香港城市大学研究生(香港城市大学研究生学费)



香港城市大学研究生,香港城市大学研究生学费

第一作者: 丁志雄

通讯作者: 吴伟

通讯单位: 香港城市大学

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传统热储能技术能实现能源供需在时间上的匹配,但不能解决能源品位过低的问题,导致低品位可再生能源难以充分利用。吸收式热储能变温器在维持较好储能性能的同时,还能实现温度的提升。为进一步改善其系统性能,本文提出一种新型的增压辅助式热储能变温器。文中对比分析了新型系统和基础系统的动态特征,并研究了不同输出温度、输入温度及冷却温度对循环性能的影响。结果表明增压辅助式系统的储能性能和温度提升能力均得到显著改善。采用辅助增压后,温升能力从30 ºC增加到了65 ºC,而所需蓄能温度则从60 ºC下降到45 ºC。 此外,新型系统的各项储能性能指标均得到大幅提高:在30 ºC温升条件下,储能效率从0.24提高到0.43,储能密度从35.2 kWh/m3提高到 282.7 kWh/m3,㶲效率从0.32提高到0.54。该研究充分展示了增压辅助式热储能变温器在高储能性能和温升能力方面的优势。

研究背景

在全球提倡“净零排放”、“碳中和”的大背景下,可再生能源利用成为了一个热点研究课题。然而,可再生能源的利用存在两大挑战:(1)太阳能等可再生能源具有较大的间歇性,无法与用户需求直接匹配;(2)大量的可再生能源以低品位形式存在,过低的温度使其难以被直接利用。热储能变温器综合了能量储存和温度提升的能力,为同时解决这两大难题提供了一种很有前景的技术方案。吸收式循环能被低品位热能驱动,故在热泵和热储能领域已得到广泛关注。目前吸收式热储能的研究主要针对供冷和低温供热,针对具备“储能+温升”能力的吸收式热储能变温器的研究相对较少,而对其性能提升的研究更是缺乏。因此,本文提出了一种基于吸收式循环的新型增压辅助式热储能变温器,并对其动态特征及循环性能开展了详细研究,旨在为低品位可再生能源的利用提供技术支撑。

图文导读

图1 增压辅助式热储能变温器循环流程图: (a)蓄能过程 (b)释能过程

在蓄能过程中,热源加热稀溶液使其浓缩,水蒸气从溶液罐流向制冷剂罐,在制冷剂罐冷凝。采用压缩机辅助后,在相同的冷凝压力下,溶液罐内压力降低,使得溶液浓缩过程得到加强,水蒸气流量增大。即使热源温度适当降低,也能维持较好的溶液浓缩过程。在释能过程中,热源加热制冷剂使其蒸发,水蒸气从制冷剂罐流向溶液罐,在溶液罐内被浓溶液吸收,而释放的吸收热则可输出高温热量。辅助增压后,溶液罐的压力升高,在较高温度下也能维持较好的吸收过程,即增强了温度提升能力。

图1 工作原理图: (a)传统循环 (b)压缩辅助式循环

传统循环在蓄能过程中的驱动力是热源和热汇的温差,在该温差的作用下,水蒸气从溶液罐中发生,在制冷剂罐中冷凝,故溶液被浓缩。而在释能过程中,浓溶液通过吸收水蒸气,释放比输入温度更高的吸收热,实现了温度的提升。换言之,该循环是温差与浓差之间的转换。采用辅助增压后,在储能过程中,温差和压缩共同驱动,转化为更大的浓差;在释能过程中,浓差和压缩共同作用,转化为更大的温升。因此,增压辅助式热储能变温器的性能相对于传统循环有了显著的提升。

图7 系统性能随输出温度的变化

图8 系统性能随输入温度的变化

图9 系统性能随冷却温度的变化

图7、8、9展示了输出温度、输入温度及冷却温度对传统系统和新型系统的性能影响。可以看出,除了在某些温度区间内㶲效率有所降低,增压辅助式热储能变温器的储能效率、储能密度及温升能力都得到显著的提升。

总结与展望

本工作提出了基于吸收式循环的新型增压辅助式热储能变温器,其性能相对于传统系统有明显的提升,为低品位可再生能源的利用提供了一种有前景的技术方案,并为吸收式热储能变温器的研究提供了理论依据。未来,吸收式热储能变温器的性能将随着新工质的研发及循环的优化而得到进一步的改善。此外,更多的应用场景也将被引入该项技术研究中,如利用严寒环境的低温作为冷源进行储能、利用其低热损失的优点进行季节性储能等。

通讯作者简介

吴伟,香港城市大学能源及环境学院助理教授、博士生导师。长期从事高效热泵、新型工质、先进热储能、高效热管理、可再生能源、低碳建筑等方面的研究工作。基于相关成果,发表SCI论文90余篇、中文核心10余篇,授权/申请中美专利20项,出版英文专著1部。获国际制冷学会开利青年奖、NIST杰出研究员奖、华人能源与环境优秀青年学者奖、斯坦福Top2%高被引科学家、清华大学特等奖学金、清华大学学术新秀等荣誉;多次荣获中国制冷学会、北京制冷学会、香港工程师学会优秀论文。任国际制冷学会E2专委会(热泵与能量回收)青年委员、国际能源署热泵技术(IEA-HPT)和太阳能供热供冷(IEA-SHC)专家成员、多个SCI期刊编委和客座编辑。

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