美國南弗羅里達大學在顯熱-潛熱混合儲熱方面取得新進展
文章信息
技術(shù)領(lǐng)域：顯熱-潛熱混合儲熱
開發(fā)單位：南弗羅里達大學 Kelly Osterman
技術(shù)突破：探索了一種混合顯熱-潛熱儲熱系統(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.
應用價值：可用于超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)儲熱，同時實現(xiàn)系統(tǒng)?效率的最大化。
為了最大限度地提高動力循環(huán)的運行效率，需要盡可能維持在循環(huán)設(shè)計點附近工作。對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熱方式是熔鹽中的直接顯熱儲存，需要兩個分別用于蓄冷和蓄熱的儲罐，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，但是具有較強的腐蝕性，需要使用特殊的罐體材料。另一種儲熱方式是使用固體材料進行顯熱儲熱，例如巖石，但是這種方式將導致能量密度低，隨著釋能過程進行，出口溫度出現(xiàn)衰減，導致耦合熱力學循環(huán)的效率降低。
來自南弗羅里達大學的研究人員通過數(shù)值研究的方式，探索了一種混合顯熱-潛熱儲熱系統(tǒng)，來提供約650 °C的穩(wěn)定釋能溫度，同時實現(xiàn)系統(tǒng)?效率的最大化。價格低廉的巖石顯熱蓄熱材料提供了主要的儲熱能力，同時儲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測試工況點分布更密集。結(jié)果表明：提高相變材料占比使得穩(wěn)定時間增長，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-潛熱儲熱系統(tǒng)儲能(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)合儲熱
開發(fā)單位：華中科技大學 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，在多級間歇模式下運行，充分熔化時間相比于連續(xù)流動模式縮短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.
應用價值：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)定性和波動性一直制約著其應用。儲熱技術(shù)是緩解這些固有缺陷的有效選擇之一。顯熱儲熱成本低、傳熱性能較強，但是在釋能后期存在換熱流體出口溫度衰減和體積儲能密度較低的問題。潛熱儲熱具有體積儲能密度高、儲/釋熱溫度較穩(wěn)定的優(yōu)點，但是相變材料導熱系數(shù)較低的問題依舊沒有解決。
來自華中科技大學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，同時削弱它們的缺點。他們研制了一種間歇流并聯(lián)顯熱-潛熱聯(lián)合蓄熱裝置，換熱流體在兩個管子之間交替流動，在單個管子內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)間歇，以增強傳熱性能。同時建立了一個二維瞬態(tài)模型，并使用已有的實驗結(jié)果進行了模型的驗證。研究了傳熱流體間歇循環(huán)長度對換熱性能的影響，并采用遞推方法得到了熔融過程不同階段最佳間歇長度的變化規(guī)律。結(jié)果表明，每個階段的最佳間歇周期長度是關(guān)于時間或熔化分數(shù)的函數(shù)，有一個初始的非線性區(qū)域，隨后有一個線性區(qū)域。區(qū)分這兩個區(qū)域的臨界點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。研究結(jié)果建議采用多級間歇模式，與連續(xù)模式相比，充分熔化時間進一步縮短8.73%。這種設(shè)計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)濟性。
圖2 間歇流并聯(lián)顯熱-潛熱聯(lián)合蓄熱裝置示意圖
