美國(guó)南弗羅里達(dá)大學(xué)在顯熱-潛熱混合儲(chǔ)熱方面取得新進(jìn)展
文章信息
技術(shù)領(lǐng)域：顯熱-潛熱混合儲(chǔ)熱
開發(fā)單位：南弗羅里達(dá)大學(xué) Kelly Osterman
技術(shù)突破：探索了一種混合顯熱-潛熱儲(chǔ)熱系統(tǒng)，來提供約650 °C的穩(wěn)定釋能溫度，結(jié)果表明，所分析的顯熱-潛熱混合儲(chǔ)熱系統(tǒng)允許保持較高的能量效率和?效率(分別為99%和93%)。
文章名稱：Kelly Osterman. Effect of PCM fraction and melting temperature on temperature stabilization of hybrid sensible/latent thermal energy storage system for sCO2 Brayton power cycle. Energy Conversion and Management, 2021.
應(yīng)用價(jià)值：可用于超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)儲(chǔ)熱，同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)?效率的最大化。
為了最大限度地提高動(dòng)力循環(huán)的運(yùn)行效率，需要盡可能維持在循環(huán)設(shè)計(jì)點(diǎn)附近工作。對(duì)于超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)，渦輪入口溫度約為650 °C至750 °C，壓力約為20-25Mpa。目前聚光太陽能電站使用的大部分儲(chǔ)熱方式是熔鹽中的直接顯熱儲(chǔ)存，需要兩個(gè)分別用于蓄冷和蓄熱的儲(chǔ)罐，并且傳統(tǒng)熔鹽材料存在熱穩(wěn)定性不佳的問題。盡管使用氯化鹽可以解決溫度限制的問題，但是具有較強(qiáng)的腐蝕性，需要使用特殊的罐體材料。另一種儲(chǔ)熱方式是使用固體材料進(jìn)行顯熱儲(chǔ)熱，例如巖石，但是這種方式將導(dǎo)致能量密度低，隨著釋能過程進(jìn)行，出口溫度出現(xiàn)衰減，導(dǎo)致耦合熱力學(xué)循環(huán)的效率降低。
來自南弗羅里達(dá)大學(xué)的研究人員通過數(shù)值研究的方式，探索了一種混合顯熱-潛熱儲(chǔ)熱系統(tǒng)，來提供約650 °C的穩(wěn)定釋能溫度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)?效率的最大化。價(jià)格低廉的巖石顯熱蓄熱材料提供了主要的儲(chǔ)熱能力，同時(shí)儲(chǔ)罐頂部的少量相變材料提供了穩(wěn)定輸出溫度的能力。使用的相變材料包括鹽類及其混合物，熔化溫度在657至680 °C，相變材料占比較低時(shí)測(cè)試工況點(diǎn)分布更密集。結(jié)果表明：提高相變材料占比使得穩(wěn)定時(shí)間增長(zhǎng)，但是初始釋能溫度降低；提高熔化溫度使得穩(wěn)定溫度提高，但是穩(wěn)定時(shí)間縮短。所分析的系統(tǒng)配置獲得了較高的能量效率和?效率(分別為99%和93%)，使系統(tǒng)能夠在最小程度減少發(fā)電量的情況下耦合到電源模塊。
圖1 混合顯熱-潛熱儲(chǔ)熱系統(tǒng)儲(chǔ)能(A)和釋能模式(B)的示意圖
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技術(shù)領(lǐng)域：顯熱-潛熱聯(lián)合儲(chǔ)熱
開發(fā)單位：華中科技大學(xué) Kuo Zeng
技術(shù)突破：研制了一種間歇流并聯(lián)顯熱-潛熱聯(lián)合蓄熱裝置，在多級(jí)間歇模式下運(yùn)行，充分熔化時(shí)間相比于連續(xù)流動(dòng)模式縮短8.73%。
文章名稱：Hongyang Zuo, Kuo Zeng. Development and numerical investigation of parallel combined sensible-latent heat storage unit with intermittent flow for concentrated solar power plants. Renewable Energy, 2021.
應(yīng)用價(jià)值：提出的間歇流并聯(lián)顯熱-潛熱聯(lián)合蓄熱裝置可以提高充放電功率，從而提高聚光太陽能發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性。
太陽能利用和工業(yè)余熱回收是緩解能源壓力的有效途徑，但這些熱能資源的間歇性、不穩(wěn)定性和波動(dòng)性一直制約著其應(yīng)用。儲(chǔ)熱技術(shù)是緩解這些固有缺陷的有效選擇之一。顯熱儲(chǔ)熱成本低、傳熱性能較強(qiáng)，但是在釋能后期存在換熱流體出口溫度衰減和體積儲(chǔ)能密度較低的問題。潛熱儲(chǔ)熱具有體積儲(chǔ)能密度高、儲(chǔ)/釋熱溫度較穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，但是相變材料導(dǎo)熱系數(shù)較低的問題依舊沒有解決。
來自華中科技大學(xué)的研究人員提出了將顯熱和潛熱相結(jié)合的概念，以結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)削弱它們的缺點(diǎn)。他們研制了一種間歇流并聯(lián)顯熱-潛熱聯(lián)合蓄熱裝置，換熱流體在兩個(gè)管子之間交替流動(dòng)，在單個(gè)管子內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)間歇，以增強(qiáng)傳熱性能。同時(shí)建立了一個(gè)二維瞬態(tài)模型，并使用已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了模型的驗(yàn)證。研究了傳熱流體間歇循環(huán)長(zhǎng)度對(duì)換熱性能的影響，并采用遞推方法得到了熔融過程不同階段最佳間歇長(zhǎng)度的變化規(guī)律。結(jié)果表明，每個(gè)階段的最佳間歇周期長(zhǎng)度是關(guān)于時(shí)間或熔化分?jǐn)?shù)的函數(shù)，有一個(gè)初始的非線性區(qū)域，隨后有一個(gè)線性區(qū)域。區(qū)分這兩個(gè)區(qū)域的臨界點(diǎn)與熔融前沿的傳播有關(guān)。這些傳熱流體間歇性與熔融行為之間的關(guān)系為提高并聯(lián)顯熱-潛熱聯(lián)合蓄熱單元的傳熱性能提供了指導(dǎo)。研究結(jié)果建議采用多級(jí)間歇模式，與連續(xù)模式相比，充分熔化時(shí)間進(jìn)一步縮短8.73%。這種設(shè)計(jì)可以提高充放電功率，從而提高聚光太陽能發(fā)電站的經(jīng)濟(jì)性。
圖2 間歇流并聯(lián)顯熱-潛熱聯(lián)合蓄熱裝置示意圖
