基于低品位热能能量品位提升的热化学吸附变温器储能特性研究

作     者：马良 

作者单位：上海交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王如竹

授予年度：2012年

学科分类：080702[工学-热能工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：热化学吸附 能量储存 能量品位提升 变温器 

摘      要：能源和环境问题是目前全球关注的焦点,随着人们对节能和环保的日益重视,太阳能以及工业余热/废热等低品位热能利用的新技术受到了广泛的关注。因能源利用效率较低,我国的低品位热能资源十分丰富,但是因受重视程度不够,技术能力不足等原因没有得到充分的利用,从而造成了极大地浪费。发展低品位热能的高效利用技术将成为解决能源问题的重要途径之一,但是低品位热能作为替代能源的发展仍旧面临着诸多阻碍,例如在实际使用中低品位热能因温度较低通常较难被直接利用,且能量供给与能量需求有时会出现时间上不匹配的矛盾。针对这些问题,本课题对基于低品位热能能量品位提升的热化学吸附变温器的储能特性进行了理论分析与实验研究,主要得到以下结论： （1）开展了基于热化学变压解吸技术的低品位热能升温及储能实验研究。针对低品位热能温度较低难以被直接利用的特点,提出一种基于变压解吸技术的热化学吸附储能循环。变压解吸技术以降低热化学吸附系统的外界驱动热源温度为目的,利用辅助反应盐的吸附作用通过降低加热解吸阶段主反应盐的解吸约束压力来实现再生热平衡温度的降低。所建立试验系统中主反应器内的主吸附反应盐采用氯化锰-膨胀石墨复合吸附储能材料,辅助反应器内的辅助吸附反应盐采用溴化钠-膨胀石墨复合吸附储能材料。实施变压解吸技术,利用氯化锰-膨胀石墨复合吸附储能材料实现了低品位热源的能量储存和能量品位提升。实验研究表明：当主反应器出口端的输出温度为134℃、141℃、147℃时,储热量分别为2707J、2484J、2158kJ,所释放的热量分别为2048kJ、1818kJ、967kJ,消耗的低温热源热量分别为6432LJ、6255kJ、6893kJ;储能效率分别为0.18、0.17、0.08,对应的火用效率分别为0.27、0.25、0.13。 （2）开展了基于热化学变温吸附技术的低品位热能升温及储能实验研究。变温吸附技术以提高输出温度为目的,利用热化学吸附反应盐的吸附平衡温度和压力的单变量特性,通过提高压力达到更高的吸附平衡温度。本课题利用变温吸附技术,实现了低品位热源的能量储存和能量品位提升。实验研究表明：当输出温度为40℃、50℃、60℃时,对应的储能量为2807kJ、2420kJ、1283kJ,对应的低温热源耗热量为4509kJ、3797kJ、3835kJ,对应的释放热量为2393kJ、1937kJ、964kJ;储能效率分别为0.33、0.31、0.19,对应的火用效率分别为0.32、0.32、0.20。 （3）开展了基于热化学变压解吸和变温吸附技术的低品位热能复合变温储能实验研究。提出一种基于变压解吸技术和变温吸附技术的热化学复合变温储能循环,此循环以有效提升低品位热能能量品位为目的,综合了变压解吸技术和变温吸附技术两者的优点,同时克服了两者的不足。所建立实验系统中使用两个反应器和一个储液器,主反应器中的主吸附反应盐采用氯化锰-膨胀石墨复合吸附储能材料,辅助反应器中的辅助吸附反应盐采用溴化钠-膨胀石墨复合吸附储能材料,储液器中储存液氨。首先在储能阶段采用变压解吸技术降低驱动热源温度,通过热能向化学吸附势能的转化实现低品位热能的储能,在释能阶段通过采用变温吸附技术实现低品位热能能量品位的提升,通过化学吸附势能向热能的转化实现向外界的热能提供过程,实现了低品位热源的高效利用。试验中,储能输入热量为7165kJ,低温热源加热辅助反应器消耗热量为6489kJ,低温热源加热储液器消耗热量为5304kJ,释能输出热量为5705kJ,其储能效率为0.3,火用效率为0.39。 从储能密度的角度考虑,大多数热化学吸附储能吸附盐的理论储能密度在800kJ/kg以上,而一般显热储存储能密度（20℃温差）仅为20-80kJ/kg,相变储能单位质量储能量为80-220kJ/kg。可以看出,热化学吸附储能的储存密度远远高于显热和相变储存,拥有良好的发展前景。相对于传统储能技术,该技术具有能量品位提升、可调节输出温度、储能密度大等优势,在实现低品位热能能量高效储存的同时,还可实现低品位热能能量品位的有效提升。