太阳热能驱动的“热-电”循环工作特性研究

摘要

盐差能是指不同浓度溶液间所具有的化学势能。自然界中的盐差能主要存在于流入海洋（或盐湖）的河水与海（盐）水之间的盐差。利用自然界盐差能时通常采用开式循环，但是自然界中海水与河水中含有较多杂质，对盐差能利用较为不利。基于膜技术将盐差能转换为电能的方法主要有PRO（渗透压）和RED（逆电渗析）。目前，国内外对于RED技术的研究尚不充分，RED技术的发电功率和能量转换效率仍有较大的提升空间。本课题组提出一种以RED技术为基础，利用太阳能作为驱动热源，通过低温多效蒸馏技术和RED技术实现“热－电”转换的新方法。该方法可以实现稀、浓溶液在系统内部的闭式循环，从而避免利用开式RED循环带来的杂质污染问题。 由于本课题组对太阳能低温多效蒸馏系统已经进行过研究，本文主要针对RED装置进行优化。由于RED装置内存在电势损失，多电堆系统可以有效提高RED系统的发电功率和能量效率。因此，本文的工作主要有包括以下三个方面： 第一，建立RED电堆数学模型，探讨顺流、逆流流程下流道总长、溶液流速和电堆数对多电堆系统内各电堆的主要输出参数和系统能量转换效率的影响。 第二，探讨电流对多RED电堆串联电路输出参数、能量效率的影响。 第三，结合本课题组太阳能低温多效蒸馏系统数值模拟研究，计算“热-电”转换系统的能量效率。 结果表明，在设定参数下，随流道总长增加、溶液流速降低，多RED电堆电路中各电堆的输出电压和功率密度逐渐降低、输出电流逐渐增加。沿稀溶液流动方向多电堆系统内各电堆的输出电压和功率密度逐渐降低。受溶液电阻和IEMs跨膜电动势相互关系的影响，多电堆系统内各电堆输出电流变化趋势较为复杂。 降低溶液流速，增加流道总长和系统包含的电堆数均能提升RED系统的发电效率。顺流系统发电效率低于逆流系统，但增加电堆数可以缩小二者的差距。多电堆串联系统在增加输出电压和功率密度的同时其总内阻随之增加，导致系统输出电流变化对输出电压和电堆功率密度的影响增大。系统的能量效率随电流增加呈抛物线趋势，当能量效率达到最大值后，再随电流增加，一方面发电效率逐渐降低，另一方面欧姆损失大幅增加。 计算得到“热-电”转换循环的效率较低。未来可通过增加LT-MED系统效数、选择电导率更高和汽化潜热更小的工质提高系统循环效率。

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