耦合LNG冷能的液态空气储能系统和液态CO_(2)储能系统对比分析

为解决压缩气体储能系统中外加冷源的供应问题,同时高效利用液化天然气(LNG)冷能,构建了耦合LNG冷能的液态空气储能系统(LNG-LAES)和耦合LNG冷能的液态CO_(2)储能系统(LNG-LCES),并进行了热力学和经济性对比分析。结果表明:气体压缩、膨胀做功和LNG换热环节在两系统中?损较大,是系统优化关键环节;适当增加储释能压力及LNG压力会提升系统性能,而LNG温度过低会降低系统性能。LNG-LAES的最优[火用]效率、膨胀发电量、储能密度分别为57.53%、13.08 MW、79.61 kW·h/m^(3),均高于LNG-LCES(43.42%,5.44 MW,41.16 kW·h/m^(3));但LNG-LCES的循环效率和冷能利用率更高,对LNG温度波动有更强适应性,并在经济性方面表现较优。耦合LNG冷能的两种液态气体储能相比常规未耦合LNG的储能系统循环效率提高了7%~25%,可为改进储能系统性能提供一定参考。

跨临界CO_(2)储能系统中填充床蓄冷性能的动态分析

为进一步提升CO_(2)储能系统性能,建立了不同换热阶段CO_(2)与填充床的换热模型,探究了填充床长度等关键设计参数对蓄冷单元的影响规律。结果表明:由于温跃区的存在,初次循环中存储在蓄冷材料内的大量冷量未被利用,导致其㶲效率较低。随着循环次数的增加,温跃区向后移动,蓄冷单元的㶲效率不断增加。在第15次循环后,蓄冷单元的冷量回收效率和㶲效率稳定在96.10%和82.44%。与填充床长度相比,填充床直径对其温度分布影响较大。本研究可为跨临界CO_(2)储能系统填充床的工程应用提供理论指导。

吸收式制冷压缩CO_(2)储能系统性能分析

提出了一种结合了吸收式制冷循环的压缩CO_(2)储能系统,该系统采用分流的方式,将一部分CO_(2)引流至二级压缩机,将压缩产生的热量提供给吸收式制冷循环,使其启动工作并提供冷量给主路CO_(2),同时使用高压罐储存液态CO_(2),从而提高系统的储能效率。此外,对该系统进行了热力学分析和多目标优化。结果表明:在设计工况下,吸收器、一级压缩机、透平和级后换热器的[火用]损较大;本系统的储能效率随着冷凝压力、压缩机等熵效率和透平等熵效率的增加而提高,而储能压力的增大会使系统的储能效率降低;系统的最佳储能效率为68.70%,能量密度为0.153 kW·h/m^(3)。

跨临界CO_(2)液态储能系统关键参数及火用分析

基于热力学第一、二定律,建立了跨临界CO_(2)液态储能系统数学模型,分析了压缩机入口CO_(2)压力、储罐压力及压缩机前CO_(2)入口温度等参数对系统性能的影响。参数分析表明:提高压差有利于系统循环效率的提升,压缩机和冷却水的入口温度对系统的性能影响均存在最优的温度区间。火用分析结果显示:蓄冷器由于存在相变发生,火用损失最高,其次是机械部件和换热器,其中对机械部件改进可以有效提高系统的性能。

跨临界CO_(2)循环系统控制优化策略的研究进展

控制策略作为跨临界CO_(2)循环系统的重要组成部分,是保证系统高效节能运行的关键。介绍了系统最优排气压力经验计算和泊金汉π定理的反馈控制、基于梯度追踪和极值寻优的实时在线控制以及基于神经网络的预测控制等,详细分析了系统控制策略的发展历程和未来发展趋势,并总结如下:离线控制建立简单、成本低,但易受到环境因素和系统部件变化的影响而导致控制性能降低;实时在线控制策略可以实时追踪系统最大能源效率对应的排气压力,但由于寻优过程费时较长,导致控制系统的收敛时间过长;模型预测控制系统可以实现实时优化和快速收敛,有着良好的发展前景。结合新能源汽车、建筑供暖、轨道交通、商超冷藏、军工等实际场景对跨临界CO_(2)循环系统控制策略的应用特点和未来发展趋势进行分析,进一步说明了提高控制策略的适用性是未来研究的重要方向,并分析将广义预测控制、强化学习等具有自适应属性的方法应用于跨临界CO_(2)循环系统控制策略的可行性,同时探讨了开发适用于大规模循环系统和储能系统控制策略在我国“双碳”背景下的重要意义。

空间站CO_(2)去除系统节气技术研究

针对空间站CO_(2)去除系统周期性真空解吸会损失大量气体的问题,对系统的节气技术进行研究。从分子筛材料的吸附及解吸特性出发,研究影响系统气体损失量的关键因素。结合系统运行流程和运行周期,综合考虑节气泵工作特性、寿命要求和系统的CO_(2)去除性能,提出了满足指标要求的系统节气方案。采用对损失气体进行实测采样的方法对系统的气体损失量进行了试验验证。试验数据及空间站在轨运行数据表明:设计的节气方案可以控制系统的气体损失量小于45 g/d,提出方案满足设计指标要求。

电动车跨临界CO_(2)热系统充注定量需求规律及非适充系统失稳特性

跨临界CO_(2)热系统是解决电动车“低温续航衰减”和“热系统工质温室效应强”主要问题的最佳技术之一,而电动车多变场景耦合跨临界循环复杂性,系统性能及运行稳定性强依赖于充注量。通过仿真研究了跨临界CO_(2)热系统在不同工况下的CO_(2)充注量定量需求变化规律。重点研究了环境温度、室内风量和室外风速这3个关键因素对不同模式下的系统制冷剂需求量的影响机理和定量表征;并探讨了在非适充场景下的系统动态特性。结果表明:热泵模式下,制冷剂需求下限随环境温度的升高、室内风量的降低和室外风速的增加而增大,其定量影响幅度为18.6%、6.16%和18.9%。制冷模式下,制冷剂需求下限则随环境温度的降低、室内风量的降低和室外风速的增加而增大,其定量影响幅度为7.03%、7.85%和2.27%。在非适充工况下,因非适充下的系统控制量与目标量作用关系发生潜在变化,导致系统出现失控,需要通过制冷剂分布调控缓解特殊工况的系统不稳定性。研究结果对于优化电动汽车空调系统储液器设计、提高其能效和舒适性具有重要参考价值。

具备近似等压放电过程的近似等温压缩CO_(2)储能系统特性研究

为满足小容量特殊负载对(近似)稳定电能供应的需求,本文遵循(近似)等温压缩空气储能的基本原理,采用液压活塞和压力容器壁内置螺旋盘管换热的方式,基于气/液相变过程,提出了具备近似等压放电过程的近似等压等温压缩CO_(2)储能系统。通过建立系统核心部件的热力学分析模型与性能评价指标,分析了该系统在初次充放电循环中的性能,探究了压力容器初始压力、最大压力和螺旋盘管水温等参数变化时的系统性能,探索了系统有、无螺旋盘管换热对性能的影响规律。结果表明,该系统在初次充放电循环中充放电效率、热效率和能量密度分别为62.67%、53.05%和0.500 3 kW·h·m^(-3)。同时,该系统在放电过程中可以获得近似恒定的电能输出,输出功率在636~840 kW范围内变化。本文的研究工作可丰富压缩气体储能理论体系,具有重要的实用价值和现实意义。

基于压缩CO_(2)的新型储能技术研究进展

储能技术是新型电力系统的重要装备基础,不仅能够实现能源时间上的转移,平滑可再生能源的功率输出,还可以实现供给侧和用户侧的能源管理。本文首先综述了压缩CO_(2)储能的技术原理及应用现状;随后,基于CO_(2)的储存状态,将压缩CO_(2)储能技术路线进行分类,并总结了不同技术路线的性能特点和研究进展;最后,对压缩CO_(2)储能系统未来发展方向做出预测。(1)CO_(2)的临界点为7.38 MPa/31.3℃,比空气更容易被液化而具有储能密度大的优点,在相同功率等级下压缩CO_(2)储能系统相比于压缩空气储能系统更加紧凑。目前,国内外均已有CO_(2)储能验证项目建成投运。(2)根据低/高压侧储存装置中CO_(2)状态的不同,可将压缩CO_(2)储能技术的储存方案分为七种:气态-超临界状态CO_(2)储存、气态-液态CO_(2)储存、超临界态-超临界态CO_(2)储存、液态-超临界状态CO_(2)储存、液态-液态CO_(2)储存、吸附态-液态CO_(2)储存和吸附态-超临界态CO_(2)储存。(3)在未来压缩CO_(2)储能的技术开发上,主要着重于气态-液态CO_(2)储能技术、液态-液态CO_(2)储能技术,前者可以充分发挥其高循环效率、系统结构简单优势,后者可以发挥其高储能密度优势。(4)在面向压缩CO_(2)储能技术多元化发展方面,一是推动“可再生能源+压缩CO_(2)储能”模式,实现可再生能源的持续平稳供电,辅助电网运行,减少弃光弃电现象;二是深入研究基于压缩CO_(2)储能技术的集成系统,通过耦合喷射器制冷循环、有机朗肯循环等实现CO_(2)的冷凝以及余热再利用,提高系统性能和能量利用率。目前,已完成的压缩CO_(2)储能验证项目还很少,应加快CO_(2)储能技术发展,实现由理论到实践、由概念研发到项目示范、再到大量推广。

陆地生态系统土壤CO_(2)排放对模拟增温的响应特征及影响因素

全球变暖已经成为不争的事实,陆地生态系统碳循环的研究受到了各界广泛关注,是当前全球变化研究中的重点。土壤CO_(2)排放是陆地生态系统与大气间二氧化碳交换的最大通量之一,当前陆地生态系统中土壤CO_(2)排放如何响应全球气候变暖及其影响因素仍不清楚,限制了对土壤碳循环过程及影响机制的深入认识。旨在明确全球变暖背景下陆地生态系统中土壤CO_(2)排放格局及影响因素。基于Web of Science、PubMed和中国知网等中英文期刊数据库,充分收集全球范围内的相关野外试验文献81篇,提取出65个研究位置和213组相关研究数据,采用Meta分析方法探讨陆地生态系统土壤CO_(2)排放对增温的响应特征,分析其与海拔、气候、土壤含水量、容重(BD)、pH、全氮(TN)和土壤有机碳(SOC)的相关关系。结果表明:陆地生态系统中土壤CO_(2)排放对增温整体有显著的正向响应,在农、林、草生态系统中,增温使土壤CO_(2)排放分别显著增加13.1%、18.0%、5.9%(P<0.05),森林生态系统对增温响应的正效应最强烈;增温能在短时期内促进土壤呼吸,但随着增温持续时间增加,土壤呼吸对温度的敏感性会降低,对温度变化产生适应性,从而使其对增温的响应能力减弱;响应特征受到环境因子、土壤特性以及其他试验条件等的影响,绝大多数条件下对增温表现出显著的正响应特征,不同影响因子之间共同作用、相互影响。增温通常能够改变植物生物量、土壤养分含量及微生物数量和活性,从而影响到植被根际呼吸和土壤呼吸速率。相关分析表明,海拔对土壤CO_(2)排放有显著负向影响,而年均气温、年均降水量、土壤含水量和仪器嵌入土壤深度则对土壤CO_(2)排放产生显著正向影响。这些结果对于理解全球土壤CO_(2)排放的时空变化格局有重要意义,也为准确评价全球变暖背景下土壤碳汇功能及其持续性提供理论依据。

CO_(2)与绿氢合成甲醇的过程模拟及储能性能分析

文章模拟了CO_(2)与绿氢合成甲醇的过程,提出了CO_(2)储能密度指标,研究了多个参数对甲醇储能性能的影响。研究结果表明:系统能效和甲醇能量产率随着电解水效率、单程CO_(2)转化率、电解水压力和CO_(2)初始压力的升高而升高,随着甲醇合成压力的升高而降低;CO_(2)储能密度随以上参数的变化趋势与系统能效和甲醇能量产率相反;电解水效率和单程CO_(2)转化率是敏感关键的参数;在最优组合工况下,基于甲醇高位和低位热值的系统能效分别为68.0%和59.6%,CO_(2)储能密度为6.07 k W·h/kg,能量产率为0.108 kg/(k W·h),表明以CO_(2)为原料的电制甲醇的系统能效不够理想,但储能密度优势显著。

利用光驱动的生物杂合系统实现CO_(2)转化生产化学品

太阳能作为清洁能源之一,为缓解化石燃料枯竭和温室气体排放等问题提供了一种高效、经济、可持续的解决方案.自然界中的植物和光合微生物通过自身的光合系统收集并转化太阳能,从而生产生物燃料和生物化学品.然而,由于自然光合系统存在光吸收范围相对较窄、光生电子在传输过程中易损耗等问题,限制了太阳能到化学品的转化效率.为了解决上述难题,科研人员模仿自然光合作用中的关键部分,探索构建人工光合系统,相关研究引起了广泛关注.本文通过将碲化镉量子点(CdTe QDs)与大肠杆菌(E.coli)相耦合,构建了一种光驱动无机-生物杂合系统(IBPHS),用于捕获太阳能并驱动CO_(2)转化合成高价值化学品.该系统主要由光催化模块和生物催化模块组成.在光催化模块中,通过生物合成CdTe QDs进行光能捕获,并将其转化为电子.通过敲除E.coli的Cd2+外排蛋白(ZNTA)编码基因,实现了E.coli胞内Cd2+过量积累.通过“时空耦合”方式,并借助共聚焦显微镜、高分辨率透射电镜和X射线能谱分析,确认了CdTe QDs在E.coli胞内的组装合成.利用紫外-可见分光光度计研究了光催化模块对光子的吸收能力.结果表明,光催化模块的吸收峰位于400-420 nm.利用瞬时光电流,评估了光催化模块的光生电子能力.实验发现,该模块可以产生0.07μA光电流,表明完成了光催化模块的构建.在生物催化模块中,将光催化模块产生的电子用于还原NAD+再生NADH.采用NADH生物传感器,分析了E.coli胞内NADH含量,结果表明,在蓝光照射下E.coli胞内NADH含量比黑暗条件下提高了5.1倍.在此基础上,通过表达NADH依赖型乳酸脱氢酶(LDH)将丙酮酸还原为乳酸,在蓝光光照下乳酸积累量达到了0.44 g/L,而黑暗条件下无乳酸积累,从而验证了生物催化模块的有效性.基于光催化模块和生物催化模块,进一步组装构建了IBPSH,用于驱动CO_(2)还原合成甲酸和丙酮酸.在蓝光照射下,IBPHS能够合成0.65 g/L甲酸和0.18 g/L丙酮酸,其CO_(2)利用速率分别达到51.98 mg/gDCW/h和21.92 mg/gDCW/h,超过了光合细菌.综上所述,本文利用光催化模块与生物催化模块相耦合的方式,组装构建了一种新型的人工光合系统,实现了光驱动CO_(2)还原合成高附加值化学品,为理性设计材料-生物杂合系统提供了借鉴,同时也为挖掘绿色生物制造潜力、开发太阳能化学制造平台提供参考.

基于中红外腔衰荡光谱的CO_(2)检测系统研制

^(14)C是核反应放射性流出物中最受关注的放射性核素之一,核设施产生的^(14)C主要与CO_(2)标记,因此对^(14)CO_(2)气体进行在线检测具有重要意义。本研究采用腔衰荡光谱技术(CRDS),以CO_(2)为研究对象,选取^(14)CO_(2)吸收谱线的中心波长2 209.11 cm^(-1)附近检测^(14)CO_(2)的吸收光谱。采用中红外波段量子级联激光器、光学谐振腔、合理的光路设计和气体管路设计,研制基于中红外腔衰荡光谱的CO_(2)检测系统。并采用研制的系统检测不同浓度的CO_(2)(0.5%~1.3%)进行验证。结果表明,待测气体浓度与衰荡时间的倒数之间呈线性相关,证实研制的中红外腔衰荡光谱系统可行。该系统成功实现了对不同浓度CO_(2)气体在中红外波段下的精准测量,使用中红外腔衰荡技术测量得到^(14)CO_(2)的吸收光谱。为未来激光光谱快速原位检测14CO_(2)研究提供了重要的技术支持。

两级蓄冷跨临界压缩CO_(2)混合工质储能系统特性分析

为了解决高压CO_(2)在高环境温度下难以冷凝的问题,提出两级蓄冷跨临界压缩CO_(2)混合工质储能系统。采用CO_(2)与低沸点有机工质混合的方法提高工质的冷凝温度,同时,利用两级甲醇蓄冷实现系统内部冷能循环利用。从环境性、临界温度、温度滑移、可混合性等方面确定合适的CO_(2)混合工质及其组分质量分数范围。建立储能系统的热力学分析模型,探究节流压力、高压储液罐压力、有机工质质量分数等关键参数对系统性能的影响规律,并研究系统内部能量流动规律,得到主要部件的(火用)损失。研究结果表明:随着有机工质质量分数的增加,蓄冷介质温度增加,系统安全性提高;与纯CO_(2)工质相比,系统的充放电效率和能量密度略有降低;CO_(2)/R32混合工质的充放电效率最高为62.29%,CO_(2)/pentane混合工质的能量密度最高为21.37 kW·h/m^(3)。

太阳能-余热联合驱动吸收过冷CO_(2)制冷-淡水联产系统性能分析

为了同时满足制冷和淡水的共同需求,提出了太阳能-余热联合驱动吸收过冷CO_(2)制冷-淡水联产系统(AbsCWCS),在提高CO_(2)制冷系统能效的同时可生产淡水。建立系统的热力学模型,分析了环境温度和太阳辐射强度对系统能效(COP)的影响。此外,为进一步分析气候条件的影响,选取5个典型缺水城市,对年度性能系数(APF)和年淡水产量进行了评估。结果表明:Abs-CWCS的COP和淡水产量均显著提升,与基础CO_(2)增压制冷-淡水联产系统(Base-CWCS)相比,COP提高了1.95%~41.02%,淡水产量增加了0.8~28.6倍,Abs-CWCS的CO_(2)制冷系统排气压力可降低7.86%;AbsCWCS可有效提高系统的APF,5个典型缺水城市的APF可提升3.66%,年淡水产量的提升率可达9.54%~64.62%。研究结果为同时解决制冷和淡水需求提供了可靠的解决方案。

非共沸工质CO_(2)/R1234yf商超增压制冷系统性能分析

为满足商超制冷领域系统能效提升和制冷剂替代的需求,提出了非共沸工质CO_(2)/R1234yf商超增压制冷系统,通过建立热力学模型,与纯CO_(2)商超增压制冷系统进行对比。结果表明:CO_(2)/R1234yf商超增压制冷系统可在最优的CO_(2)质量分数(0.94)及最优排气压力(8.81 MPa)下获得最大COP(1.40);CO_(2)/R1234yf商超增压制冷系统COP与纯CO_(2)系统相比具有显著提升,环境温度为35℃时,提升7.25%;CO_(2)/R1234yf商超增压制冷系统APF提升率为2.68%~4.72%,系统APF随典型城市所处纬度的增加而增大。CO_(2)/R1234yf商超增压系统(火用)效率随CO_(2)质量分数的增加呈先增后减趋势,CO_(2)质量分数为0.95时获得最高(火用)效率,为0.18,相比纯CO_(2)系统提升4.62%。

基于ZigBee的隧道CO_(2)气体监测系统的设计

在西宁至成都铁路的海东南山特长隧道的初步设计、施工阶段发现,西宁盆地白垩系砂砾岩地层中含逸散气,局部可能存在小型高压气囊,在开挖过程中可能会产生靠近高压气囊的岩体倾覆及CO_(2)气体外泄的风险。针对该问题,采用ZigBee短距离无线通信技术与传感器技术,结合GPRS无线技术,开发了一套隧道内CO_(2)气体监测系统。该系统能够实时监测隧道内的CO_(2)气体体积分数与压力,并通过无线通信技术将数据传输至监测中心。当参数在正常范围时,系统进行周期性上报;当参数异常时,系统会向负责人发送短信提示。研究结果表明:该监测系统能够有效监测隧道内的高压气体情况,确保施工安全。

液态存储跨临界压缩CO_(2)储能系统性能分析

为了深入研究能量密度高、受地理条件限制少的液态CO_(2)储能系统的性能,提出了一种新型液态存储跨临界压缩CO_(2)储能系统。该系统采用蓄能装置存储过程中产生的热能与冷能,同时利用高低压储罐以液态存储CO_(2),从而提高系统的储能效率和能量密度。对该系统进行了热力学分析与多目标优化,仿真结果表明:在典型设计工况下,蓄冷器、压缩机和膨胀机有较大的[火用]损,分别占总[火用]损的24.09%、25.40%和23.82%。参数分析表明:该系统的储能效率随高压储罐压力、低压储罐压力、泵增压、蓄热水分流比的增大先增加后减小,意味着这些参数存在最优值,但储能效率随节流阀压降的增加而减小;增加高压储罐压力、节流阀压降、泵增压或降低低压储罐压力有利于提升系统能量密度,并且存在最佳的蓄热水分流比使系统能量密度最大。此外,多目标优化结果表明,系统的最优储能效率和能量密度分别为58.79%和17.85k W·h·m^(-3)。

跨临界CO_(2)水-水热泵系统的实验与仿真研究

为提高跨临界CO_(2)水-水热泵系统的效率,根据已有实验台建立系统仿真模型,分别进行实验测试和数值模拟,通过实验数据验证仿真模型的准确性。基于制取热水的目的,模拟分析运行参数对系统性能的影响,结果表明:增大过热度可提高性能系数(COP),用户侧供水温度平均提高11.3℃;随着高压压力的增大,用户侧供水温度升高,存在最优高压压力使COP最大;增大冷冻水的流量和升高进口温度,系统的制热效率可提高约40%,但用户侧供水温度变化不大。根据实验及仿真结果,设计太阳能辅助跨临界CO_(2)热泵双蒸发器系统,可实现3种不同运行模式,能够升高冷冻水进口温度、增大系统效率。与电加热锅炉和燃气锅炉进行经济性比较,太阳能热泵分别在第5年和第7年与上述两种加热方式的总投资持平,其运行20 a的总投资分别比燃气锅炉和电加热锅炉节约39%和49%,具有明显的经济优势和实用推广价值。

充注量对冰场跨临界CO_(2)制冷系统性能的影响

为了提高冰场跨临界CO_(2)制冷系统的实际运行性能,搭建了跨临界CO_(2)制冰系统试验台,研究了在不同节流阀开度和高压压力下,充注量对系统性能的影响。结果表明:在充注量一定时,节流阀对蒸发器出口干度与过热度的调节能力有限;合适的充注量使得蒸发器出口制冷剂状态处于饱和态附近,不会出现大幅过热现象;随着充注量的增加,系统的质量流量显著增加,压缩机等熵效率略有下降,充注量每增加0.4 kg,系统质量流量增加约23 kg/h,压缩机等熵效率下降约1.1%;3种充注量下,系统均存在最优高压压力和COP,最优高压压力范围为7.9~8.3 MPa,最优COP范围为1.34~1.75;充注量为4.0 kg时的系统性能最优,在最优高压压力下,制冷量为6.5 kW,COP为1.75,稳定冰面温度为-16.5℃,制冰时间为135 min;相对于3.6 kg和4.4 kg充注量,充注量为4.0 kg的制冷量分别提高了38.3%和8.3%,最优COP分别提高了30.6%和21.5%,制冰时间节省了10.0%~15.6%。研究结果可为CO_(2)制冰系统运行与维护提供参考。