深部地热能系统主要挑战与耦合储能的增强型创新开发模式

中国在中低温地热能直接利用方面早已领先全球,但在深部地热能发电方面却发展缓慢。深部高温高压环境下岩石渗透性降低,深部地热能开采需要建立工程型地热系统(Engineered Geothermal System,EGS),通过水力压裂对储层进行改造,以获得具有较高渗透性的人工地热储层。由于目前常用的深部地热能储层改造技术主要借鉴油气增产领域的水力压裂工艺,在热储改造效果、地震风险控制、高效取热等方面受到限制。首先总结深部地热能水力压裂的特点为:裂缝破坏主要以剪切机理为主;冷水回灌引起的温差效应产生拉应力会促使裂缝向更远处扩展;持续的注水使注入井井筒压力高于地层压力,有助于保持裂缝处于张开状态。因此,EGS水力压裂不需要使用支撑剂,与依靠支撑剂的油气井增产压裂完全不同。同时,系统剖析EGS面临的发电产能低、注采连通差、诱发破坏性地震以及无补贴难盈利4大难题与挑战。从创新压裂和循环利用层面提出耦合储能的增强型创新开发模式(Regenerative Engineered Geothermal System,REGS),通过数值模拟研究REGS的优点。结果表明,采用水平井非等距、非等面积、非等注水量分段压裂,可以提高注水井与生产井的连通能力。通过优化压裂工艺,采用多段压裂模式,每次压裂初始期间快速提高注水速率,而后期缓慢降低注水速率,避免井筒压力的突然波动,可以达到控制诱发地震震级的目的,避免产生实质性伤害地震。结合可再生能源大规模地下存储,既能实现多能互补,又能提高REGS项目生产寿命和盈利能力。研究成果有助于为我国深部地热能热电联产和储能一体化技术的试点和标准化推广奠定基础。

光伏幕墙辅助双源热泵系统在不同地区的多目标优化配置

为克服单一可再生能源应用的局限性,提出一种光伏幕墙辅助双源热泵系统。利用TRNSYS建立仿真模型,以系统能耗和生命周期成本为目标函数,采用非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ),对不同地区系统配置规模进行多目标优化设计,并利用加权和法确定均衡解。结果表明:哈尔滨、长春、沈阳3个地区优化后的系统运行能耗比优化前分别增加5.9%、5.0%和3.9%,生命周期成本降低13.6%、17.1%和12.9%;与单目标优化相比,多目标优化在兼顾性能的前提下能明显降低生命周期成本,具有明显的优势。

长三角地区集中式露地农业光伏方阵夏季光热环境试验研究

基于太阳照度和环境温度逐时变化,以长三角地区的集中式露地农业光伏方阵为研究对象,在跨度为6.8 m的单跨方阵中沿从南到北的跨度方向取0.65、3.40、6.15 m处的3个和长度方向共面的测试断面,即南区、中区、北区。基于此,进行夏季方阵内外的光热环境测试,分析并明确光伏组件下方区域的光热环境变化规律,为其太阳能资源合理利用、结构改进和夏季农业生产管理提供参考。结果表明,该地区光伏方阵夏季内部3个区域光热环境呈现规律性差异,整体表现为北区略优于南区,中区优于南、北两区。综合考虑作物生长的光热环境需求,一方面可通过结构改进、种植方式优化等方式改善或利用好内部光环境;另一方面基于热环境规律,分类做好内部3个区的夏季灌溉等田间管理,从而推动光伏农业发展升级。

面向综合能源协调的虚拟电厂调控平台设计与规划优化

为解决综合能源协调调度难题,文章提出了基于虚拟电厂调控平台设计和综合能源协调调度模型。通过分析虚拟电厂的基本网架结构,设计了虚拟电厂总体架构,分为资源层、平台层和应用层,并设计了网络架构和数据流架构。基于该架构建立了面向综合能源协调的虚拟电厂调度应用模型。针对模型内光伏、风力发电、电解器、燃料电池、氢气储能、电池储能,以可靠性指标作为切入点,提出了全生命周期内成本最小的目标函数。通过算例分析,验证了文章所提出的模型在可靠性和成本方面的优势。

均匀流场下平单轴光伏支架扭转气动失稳特征试验研究

由于发电量明显高于固定式光伏系统,平单轴光伏发电系统近些年得到了广泛的应用。平单轴光伏支架由于扭转刚度较低,在大风天气下容易出现扭转气动失稳现象,从而造成支架结构破坏。为了进一步深入了解该振动的发生条件和机理,本研究通过节段模型测振风洞试验研究结构自振频率、倾角、阻尼等参数对扭转气动失稳的影响,分析了气动阻尼和气动刚度随着风速和倾角的变化规律。研究表明,平单轴光伏支架的扭转气动失稳表现出较强的气动耦合效应,气动阻尼和气动刚度是影响平单轴光伏支架气动失稳的重要参数,对风速和倾角的变化较为敏感,该失稳现象具备自激振动的特点;扭转刚度的提高在某些倾角下可以有效地限制振幅,同时可提高结构在各倾角的临界风速;扭转气动失稳的倾角范围为-15°~20°,0°倾角附近临界风速较高,若采用小倾角进行保护时,建议将大风保护角度设为0°。

基于绿电和自愿减排量交易的园区低碳电力运营优化

为保证园区电力运营经济性,提高清洁电能的使用比例,文章提出了一种基于绿电和自愿减排量交易的园区低碳电力运营优化模型。该模型综合考虑了绿电和火电的购电成本、光伏发电成本及自愿减排量收益,以总运营成本最小为目标函数,结合随机概率约束,分中长期、日前和实时三阶段对绿电、火电电量以及光伏发电量进行优化。以南京市某企业园区的数据为基础,在自愿减排量价格合理的前提下,该优化模型可小幅降低园区总运营成本,并且显著提高了清洁电能的使用比例和园区应对扰动的能力。另外,就自愿减排量价格以及置信度取值对优化结果的影响进行了分析。

基于p阶线性模型的地埋管换热器流体温度分布研究

利用自主研发的分层热响应测试系统,获取沿深度方向上(竖向)管内流体温度实测数据,对比p阶线性分布模型计算结果和实测数据,研究两种典型工况条件下分层岩土介质中管内流体竖向分布规律和最佳p值。结果表明:恒热流工况时,p=-5阶线性分布模型能够准确预测管内流体温度分布;恒温工况时,最佳p值随流量的变化而变化,其关系为:|p|=7.361ln V+6.684。

凹凸棒/琼脂复合气凝胶的制备及太阳能界面蒸发性能

太阳能界面蒸发是一种新兴的、可持续海水淡化和废水净化方法,在缓解淡水资源短缺方面具有巨大的潜力。本研究以凹凸棒和琼脂为原料,通过物理混合、冷冻干燥、交联反应等步骤制备得到凹凸棒/琼脂复合气凝胶(AACA),AACA具有分级多孔结构、优异的隔热性能以及超亲水性能。为了提高材料的光吸收性能,对AACA的表面进行聚吡咯(PPy)喷涂,制备得到了光热转换材料PPy-AACA,其在250~2500nm范围内的平均光吸收率可达到97.7%。以PPy-AACA作为太阳能界面蒸发器,在1个太阳的光照强度下(1k W/m^(2)),PPy-AACA的蒸发速率为1.5012kg/(m^(2)·h),能量转换效率为88.76%。PPy-AACA在循环蒸发实验和盐水蒸发实验中表现出优异的稳定性和抗盐性能。此外,该光热转换材料还证明了海水淡化和净化染料污水的能力,其盐离子和有机染料的截留率均大于99%。

美国FORGE计划犹他州干热岩开发示范项目进展综述

21世纪是全球能源获取方式发生重要变化的时代。现有以煤炭、石油、天然气等传统资源为基础的能源正在逐渐被风能、太阳能、生物质能、地热能等环境友好、低排放的绿色能源所取代。干热岩是一种不含原生水(或含少量水但不能流动)的高温地热资源,可通过水力刺激改造形成增强型地热系统储层,从而提取数量相当可观的地热能。本文以美国能源部正在组织实施的FORGE计划犹他州干热岩示范项目为研究对象,综述了项目在场地地质条件表征、基础设施建设等方面取得的主要进展与成果,总结了项目在高温硬岩钻井、储层建造、微震监测等方面取得的广泛且深入认识,从统筹部署、组织实施、场地表征和设施建设、关键技术装备突破、数据共享等方面提出了值得我国借鉴参考的具体实践。

基于ANFIS的太阳能-空气源热泵供暖系统温度控制研究

针对太阳能-空气源热泵供暖系统运行环境复杂多变,模糊控制器的设计高度依赖人工经验的问题,提出一种基于自适应神经模糊推理系统(ANFIS)改进的模糊控制方法。该方法利用ANFIS在复杂系统建模中的优势,结合供暖系统温度响应特性和实际运行数据,建立联合供暖系统变工况ANFIS模型,生成与系统性能适配的模糊规则库并传递给模糊控制器执行。Matlab/Simulink仿真对比试验表明,与单一的模糊控制相比,该方法的控制精度提高了17.65%,调节时间缩短了36.4%,具有更高的控制精度和响应速度。

全玻璃真空太阳集热管关键技术参数研究进展

全玻璃真空太阳集热管是太阳能热利用系统的重要组成部分,其性能参数的优劣直接影响到太阳能热利用系统的热性能、耐久可靠性和节能效果。文章从真空管基本结构和工作原理的介绍出发,对影响真空管性能的光学性能、热性能等关键技术参数及玻璃管材料、真空性能等其他技术要求的研究进展做了详细分析,并在长期从事科研和检测工作的基础上,给出了提升真空管的产品性能可从玻璃管生产优化、新涂层开发、真空性能加强、技术创新、先进设备开发、标准修订等方面的建议。

严寒地区光伏支架受力分析及优化

光伏支架作为光伏系统的重要组成部分,结构设计至关重要。为提升严寒地区光伏支架的安全性和经济性,采用有限元模拟方法对大庆市典型光伏工程进行了参数化分析和优化设计,主要探究檩条间距、立柱数量和前后立柱间距等不同结构参数对支架受力性能的影响。结果表明,支架挠度与檩条间距和立柱数量呈负相关,与前后立柱间距呈先增大后减小的趋势,临界荷载变化趋势与支架挠度变化趋势正好相反。并得出最佳优化方案:采用单块光伏板长度20%的檩条间距、斜梁水平投影60%的立柱间距、中间斜梁增加斜支撑和截面厚度2 mm的支架优化设计,此优化方案可使支架挠度降低71%。

矿井岩溶热储三维地质建模及地热资源潜力评价

传统热储体积法适用于大尺度区域的地热资源量评价,用于矿井地热资源量评价时误差较大。在分析平顶山矿区“源、通、储、盖、流体”地热系统特征的基础上,建立了矿区地热成因概念模型。以平煤十矿井田为主要研究区,基于区内地热地质条件和地面、井下钻孔资料,采用地下水模型系统(Groundwater Modeling System,GMS)软件建立了研究区内地层的三维地质模型,呈现了寒武系碳酸盐岩地层及覆岩的展布情况,并对寒武系碳酸盐岩地层空间进行了数字化。提出了用于矿井地热资源评价的积分式热储体积法,采用该方法对研究区内寒武系岩溶热储静态资源量进行了估算,并评价了热储的动态资源量,得出了热储层地热资源量与地热水位标高的关系曲线。对研究区内寒武系岩溶地热水进行了水质全分析,评价了地热水的腐蚀性和结垢性。结果显示,研究区内寒武系碳酸盐岩(灰岩)层为岩溶热储层,热量主要来自寒武系朱砂洞组以深的高温岩体;地表大气降水经寒武系灰岩露头和矿区周缘深大断裂进入深部岩体,沿途被加热后储存于寒武系灰岩地层中,并持续接受深部基岩热量传输,形成水热型岩溶热储;寒武系岩溶热水静态资源量为76.8亿m3,蕴含热量1.19×10^(18) J;岩石中蕴含热量为3.25×10^(18) J;地热资源总量为4.44×10^(18) J;地热可采资源量为6.66×10^(17) J,折合标煤22.7 Mt;寒武系岩溶热水具有轻微腐蚀性,结垢性为轻微—中等,流经金属管道和容器需要做防腐和防垢处理。

基于场协同理论的热空气吹掠型太阳能蒸馏器对流传热性能优化分析

以热空气吹掠型太阳能蒸馏器为研究对象,利用数值模拟结果和均匀设计法分析蒸馏器内流动与传热场协同角的变化规律和影响因素。结果表明,影响场协同角的主要因素是热空气进口速度,热空气进口温度和水温的影响不显著。在蒸馏水温30~70℃、进口空气温度40~90℃,进口空气速度为8 m/s时平均传热场协同角最小,为73.14°,传热系数最大,可达到同等条件下自然对流传热系数的4倍。

考虑可再生能源接入的多端MMC交直流混合系统协调控制

模块化多电平变换器的零转动惯量特性,使其无法对交流电网的频率波动提供支撑,导致交直流混合系统的整体惯性下降,影响并网系统的动态性能与稳定性。文章将改进功率-电压下垂控制与虚拟同步机技术相结合,提出一种新型功率协调控制策略。在系统直流电压稳定的情况下,对交流电网进行频率调节,同时对各变换器间的功率进行合理分配,无需通讯系统即可建立有效的能量管理体系。与传统双闭环控制进行对比试验,结果表明,所提控制策略有效解决了系统由低惯量、欠阻尼引起的动态性能与稳定性的问题。

基于PVsyst的光伏设计及阴影仿真

为了降低光伏电站的初始投资,以常州科教城为例,根据当地的气象、环境等因素,设计了一套并网光伏发电系统,对光伏组件倾角选择、组件串并联、逆变器选型、方阵最小间距等进行了优化设计。在组件布置过程中,对阴影遮挡现象进行了分析,运用PVsyst软件对设计方案进行模拟仿真。通过仿真结果提出了电站设计的可行性建议,对光伏电站的降本增效具有指导意义。

考虑[火用]效率的区域综合能源系统配置与调度双层优化

文章针对含高比例的可再生能源的区域综合能源系统,综合考虑能量的数量和品质,提出了一种计及[火用]效率的双层优化方法。首先,建立了区域综合能源系统电、气、热、冷多能耦合的模型,并对系统内涉及的能量和设备进行[火用]分析,分别计算其能量品质系数和[火用]效率;然后,建立了兼顾系统容量规划和调度运行的双层协同优化模型,其中上层以[火用]效率和经济性为优化目标进行容量配置,下层以运行成本最低为目标优化机组出力,从而得到最佳方案;最后,选取某区域综合能源系统进行算例分析。与其他方案相比,文章所提双层优化方法可以为区域综合能源系统提供更好的配置和调度方案,[火用]效率可以更好地反映能量真实利用水平,实现高质量用能。

严寒地区空气源热泵耦合电磁能系统模拟运行研究

目的 为了促进空气源热泵耦合电磁能供热系统在严寒地区住宅建筑中的应用,研究该系统的运行性能和稳定性。方法 以沈阳地区某住宅建筑为例,应用Trnsys软件建立了空气源热泵耦合电磁能供热系统仿真模型,并用实测值对模型进行了验证;深入探讨空气源热泵耦合电磁能供热系统在供热期的运行特点,并与空气源热泵和电磁能供热系统分别进行比较。结果 空气源热泵耦合电磁能供热系统模型可靠,相对误差可以控制在15%以内;在供热期,室内平均温度可保持在17.97~21.84℃;空气源热泵耦合电磁能供热系统比电磁能供热系统的COP提高了59.17%,空气源热泵耦合电磁能供热系统CO_(2)减排量比空气源热泵和电磁能供热系统分别提高1.47%和59.50%。结论 空气源热泵耦合电磁能供热系统运行和COP变化更为稳定,系统环境效益更佳,室内热舒适性更高。

氟化镧铈抛光粉的焙烧制备及抛光性能研究

采用X射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、原子发射光谱仪(AES)等测试技术对氟化镧铈抛光粉产物进行理化性能表征,通过无机晶体结构数据库计算产物的空间结构,用接触角测量仪、表面缺陷检测仪测定了抛光粉体的润湿性能及抛光性能。结果表明,产物均为类球状——400,500,600,700,750℃焙烧温度下得到二氧化铈(CeO_(2))和氟化镧(LaF_(3))的混合产物(CeO_(2)+LaF3);800,850,900,950,1000,1050℃焙烧温度下,产物为二氧化铈(CeO_(2))和氟氧化镧(LaOF)的混合抛光产物(CeO_(2)+LaOF),通过计算获得不同晶型的抛光产物的XRD图及其空间结构。用接触角测量仪获得500,850,1000℃焙烧温度下的产物的润湿性能,用表面缺陷检测仪对500,850,1000℃焙烧温度下的产物对玻璃表面进行抛光,发现温度为850℃的抛光效果最好。

流态模型对小型太阳能烟囱流场特性影响分析

在小型太阳能烟囱(SC)的数值模拟计算中,选取不同流态模型(层流、湍流或转捩)计算结果不同。该文使用光线追踪和环境侧风模拟,对不同流态模型进行数值模拟计算,对比分析计算结果与试验数据。结果表明:不同时刻转捩模型下流体湍流强度、受环境侧风扰动程度与层流模型、湍流模型相比更小,在计算中使用转捩模型更准确,为小型SC流场模拟计算的模型选择提供参考。