“双碳”目标下，包括太阳能和风能在内的可再生能源发电稳步增长。现有技术难以支撑消纳逐年增加的可再生能源亟需大规模储能装置保障电网的稳定运行的现状。热泵储电技术作为新兴储能技术手段，具有高效率、高储能密度、灵活的按需构建优点，相对于正在发展中的几种储能技术，热泵储电技术具有较好的研究价值和应用前景。本文首先介绍了热泵储电系统的工作原理，梳理归纳了当前热泵储电系统的主要分类包括基于布雷顿循环的(三种类型)储电系统以及基于朗肯循环的储电系统，对比总结了两种储电系统的技术特点，并对热泵储电系统核心部件的研究现状进行了综述。综合分析表明，迄今为止热泵储电技术的研究主要集中在储电系统本身的流程设计和热力学优化分析。近年来部分研究人员搭建了实际生产应用的热泵储电示范系统，加快热泵储电技术的产业化进程。热泵储电系统不仅在储电领域应用前景广阔，在余热回收以及冷热电联产领域同样具有一定的应用潜力，构建利用低品位余热及面向生产生活场景下的多能互补系统，能够使热泵储电技术成为能源系统中更高效的电、热、冷调节管理技术手段，有望快速推动我国能源系统向绿色低碳化转型。
为实现习总书记提出的“碳中和”战略目标，我国太阳能、风能以及核能等可再生能源技术发展迅速。截至2022年我国非化石能源消费量在一次能源消费总量中占比为17.5%，预计非化石能源消费到2030年将达到25% 。随着新能源技术快速发展，以风电、光电为代表的可再生能源装机规模和利用率显著提高，可再生能源生产的电力迅速增加加快了我国能源结构向低碳化转型。与此同时可再生能源发电的波动性和间歇性等技术缺陷越发凸显，产生了电力消纳难和外送难等客观问题。若将这些发电技术大规模应用到电网中不仅会对电网的稳定性以及安全性造成显著影响，还会对提升电网中低碳电力占比造成阻碍。因此部署大规模高效快速储能装置以消纳可再生能源电力的必要性日益突出。
目前国内外储能技术主要有抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能、化学储能及超导储能等方式。化学储能中的氢储能技术是我国目前大力发展的储能技术之一，具有高能量密度、长周期、跨季节储存及运输便利等优势。氢储能作为新兴的储能形式目前技术尚未成熟，在电力系统中的应用存在诸多需要突破的关键技术。
抽水储能和压缩空气储能技术较为成熟。抽水储能是目前全球装机容量最大的成熟储能技术，其占比达到储能容量的94%。2022年全球新增抽水蓄能装机容量为1030万kW，其中我国新增抽水蓄能装机容量高达880万kW，其占比超过了85%。但抽水蓄能系统极度依赖地势条件的缺点较为明显，其建造初投资成本较高。压缩空气储能具有容量大、成本较低、工作周期长、安全系数高、高效率以及经济性能较好的优势。但是大规模的压缩空气储能系统也同样存在需要大量储气洞穴以及对地理条件要求高的问题。
热泵储电技术作为目前新型大规模储电技术引起了国内外学者广泛的关注。热泵储电与压缩空气储能有着相似的系统部件，最大区别在于压缩空气储能以高压气体的形式储存电能，而热泵储电则是将富余电能转换为冷热能的形式储存。将抽水储能、压缩空气储能、氢储能与热泵储电技术对比如表1所示。结果显示热泵储电技术是有较大研究潜力和应用前景的新型储能技术。相比于抽水储能和压缩空气储能技术，热泵储电的优势在于有着更高的能量密度，应用灵活不依赖地理位置建造，可以依靠大型风力发电厂、光伏光热发电厂以及传统热力发电厂等场景建设，因而更具有成本竞争力。目前我国对于热泵储电技术的研究尚处于基础研究和关键技术研发阶段。本文对比分析了热泵储电系统国内外研究现状，并对未来研究进行展望。
表1 热泵储电技术和其他储能技术对比
1 热泵储电技术原理
热泵储电技术是由动力循环技术和热能存储技术结合的一种电能储存技术。利用热泵进行电能储存最早由德国学者Marguerre提出。热泵储电系统由热机循环、热泵循环以及储罐三部分组成，系统原理如图1所示。热泵循环用于储能阶段，用电低谷期或电能富余期通过消耗电能产生热能和冷能，储存于高温和低温储罐中，通过将电能转换为热能的方式储存达到缓解电网压力的目的；热机循环用于释能阶段，系统于电力匮乏期通过热机循环以储罐作为热源，将热能转换为机械能驱动发电机进行发电。通过储能循环与释能循环对电能的储存与释放，实现了更高效地利用可再生能源，达到电力系统削峰填谷的目的，并且实现能源供应的平衡和稳定。
热泵储电技术以正/逆向卡诺循环为支撑，热泵循环效率与热机循环效率之积定义为储能系统的循环效率。在理想状态下，卡诺循环的电-热转换效率η1与热-电转换效率η2的乘积为1，即系统储存的电能能够完全释放。在实际应用场景中热泵储电系统的循环效率可达40%～70%。
2 热泵储电技术发展现状
目前国内外热泵储电技术主要分为两类系统。一种是基于布雷顿循环的热泵储电系统，另一种是基于朗肯循环的热泵储电系统。早期对于热泵储电技术的研究更多地集中在基于布雷顿循环的热泵储电系统，此类型的系统使用氦气、氩气、CO2或者空气等作为循环工质。基于布雷顿循环的热泵储电系统有较高的储热温度，通常超过800 K，甚至接近1300 K。过高的储热温度一方面增加了储热部件的热损失与压力损失，另一方面还对高温高压的压缩部件制造提出了更高的挑战。普遍认为上述情况是影响基于布雷顿循环的热泵储电系统实现大规模商业化应用的重要因素。该类型系统在运行过程中工作介质有着较大的温度变化区间，固态填充床式的储能部件更为适用，储热介质通常由固体材料如沙砾、混凝土、Al2O3或其他材料构成。常见的基于朗肯循环的热泵储电系统是跨临界CO2循环系统。该类型系统能够有效解决基于布雷顿循环的系统中储热温度过高的问题，储热温度通常低于450 K。但是系统中存在明显的高压问题，系统运行压力一般在140～200 bar(1 bar=0.1 MPa)之间，这对系统的承压性能以及密封性能都提出了更高的要求。除了跨临界朗肯循环，蒸汽朗肯循环和有机朗肯循环同样可应用于热泵储电技术中，因此基于朗肯循环的热泵储电系统设计更为灵活，根据应用场景及需求可以选择出最合适的热泵储电系统设计方案。基于朗肯循环方式的系统通常采用潜热的方式储存热量，因此其具有更高的能量密度。以下分别对比分析两类系统国内外研究成果。
2.1 基于布雷顿循环的热泵储电系统
在两类热泵储电系统的研究中基于布雷顿循环的热泵储电系统的研究较为广泛。研究热点主要集中在设计参数优化、控制策略制定、结构改进优化等方面。Desrues等人较早以布雷顿循环为基础的热泵储电系统进行研究，文献[22]搭建的模型系统如图2所示，由高压储罐、低压储罐、压缩机/膨胀机以及热交换器组成，以氩气作为工作流体。储热罐中填充耐热材料以显热的方式储存能量。模拟计算其最高储热温度为1000 ℃，最低储冷温度为-70 ℃，系统循环效率为66.7%，当储罐的体积设置为21622 m³时系统的储存容量为602.6 MWh。Howes等人搭建了类似热泵储电系统，区别在于系统中采用的是往复式压缩机与膨胀机，并将热交换器集成到往复式压缩机和膨胀机的活塞中，计算得到72%的循环效率。在热泵储电系统中循环效率是储能温度的函数，对于布雷顿的系统而言高储存温度有益于实现高往返效率和高储存密度。但是在系统中高的温度比通过高的压力比实现，进而不仅提高了对压缩机和膨胀机的性能要求，同时增加了储罐的建造成本。
图2 系统示意图
基于布雷顿循环的热泵储电系统主要分为三种类型，包括Isentropic(简称Is型)、Saipem(简称Sa型)和Malta类型(简称Ma型)，均以专利所有的公司命名。Is型储电系统循环压比高、系统运行温度范围低，该系统的热罐和冷罐在储能过程中初始温度均为常温(环境温度)；而Sa型储电系统的特点则是循环压比低和运行温度范围大，该类型系统的热罐在储能过程中初始温度为常温(环境温度)，冷罐在储能过程中初始温度较高。两种系统对比如图3所示。张涵等人在相同的标准运行工况下比较了Sa和Is两种类型系统发现Sa型系统有着更高的循环效率(64.28%)，而Is型系统的输出稳定性更好；当系统储热温度较低时Is型系统的性能表现更优。
图3 两种布雷顿循环系统示意图：(a) Isentropic型，(b) Saipem型
Ma型热泵储电系使用液态的储能介质和换热器代替直接接触换热的固体材料填充床，其系统如图4所示。Zhang等人建立了Ma型与Is型热泵储电系统模型并对其性能进行比较分析。对比显示Ma型系统的循环效率相较于Is型系统低5.87%~12.73%。在对Ma型系统的㶲分析中发现热交换器的性能优化能更好地提高系统整体㶲效率。
图4 Malta型布雷顿循环系统示意图
杨鹤等对Ma型热泵储电系统进行了参数分析与运行性能优化，得到了往返效率、储能密度与功率密度的具体数学表达式。同时基于采用遗传算法对该系统状态点参数进行数值优化，得到往返效率、储能密度和功率密度之间的变化趋势。通过LINMAP决策方法获得了帕累托前沿解集中最优解决方案，得到最大往返效率以及最大储能密度3个工况下的优化结果。该研究为热泵储电系统的设计参数选择以及研究提供了部分理论依据。
三种类型的储电系统中Sa型系统的循环效率最高，但电能输出稳定性较差于Is型系统。两种系统的区别在于Is型系统的高储热温度由高压比实现，而Sa型系统在运行前由电加热器对储冷罐进行预加热，可以通过较低的压比实现较高的储热温度。Ma型系统的循环效率在三种系统中最低，其原因在于引入的两个气液换热器造成了额外的能量损失。Ma型系统的优势在于投资成本更低，比其余两种系统有更短的投资回报期，电能储存持续时间延长到24 h和48 h的时候，Ma型系统能够节省30%和40%投资成本。储罐不与工作回路直接连通，通过换热器连接避免了高压储热罐复杂性的问题，能够使系统运行压力提高到更高的水平，进而提高系统循环效率和功率密度。Ma型系统的设计还避免了储热介质碎屑随气体工质进入压缩机和膨胀机造成损害的可能性，进一步提高系统的安全性。
值得注意的一点是Is和Ma型两种系统均存在高温高压的问题，Is型通过高压实现高储热，Ma型通过提高系统循环压力提高循环效率以弥补系统结构上造成的效率损失。预计维持高温高压的工作回路造成的额外材料成本会造成额外的成本支出，但是目前的系统经济性分析中并未考虑到承受高温高压回路的成本因素。
往返效率作为储电系统的重要评价标准，部分研究关注到其对各类损失及参数设置的敏感性。在研究中发现与外部损失相比内部损失对系统往返效率的影响更明显，在内部损失中压缩机和膨胀机是决定性因素。并且通过㶲分析发现热泵储电系统主要㶲损失发生在压缩机，可以通过对压缩机与膨胀机的优化改进提高系统的循环效率。
王际辉等人对基于闭式布雷顿循环的热泵储电系统中储热温度和压降对系统循环效率的影响进行了分析。结果显示往返效率随高温热媒温度的升高而增大，随低温热媒温度的下降呈先增大后减小的趋势，如图5所示。出现拐点的原因在于系统发电功率随低温热媒温度的变化趋势呈二次函数曲线；而储电功率与低温热媒温度近似为线性关系。系统压降通过影响压比改变透平和压缩机的进出口温度，当压降升高时系统循环效率会有所下降。
图5 系统往返效率随高低温热媒变化趋势
通常热泵储电可以分为储能、储存和释能三个部分，Wang等人分别对三个单独的过程基于㶲分析的方法进行优化分析研究。研究结果如图6所示，发现提高系统工作温度上限是提高循环效率和能量密度的关键。并且储能过程压比的提高在增加系统储能密度的同时降低了循环效率，因此存在最佳压比平衡储能密度与循环效率之间的关系。
图6 循环效率和储能密度随压比变化趋势
目前基于布雷顿循环的热泵储电系统大都在稳态条件下，缺乏对其动态特性研究，从而导致实际运行过程中难以预测、调节和优化系统的性能。部分研究对布雷顿循环系统建立了动态仿真模型并进行动态特性研究分析，通过研究系统的动态特性可以更好地理解和优化系统的性能，为将来的实际应用提供参考。
针对热泵储电系统真实储能过程的瞬态特性得不到体现的问题，张谨奕等人基于Simulink平台和模块化建模方法对热泵储电系统建立了动态仿真模型，研究热泵储电系统在功率变化条件下的动态性能，以及各工作特性参数的动态响应。研究发现可以通过对工质流量调节的方法调节压缩机和膨胀机功率、储热/储冷系统的传热量，进而实现对循环效率的调节和控制。除此之外压比和等熵效率的提高能很好改善系统电能输出的稳定性，并且对于储罐而言存在最佳输送压缩比、材料颗粒尺寸、储罐的长径比和充放电持续时间，使得系统循环效率达到最大且输出稳定性最高。随着充放电时间的增加，储冷罐的最佳长径比逐渐增大储热罐的最佳长径比先增大后减小，并且当充放电时间比为2∶1时系统的最大循环效率为70.97%、平准化成本(LCOS)最低为(0.190±0.043) USD/kWh。
由于可再生能源发电存在波动性和间歇性导致热泵储电系统需要在必要的时候快速启动来维持电网的安全稳定。热泵储电系统从启动到稳定运行的动态过程研究尤为关键。路唱等人对系统从启动到稳定运行过程的控制策略和动态性能展开研究，研究表明转速升速率不影响系统在储能过程的启动时间；但在释能过程中，转速升速率不仅影响系统启动时间，而且不合理的转速升速率设置会使系统运行产生较大的波动和超调量。同时以1.5 MW的热泵储电系统为例，给出了转速升速率设置为100 r/min，储能过程和释能过程的压力分别设置为4.45 MPa和5 MPa的结论。
热泵储电系统不仅要对发电侧的变化做出及时响应，同时还要对用户侧负载扰动做出及时调整。由于热惯性存在热泵储电系统输出效率和用户侧负载之间存在时滞留性，因此需要一个控制策略适应用户侧负载快速变化以保障系统运行的安全稳定性。针对此问题，Yang等人对用户侧负载扰动对热机循环的影响进行了仿真并提出了一种工作流体的储存控制策略。如图7和图8所示，在用户侧负荷变化的过程中系统在该策略的控制下各状态点的温度稳定，净输出功率能够在132s以内跟随用户侧负荷的变化趋势内波动控制在2.6%以内。
图7 各状态点随负载扰动变化
图8 净输出功随负载扰动变化
对布雷顿循环的热泵储电系统除了基于稳态和非稳态的性能分析与参数优化外，国内外学者还对系统的改进流程进行研究探索，对基于布雷顿循环的热泵储电系统流程进行了改进探索以获得系统达到更高的循环效率、能量利用率以及经济性。
在对现有文献的整理研究中发现，热泵储电系统中存在显著的不可逆损失。一方面在于释能过程中膨胀机出口处仍有明显高于环境温度的排气温度，对于该部分排气余热常规系统采用冷却水降温处理；另一方面在于随着释能过程的推进，热储罐的输出温度逐渐降低，直至温度无法满足膨胀机工作需求释能过程结束，但此时仍有部分冷热能存储于储罐中。冷却散失以及积累于储罐中的能量若考虑应用于区域供热和制冷，有效提高热泵储电系统的能量利用效率以及经济效益。对此Zhang等人提出一种基于布雷顿循环的冷热电联产系统，并且建立非稳态模型开展研究，系统如图9所示。文章提出储电、热电联产以及冷热电联产三种运行模式，结果表明仅在储电模式下运行时，系统循环效率为63.5%；在热电联产模式下运行时，最大COP可以达到137.9%；在冷热电联产模式下运行时，获得了188.1%的最大COP且最大㶲效率为63.9%，相比于储电模式提高了1.4%，有效挽回系统不可逆损失。孙鹏将热泵储电系统应用于某工业园区，系统同时为园区供应电能及蒸汽。系统部署后节省了16.49%的电网购电支出，并且供给了园区82%的蒸汽需求。
图9 基于布雷顿循环的冷热电联产系统原理图
Farres-Antunez等人提出一种基于液态空气储能和热泵储电系统的耦合系统，系统原理图如图10所示。热泵储电系统作为顶部循环，液态空气储能系统作为底部循环。该系统的特点是以热交换器替代两个系统中的冷能储罐。研究发现耦合系统的往返效率与单独的两种系统的往返效率相近，但耦合系统有着更高的储能密度。
图10 液态空气-热泵储能耦合系统示意图
Farres-Antunez等人提出了将太阳能热发电与热泵储电系统联用，并对其进行可行性研究。Petrollese等人基于上述思路提出了光伏发电与热泵储电耦合的创新型系统，系统如图11所示。该系统的循环效率最大可达60%，光伏部分可单独运行，并且热泵储电部分不受光伏部分的影响。
图11 创新耦合系统
除了流程性能参数以及内部结构优化，学者们还关注到热泵储电系统的经济优势。文献[47-49]对热泵电系统进行了经济性分析，包括㶲经济分析、平准化存储成本分析以及多指标经济分析。分析结果均表示热泵储电系统相较于成熟的大型储能系统有着很大的成本竞争力。不论是作为短期能量储存系统还是作为大规模、长时间的能量储存系统，热泵储电系统均具有较大应用潜力。
目前基于布雷顿循环的热泵储电系统仍处于理论模拟阶段，尚未有实际工程运行参数分析成果。直至2023年Ameen等人对布雷顿储电系统建立了瞬态的数学模型，并且搭建世界上第一台电网规模的热泵储电实验系统，通过实验验证理论模拟的热力学往返效率。
2.2 基于朗肯循环的热泵储电系统
基于朗肯循环的热泵储电系统最早由ABB公司提出并进行研究分析。由于使用布雷顿循环的热泵储电系统需要搭配大型高压存储罐，进而造成了系统成本较高。对此问题，ABB公司提出了基于跨临界CO2朗肯循环的热泵储电系统解决方案，系统原理如图12所示。该系统的最高储热温度为123℃，且系统循环效率达到53%。在上述的研究基础上构造了含有热水及冷水储存的跨临界CO2系统。在储能阶段，热泵循环用于对储罐内的水进行加热，进而加热后的水将在释能阶段为热机循环提供动力。在冷侧潜热通过低温冰盐水储存，最终实现60%的往返效率和177 ℃的储热温度。
图12 基于朗肯循环的热泵储电系统示意图
基于朗肯循环热泵储电系统的研究更多地关注到系统构型的优化改进。Frate等人在常规系统中增加了两个回热器，系统如图13所示。回热器的加入使得系统的性能有所提升。从经济性的角度出发以导热油为储热介质的带回热的系统构型是较佳方案。
图13 带回热的热能+有机朗肯循环储电系统
为提高热泵储电系统的储能密度，Chen等人提出了一种带补热型的热泵储电系统，并且在该系统的基础上耦合有机朗肯系统。采用瞬态分析的方法对传统热泵储电、补热型的热泵储电、传统热泵储电+有机朗肯、补热型的热泵储电+有机朗肯、补热型的热泵储电+并联式有机朗肯五种系统进行仿真比较分析。如图14所示，该系统循环效率为47.67%，比补热型的压缩空气储能系统高出5.68%。
图14 带补热型热泵储电+并联型有机朗肯系统示意图
不受地理环境限制，能够根据需求灵活改进建造是热泵储电系统相较于其他大型储能系统的突出优势，故而热泵储电系统可以对现有的可再生能源发电系统联合改进，或根据不同地域特点的需求进行综合性的系统设计。基于朗肯循环的系统储能温度较低且系统较为简单，因此基于朗肯循环的热泵储电系统的另一热点研究方向是使用具有热集成的热泵储电系统。与常规热泵储电系统相比，具有集成效应的热泵储电系统更具有应用前景，不仅可以利用各种形式的低品位热能实现高效储能，还可以在智慧能源系统中连接区域电网和供热网络。目前常见的热集成有工业余热、集中供热网络、太阳能集热以及地热回注盐水。
Jockenhöfer等人介绍了一种以丁烯为工质的全热集成亚临界热泵储电系统，如图15所示。研究发现当热源温度为100 ℃和环境温度为15 ℃时，该系统可以达到1.25的净功率比。并且若在释电过程中同时提供热能和电能，最大㶲效率为0.59；在仅提供电能的情况下，最大㶲效率为0.52。
图15 全热集成亚临界热泵储电系统示意图
Hu等人构建了热泵+有机朗肯循环的热力学和经济分析模型，将具有各种热集成的热泵储电系统和当前主要储能技术进行经济对比分析，如图16所示。设计场景下的LCOS为0.18 USD/kWh，地热井回注盐水的方案与理想场景有着相近的LCOS，但受地理条件的限制较高，应用较为困难。利用工业余热是其中最为经济可行的方案，其LCOS为0.23 USD/kWh。并且较高余热温度和较低环境温度更有益于系统整体性能的提升。
图16 主要储能技术与五种热源场景下热泵储电系统的经济比较
Eppinger等人考虑到工作流体对于系统性能的影响，搭建了基于显热和潜热两种储存方式的储电系统，遴选基于有机朗肯循环的热泵储电系统的最佳工作流体。以潜热存储方式的系统受工作流体的影响较大，当环戊烷作为工作流体时系统表现出了最佳运行性能，但在安全性方面有些许欠缺；工作流体对采用显热储存方式的系统中影响不显著，出于效率、环境友好性和安全性方面推荐R1233zd(E)(用于有机朗肯循环的新型HFO类循环工质)。
2.3 冷/热能储存部件
冷/热储罐是热泵储电系统的核心设备之一，储罐对于系统的循环效率、能量储存密度、能量存储周期以及能量输出稳定性的影响较为关键。深入研究储罐的结构设计和运行性能是目前热泵储电系统的一个热点研究方向，当前国内外研究学者主要对储罐的内部结构、储能材料以及布置方式等进行研究。
热泵储电系统中消耗的电能以显热或者潜热的形式储存在两个储罐中。显热形式在储热技术中的成熟度最高、价格低廉，已经形成大规模应用。因此热泵储电系统的模拟研究大多使用显热储存的储罐，对于显热储存而言填充床是较为合适的储存单元。Ameen等人研究了一种具有更高程度的热分层的新型填充床。该新型填充床在基于温度控制的方案中性能表现优异，仅在3次循环后便达到了平衡，不仅减少了64%的压力损失且具有较窄的温跃层。Benato等人指出石灰石或砌体材料制成的填充床更适用于需要每日进行充放电循环的系统，而对于每周或更长时间才进行充放电循环的系统，氧化铝则为较佳介质。在显热材料与不同类型热泵储电系统的搭配中，以热敏醇VP-1为储存材料的回热式跨临界朗肯系统的往返效率最高(68%)。
对于潜热储存更多的涉及到相变材料。圣力等人利用相变材料作为储能介质建立了10 MW/5h的热泵储电系统的瞬态数值模型，模拟结果显示该系统的往返效率和功率密度分别达到了63.1%和175.8 kW/m3，并且储能密度达到了182.5 kWh/m3，提升了118.5%；单位能量储存成本为768元/kWh，节省了12%的投资成本。使用相变材料能够大幅提高热泵储电系统的储能密度，并且最大限度地延长高功率区的持续时间和减小功率前沿的宽度以延长系统的充电时间。
显热储存中通常选择廉价、无毒、导热性能好的储存介质，如岩石、耐火砖、砂砾、金属等。选择相变温度与热泵储电系统工作温度相匹配的相变材料能够大幅提升系统的储能密度，降低系统的换热过程的不可逆损失。水、具有共晶成分的水盐溶液、PCMs等。表2展示了热泵储电系统中常用的储能材料。
表2 热泵储电系统常见储能材料
不论是基于显热储存还是潜热储存，常规的热泵储电系统都必须配备两个储罐对冷热能进行存储。Steinmann提出了一种热泵储电技术的衍生技术，称为热泵-热机双向循环技术。该类型的系统设置一个储热装置，通常不配备储冷罐，系统循环工质通过换热器与环境和余热源进行热交换，实现工质的蒸发和冷却。
由于大容量热泵储电技术需求，储热量的增加迫使储罐的体积不断增大，大容量储罐构建方式尤为重要。Wang等人将阵列式储罐的设计应用于热泵储电系统，对储罐串联、并联和顺序阵列三种方式下的循环瞬态行为展开了研究。在串、并联和顺序三种储罐阵列方式中，储罐串联阵列的系统表现出最佳的性能，其往返效率达到64.9%和能量输送波动为43.1%。该研究基于并联和顺序的模式提出的创新的温度互补模式，模拟对比如图17所示。温度互补模式虽然往返效率(64.2%)略低于串联方式，但能有效抑制储罐阵列的温度退化，其功率输出的波动为13.2%，大幅度优化系统不稳定性。
图17 温度互补模式与串联系统和常规系统的动态模拟对比
对于储罐布置方式最大区别在于前文提到的耦合方式(Is和Sa型系统)和解耦方式(Ma型系统)。耦合方式的储罐内部结构较为复杂，绝大多数研究为减小系统计算的复杂程度将储罐模型设置为一维模型进行模拟分析。忽略工质在储罐中的流动及传热行为等影响因素必然会对系统的效率计算产生一定误差。同时系统的高温和高压对储罐提出了较为严苛的要求，市场常规储罐难以满足需求。为解决这一问题提出了储罐解耦的方式，解耦方式如前文所说以部分循环效率为代价避免储罐内部复杂性及计算困难问题，储罐的结构较为简单有更灵活多变的设计空间。
3 总结与展望
随着可再生能源的高速发展，新型储能技术将是构建新型电力系统的重要研究方向之一。本文对热泵储电的系统原理及国内外研究进行分类对比分析，目前热泵储电系统主要分为基于布雷顿循环和朗肯循环两种类型。其中对于布雷顿循环的系统研究较为广泛，基于国内外的研究现状，布雷顿循环的研究主要聚焦在以下两个方面：一是研究系统关键参数的设置对系统循环效率和储能密度等性能指标影响并进行优化；二是探究系统运行策略和系统改进方案，通过运行策略优化和储电系统的优化改进来提高整个系统的性能表现。对于朗肯循环的系统研究则相对较少，但该类型的系统已经通过研究表明在储能密度和循环效率上和布雷顿循环的系统有着相近的表现。基于朗肯循环的系统研究更多在于循环工质的选择优化以及探究不同热集成场景下系统的性能表现及经济效益。相比较之下基于布雷顿循环的系统更接近实际工程应用，适用于大规模的储能应用。
通过对国内外热泵储电技术的研究进展综述，对该研究方向有几点展望：
（1）目前热泵储电系统研究大都基于稳态条件，需要更多关注非稳态情况下系统的运行表现，建立非稳态系统的模型以探究更为接近实际应用的运行情况；
（2）对于热泵储电系统的研究基本在于理论研究，还需搭建实验系统对理论研究的性能和效率进行实验验证分析以确保仿真结果的准确性和可靠性，进一步推动热泵储电系统的发展及实际应用；
（3）压缩机和膨胀机是系统中主要不可逆损失产生的部件，未来工作在于更高效的涡轮机械的设计研究，使储电系统实现更高的循环效率；
（4）储罐的储热性能对系统储能密度和存储时间有显著影响。大多研究为简化模型，对于储罐的研究使用一维的模型，进一步的工作应考虑进行多维数值研究以得到更精准的模拟结果；
（5）对于系统的流程改进优化上探索新的循环或更多的热集成方式来提高系统整体的能量利用效率。
（6）通过灵活搭建方式开拓热泵储电技术应用场景。例如应用于家庭领域在供电的同时实现供冷供热以提供舒适低碳化的生活环境等。
综上所述，热泵储电是一种新型高效低碳化的能源储存方式，可以有效提高能源利用率和降低碳排放，在能源利用低碳化领域具有较高的研究价值和应用前景。
京公网安备 11011502004515号 
