每年5亿吨标准煤，但由于温度低，无适配发电技术，单独供热则无法解决就地消纳问题，导致利用率不足3%，造成了巨大的能源浪费。为此，本项目提出耦合低品位余热利用的卡诺电池储能技术（图1.1），以低品位余热作为热泵循环的低温热源，减小循环低温端不可逆温差损失占比，可显著提高卡诺电池的储能效率和经济性，实现了低品位余热到电能的转化，同时解决可再生能源发电与低品位余热利用的就地消纳问题

研究内容总体目标

探索卡诺电池储能系统效率极限，拓展低品位余热利用新途径，掌握余热型卡诺电池关键技术和核心理论，为卡诺电池储能技术应用于各类工业场景提供技术支撑，助力碳减排。1.耦合低品位余热利用的卡诺电池储能系统设计理论针对水泥厂低温烟气余热，建立能质匹配的卡诺电池正逆循环高效系统，研究系统构型、工质、储热及能流时空特征对卡诺电池储能效率的影响规律，最终建立高效卡诺电池系统设计理论。研究指标：探索余热型卡诺电池储能效率极限，提出电-电储能效率>100%的卡诺电池系统理论设计方案。2.耦合低品位余热利用的卡诺电池储能系统开发与示范开发高温热泵压缩机核心关键技术，解决高温运行下密封、轴承可靠性、润滑油适应性等技术难题；开发卡诺电池系统试验样机，完成系统性验证；围绕水泥厂余热场景，与海螺合作开展卡诺电池系统应用示范。研究目标：开发耦合低品位余热利用的卡诺电池系统样机，电-电储能效率高于60%，建立应用示范1项。

研究基础

1.研究团队及实验平台中国科学技术大学组建了具有余热利用、新能源发电、储能等专业领域的研究团队，依托中国科学院太阳能光热综合利用研究示范中心和安徽省新型能源梯级利用工程实验室，已建成一套功能完善的低温有机朗肯循环发电实验平台，多套高精度的工质物性测量系统。同时，安徽海螺新能源有限公司将为项目示范提供水泥窑应用实施场景、工艺开发与工程技术支持。

2.科研项目及成果研究团队主持相关国家重点研发计划、国家自然科学基金项目20余项，发表SCI论文100余篇，申请专利30余项。针对高、低品位余热协同利用问题，提出新型工质及复合循环构型匹配设计方法，开发了高效系统样机（图2.1）和核心部件透平发电一体机（图2.2）；针对钢铁行业烧结环冷机余热，提出复合工艺系统，解决烧结矿余热回收利用率低的难题（图2.3）。

项目团队