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[博士论文] 周知
计算机系统结构 华中科技大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,随着云计算产业的蓬勃发展与日益普及,其核心支撑系统—数据中心也在全球范围内得到了大规模的建设和运营。这些部署在全球不同地区的跨域数据中心的能源消耗正在不断攀升,并引发了高昂的能耗成本与大量的二氧化碳排放。在当前云计算市场竞争日益激烈、全球能源资源日益紧张、气候环境日趋恶化的背景下,如何高效管理跨域数据中心的能效这一问题已经引起了各国政府、大型企业及研究机构的高度关注。
  为了应对上述问题,当前的研究主要通过降低数据中心能耗来促成节能减排的效果。然而,对跨域数据中心而言,由于电力能源的碳排放率在时间和空间两个维度上存在动态差异性,因此节能并不意味着减排,这表明能耗与碳排放需要被协同优化。为了进一步降低数据中心碳排放,可再生能源已经被广泛应用于数据中心供能,然而,对于燃料电池这一新兴可再生能源而言,如何在跨域数据中心最大化发挥其能效优势仍然是一个开放性前沿问题。此外,在降低能耗成本这一方面,能源市场的需求响应机制为数据中心带来了新的机遇,然而如何设计高效的需求响应机制来促进跨域数据中心的参与是能耗市场急需解决的问题。最后,随着大数据时代的到来,数据中心间大量频繁的数据移动使得数据中心间异构广域网成为了新的能效瓶颈,广域网络能效管理的重要性已日益凸显。针对上述新的机遇与挑战,所提出细粒度能效管理方案将跨域数据中心的能效管理从“能耗――性能”的二维范畴扩展到“能耗――碳排放――性能”的三维范畴,并分别从能耗与碳排放的协同优化、新兴可再生能源的高效利用、能耗市场的经济激励机制和数据中心间广域网络效能优化这四个切入点针对跨域数据中心的能效管理问题展开了研究,具体包括以下四个方面。
  基于碳排放感知的跨域数据中心在线优化体系。针对若干代表性云服务商如Google、Microsoft、Facebook等运营的跨域数据中心进行的电价与碳排放实证分析揭示,跨域数据中心的能耗成本与碳排放这两个目标相互冲突。这一规律表明,对于跨域数据中心而言,其碳排放应该通过优化利用二氧化碳在全球不同区域产生率的时空差异性来进一步被降低。为了权衡上述两个目标,综合考虑云服务的能耗成本、响应时间与碳排放之间的多路平衡优化模型被建立。进而,运用理论严密的李雅普诺夫优化方法设计并分析了基于碳排放感知的跨域数据中心最优在线控制体系,具体包括:(1)跨域数据中心之间的负载均衡策略;(2)各数据中心内部的服务器状态调度策略;(3)服务器CPU计算速率的动态控制策略。该在线控制体系不仅能够最小化云服务的长期能耗成本,而且能够在满足云服务的实时响应性能需求的前提下,确保云服务的长期碳排放总量处于给定减排目标范围之内。
  燃料电池在跨域数据中心的优化利用机制。基于可再生清洁能源的燃料电池目前正越来越广泛地应用于大规模数据中心的供能方案。然而,燃料电池究竟能为云数据中心带来多大的优势以及如何真正发挥其优势,仍然是数据中心面临的开放性问题。为了量化建模了燃料电池为地理分布式云服务带来的优化空间,并揭示了如何智能协同燃料电池和传统电网以达到能耗成本、碳减排、负载性能的多目标共赢,能够统一权衡和量化评估云运营商在能耗成本、碳排放以及响应时间三个关键方面综合效能等级并考虑燃料电池的多目标云服务能效指标UFC(Utility of Cloud Using Fuel Cells)被提出。UFC最大化问题被建模成一个包含燃料电池输出量和地理负载分发决策两方面变量的凸优化问题。为了克服集中式控制算法高复杂性和低扩展性的不足,所提出的优化策略运用交替方向算子法设计了新颖的分布式控制算法来求解上述UFC最大化问题。
  面向数据中心与智能电网协同合作的需求响应拍卖机制。为了有效激励跨域数据中心最大程度地发挥需求响应潜能,从而促进跨域数据中心与智能电网的双赢局面,面向跨域数据中心与智能电网协同合作的需求响应拍卖机制被提出。该机制首先建立了综合运用两种典型需求响应策略,即前端交互式作业的跨域负载均衡以及后台批处理作业的灵活调度的拍卖模型。不同于传统的虚拟机拍卖或频谱资源拍卖等模型,需求响应拍卖模型中竞价者的估值函数天然地不满足单调性条件,这使得近年来提出的拍卖机制均无法应用。为此,所提出的新机制通过Vickrey–Clarke–Groves方法计算每个区域电网的实际支付,从而确保拍卖机制的激励相容性。为了克服集中式求解算法高复杂性和低扩展性的瓶颈,所提出的新机制运用凸优化理论中的邻域雅可比交替方向算子法,设计了新颖的分布式算法来求解各个区域电网的实际支付。
  面向跨域大数据处理的广域网络效能优化机制。不同于传统的计算密集型应用,跨域大数据处理这一网络传输密集型新兴应用的性能与成本(含能耗成本、带宽成本)主要在于数据中心间的网络传输,而非数据中心内部的计算,并且其性能与成本这两个目标之间存在折衷的关系。平衡优化上述两个目标需要求解一个综合考虑数据放置与任务放置的随机NP难问题。对于这一难题,所设计的调度器Mensa通过感知广域网带宽异构性来协同优化数据与任务放置,Mensa兼顾性能与成本,即同时最小作业的响应时间和跨域数据传输量。通过对数据放置和任务放置分别设计离线的启发式算法和在线的贪心算法,Mensa能够高效近似求解上述随机NP难问题。其中,优化任务放置的在线贪心算法具有可证明的性能保障,即能够保障最差情况下的中间数据跨域传输的延迟和数据传输量。
[硕士论文] 赵慧
控制工程 长安大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,可再生能源作为节约传统能源、实现能源可持续发展的有效途径,在建筑中广泛应用。可再生能源利用系统能效的高低是衡量其利用是否合理的重要指标。本文主要研究建筑中可再生能源利用系统的能效监测与评价方法,制定提高能效的优化控制策略。
  通过分析建筑内太阳能热水系统、太阳能光伏发电系统以及地源热泵系统等可再生能源利用系统的能效影响的因素,研究可再生能源利用系统的能效监测与计量需求,提出可再生能源能效监测系统的设计方案和相应的优化控制策略,结合《可再生能源建筑应用示范项目测评导则》等标准并参考业内相关专家意见,建立了基于层次分析法的可再生能源能效评价体系,并对可再生能源利用系统的能效监测与评价进行了软件实现。
  具体研究内容如下:
  ⑴通过对建筑内可再生能源利用系统的能效监测要素分析,根据《可再生能源建筑应用示范项目数据监测技术导则》等相关规范,提出各子系统的监测需求及计量需求。
  ⑵根据可再生能源利用系统监测与计量的需求分析,设计可再生能源监测系统的监测与计量方案,并以提高能效为目的,研究了可再生能源利用系统的控制策略。
  ⑶结合《可再生能源建筑应用示范项目测评导则》等标准,依据层次分析法确定评价体系指标,应用专家调查法,对评价指标施予权重,建立可再生能源系统能效评价体系,确定建筑的能效等级。
  ⑷将可再生能源利用系统的监测、计量及评价集成到软件平台中,分析了软件平台的集成结构、开发环境及数据库设计,完成对可再生能源利用系统各个组态监测与评价的功能设计及界面设计,通过该平台可直观显示可再生能源利用系统的监测数据、能效详情、评价结果及建筑能效评级。
[硕士论文] 钱阳志
动力工程 东南大学 2017(学位年度)
摘要:“十二五”规划要求2015年建成天然气分布式能源项目1000个,截至2015年12月,全国已建、在建及筹建项目只有288个,远不足“十二五”规划的数量。主要原因在于:设计往往不能统筹供需平衡,导致能源站容量偏高,能源站常常处于低负荷运行。本文对医疗城的能源站(BCHP)系统在负荷需求分析的基础上进行设计与研究。
  首先,本文分析了几种负荷计算模拟方法优缺点,研究了医疗建筑负荷(包含蒸汽、热水、采暖、冷负荷、电负荷)特征和负荷的影响因素,在对几种负荷需求分析方法的对比之后,选择建筑能耗模拟软件Energy plus作为负荷需求的研究工具。
  然后,利用Energy plus对同类型建筑物(南京江宁铜山医院)进行负荷需求模拟,模拟结果与其实际运行状况进行对比分析。利用正交实验设计法分析用户侧负荷需求的影响因素,找出影响负荷敏感因素,新风>人员密度>窗墙比>设备>体型系数>维护结构>照明。
  其次,考虑影响负荷的敏感因素的“模拟+修正”法对在建的浦口医疗城工程项目进行模拟,得出全年逐时冷热电负荷并进行分析。“以热定电,热电平衡”原则,采用非线性规划最优化方法,以年运行能源费用最低为目标函数,得到年运行费用为1846万元的2台1200kW燃气内燃机+2台制冷量2000kW,制热量1500kW余热溴化锂机组+2台3000kW电制冷机+2台3200kW燃气锅炉的优化配置方案。再与可行性研究报告中两种方案进行对比分析,确定优化方案可行。
  最后,研究系统节能率与一次能源利用率、热电比及发电效率之间的关系式,验证了分布式能源站节能。研究能耗费用与电价、气价比之间关系,验证了能源站经济。建立敏感性数学模型,结果显示气电价是项目盈亏的关键因素,气电价一定的条件下,提高年运行小时和电效率(负荷率)是保证项目经济性的关键。基于南京市峰谷电价条件下,对分布式能源站进行运行策略分析,结果显示系统在峰平段运行盈利,谷段亏损。
[硕士论文] 周力
控制科学与工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:当前,能源系统主要依靠化石能源支撑,是一种不可持续且利用率低下的能源体系。另一方面,人类对能源的依赖程度也越来越高。因此,当前能源体系亟需向着分布式可再生能源方向转变。互联网技术与能源技术的融合形成能源互联网是未来能源变革的趋势。信息处理与分析技术、能源的生产、传送、存储等技术的快速发展,将促使能源互联网向着智慧的网络结构演变。因此,能源互联网的构建必将为我们提供一个稳固的能源供给体系。
  与传统互联网类似,能源互联网中使用能源路由器作为各个能源子网、能源负荷、储能单元等的接入口。因此,构建以能源路由器为核心器件的能源互联网将是能源架构演变的重要过程。能源路由器具备能源分配、调节、调度、管理等功能,为能源网络的安全、稳定与可靠性提供保障。本文根据能源路由器在能源互联网中使用的具体位置,将其分为两大类:①大型能源路由器;②小型能源路由器。由于文章篇幅有限,本文仅对小型能源路由器进行分析与设计。
  本文将小型能源路由器分为三个部分:①固态变压器;②控制系统;③智能接口。在固态变压器部分,本文的研究重点主要集中在其结构设计与控制策略方面。固态变压器由级联输入级、隔离级、输出级三部分组成。本文采用小信号模型理论对固态变压器的输入级与隔离级进行建模,并采用闭环控器对其进行控制,使得固态变压器能够快速、无静差的追踪给定信号。在能量的协调与管理方面,本文提出了主目标优先的分级控制策略,该策略可以保证能源路由器在稳定运行的情况下,提高能量的利用率,使能源的分配更加合理。与传统互联网类似,能源网络中也存在传输“拥塞”与网络结点利用“不均衡”问题,因此,本文将能量与信息流结合在一起,利用传统互联网中解决上述网络问题的方法,研究与设计了能源网络中能量与信息流的拥塞控制策略与均衡路由控制策略。本文的第五章对上述设计模型与控制策略进行了仿真与物理实验验证及分析。
[博士论文] 陈娟
技术经济及管理 华北电力大学;华北电力大学(北京) 2017(学位年度)
摘要:化石燃料的枯竭及其长期以来大规模使用所引发的全球气候变化问题,使以能源新技术和信息技术深入结合为特征的能源互联网,被认为是未来解决能源危机和环境危机问题的关键所在。分布式能源系统被作为能源互联网的原型,在许多发达国家已有相当的规模和广泛的应用领域。我国正处于工业化中后期,未来建筑能耗超越工业能耗将成为城市的主要能耗,而城市中普遍出现的空间紧凑和功能集中的区域,成为能源消费和温室气体排放的主要载体。因此,在能源互联网背景下,研究我国区域分布式能源系统的规划问题,构建绿色低碳、适应气候变化,具有良好经济性和环保性的区域分布式能源系统,实现区域用能效率的提高,具有着重要的理论意义和实际应用价值。本文在能源互联网发展背景下,对影响分布式能源系统规划的因素、负荷预测、系统建模与优化、区域能源站网布局进行了研究,并设计开发了区域分布式能源系统规划决策支持系统。本文主要工作如下:
  (1)界定了区域分布式能源系统的内涵及区域指向,对能源互联网发展下的区域分布式能源系统的低碳化、柔性化、能源互联网属性、综合能源系统特征进行了分析。区域分布式能源系统规划将通过用能需求、系统构建、配置优化、管网优化的规划环节落实系统的产能、用能、输能、蓄能、节能过程,并通过设计能源输送网络、能源信息传输网络,以及能源设备物联网,实现区域能源互联网的架构。
  (2)分析了影响系统规划的气候、资源、环境、社会发展、区域功能、系统综合价值等因素。采用聚类方法对区域分布式能源系统的气候适应性和太阳能可利用性进行了区划;提出了分布式能源系统规划的能源互补理念;探讨了区域分布式能源系统规划的碳排放和空气环境压力;从宏观经济、城市化进程、政府优惠政策、系统自身价值等方面探讨了系统规划的经济、社会、政策环境影响。
  (3)利用SketchUp Pro、EnergyPlus、Openstudio的结合,实现区域单体建筑的冷、热、电逐时负荷预测,并从区域整体能源供需角度出发,运用同时利用系数得到区域整体冷、热、电负荷,避免简单叠加可能产生的负荷预测误差过大的问题,并通过仿真算例验证了方法的准确性与可靠性。
  (4)提出了基于多智能体系统MAS的区域分布式能源系统信息物理融合模型,即由电力网络、供热网络、供冷网络和信息网络耦合而成的区域能源互联网架构。系统模型利用MAS的能量管理功能,从而保证了系统内各能源供应设备之间、设备与负荷之间控制运行的协调性、可靠性、安全性和有效性。同时,模型设置了能源管理Agent和路由Agent,以实现区域能源互联网未来的能源调度与信息协调,并设计给出了一种结合元胞自动机机(CA)的能源路由结构。
  (5)构建了基于决策和系统配置的区域分布式能源系统双层优化模型。决策优化层由影响系统规划决策的社会、环境、资源等宏观因子构成;系统优化层由影响系统容量优化的经济与环保目标因子、能量均衡约束因子和多目标遗传优化算法因子构成。结合区域分布式能源系统的孤岛运行和并网上网运行模式进行了算例的仿真实验,验证了双层优化模型的可行性和合理性。
  (6)给出了区域分布式能源系统规划中站网布局的能距概念,即供需能源结点之间管网建设费用的年值;建立了基于能距的P中位站网布局模型;提出了区域分布式能源系统规划的定址布网算法。仿真算例验证了所提出模型与算法在确定区域能源站数量、选址和储能中心位置的同时,给出了能源站与储能中心、负荷中心之间的能源输送管网最优路径,站网布局实现了总能距最小。
  (7)设计并实现了区域分布式能源系统规划的决策支持系统(RDES-DSS)。决策支持系统以数据库、模型库、方法库和知识库为基础,融合了论文构建与提出的能源系统规划相关模型和优化算法,实现了系统规划的因素分析、负荷预测、系统优化、布局优化等各个功能模块的应用。结合实际案例,进行了区域分布式能源系统的完整规划和决策支持系统功能的展示。
[硕士论文] 王珺
电气工程;电力系统及其自动化 东南大学 2017(学位年度)
摘要:随着社会的不断发展进步,人类对于能源的需求不断增大,而石油、煤炭等传统化石能源日渐枯竭,发展环境友好的可再生能源、提高能源利用效率是当今世界共同关注的焦点。综合能源系统(Integrated Energy System,IES)可实现能源的梯级利用、多能源协调互补,是解决能源危机、缓解环境压力的首要选择。目前,关于综合能源系统的研究多是针对独立型冷热电联供系统(Combined Cooling Heat and Power,CCHP)的研究,而独立型CCHP系统的用户品种单一,用能时间集中,这就不可避免的导致系统能效低,容量浪费等问题。另外,目前研究重点多在生产及消费环节,传输环节鲜有涉及。因此,为推进综合能源系统能量优化管理研究,本文完成了以下工作:
  (1)综合能源系统分布式单元建模
  研究了综合能源系统中的可再生能源设备、联供设备、储能设备、制冷设备以及辅助设备的运行特性,并建立了相应的数学模型,为综合能源系统能量优化管理奠定重要基础。
  (2)冷热电联供系统两阶段优化研究
  冷热电联供系统作为综合能源系统中的典型应用已较为成熟,同时,随着智能电网的发展,需求侧响应也得到迅速发展。基于此,论文提出了考虑需求侧响应的冷热电联供系统两阶段优化模式。供能侧以冷热电联供系统结合电网联合供能,第一阶段以冷热电联供系统运行费用最低为目标优化机组出力,第二阶段用户侧根据冷热电联供系统机组出力及电网实时电价,结合需求侧响应优化负荷分布以最小化购能费用。两阶段优化可实现供能侧与需求侧的双赢。
  (3)考虑热惯性的综合能源系统优化研究
  论文为建立综合能源系统中热网与热负荷模型,实现综合能源系统源网荷的纵向融合,研究了供热系统中的热惯性,建立了热网传输时延模型及房屋蓄热模型。基于此,提出了考虑热惯性的综合能源系统优化模型,以吉林省某一实际供热区域进行仿真,仿真结果证明了利用供热系统热惯性可有效提升系统运行经济性,显著降低凌晨及夜间时段弃风量。
  (4)多区域综合能源系统协同规划研究
  为打破现有的单区域独立运行导致的系统能效低下、容量浪费等问题,发展多区域协同规划、联合运行的综合能源系统,论文首先建立了各区域之间的热网模型,实现区域综合能源系统之间的热能交互。其次,结合热能交互平衡约束建立了多区域综合能源系统协同规划模型。最后以天津市某一综合区域进行仿真,仿真结果表明多区域综合能源系统协同规划能够有效解决独立规划时存在的能源利用效率低,容量浪费等问题。
[博士论文] 付鹏
动力工程及工程热物理;热能工程 华北电力大学;华北电力大学(北京) 2017(学位年度)
摘要:能源,尤其是电力,是国家经济的基础和命脉。我国燃煤发电长久以来占据总发电量的百分之七十以上,目前已确立了超(超)临界高参数大容量机组的未来火电主力地位,其能耗水平已经达到世界一流水平。然而,随着化石能源的消耗加剧与环保要求的日益严格,我国对大型燃煤发电机组的深度节能的需求日益迫切,“十三五”电力规划已对我国火电发电行业的煤耗与污染物排放提出了新的要求。在此背景下,针对大型燃煤发电机组的节能诊断研究必将在火电产业的节能降耗中起到至关重要的作用。
  本研究着眼于大型燃煤发电机组,进一步发展了能量系统过程节能分析方法。综合考虑机组能耗在时空维度上的变化特性,提出了大型燃煤机组降耗时空效应的概念。在此基础上,开展了一系列大型燃煤发电机组节能诊断方法的研究。全面揭示了机组部件性能发生衰退时系统能耗的耦合机理;详细分析了火电机组运行时能耗在各部件之间的耦合规律,以及能耗与多变边界条件的依变关系;研究能耗分析理论方法,表征和确定超低排放能耗基准状态,得到机组降耗时空效应,并在此基础上,开展节能诊断方法与负荷优化分配应用,为大型燃煤机组的评价、改造和优化提供了可靠的方法论和实施手段。
  首先,应用先进(炯)分析的思想方法,改进了基于热力学第二定律的单耗分析方法,将部件的附加单耗分解为内因附加单耗和外因附加单耗。其中,前者是由部件自身的不可逆性引起的,而后者是由其它部件的热力学缺陷造成的。改进后的单耗分析方法能够描述燃煤机组的空间能耗水平。在此基础上,结合大型燃煤发电机组在不同时间所处的复杂多变边界条件,提出了降耗时空效应概念,量化计算和评价燃煤发电机组的能耗水平,作为进一步节能诊断工作的依据。
  其次,根据降耗时空效应的概念,结合能量系统节能诊断方法,进行了三方面的研究应用:(1)提出了基于改进单耗分析的燃煤机组部件性能诊断方法,采用一种新型的内部(炯)指标快速定位故障部件,随后对比实际状态与参考状态的内因附加单耗差异,以量化部件故障的影响,可有效地侦测部件的性能衰退状况,为可能的部件故障预警提供理论依据;(2)在大型燃煤发电机组部件性能诊断的基础上,考虑到大型火电机组在运行过程中会面临复杂多变的边界环境,本文使用多维度、完备性的运行与结构数据,提出了综合考虑火电机组时空因素的“能耗基准状态”,并计算分析相应的降耗时空效应进行机组流程重构分析,提出可行的火电机组节能措施;(3)针对大型燃煤发电机组运行过程中所处的复杂边界条件,详细分析了边界条件(负荷、冷却水温度和煤质因素)的特点,以及边界条件与火电机组间的传热机理,并探索了能耗基准状态与边界环境的变化规律。
  最后,基于降耗时空效应对大型燃煤发电机组进行节能诊断,将诊断结果分别应用于考虑边界条件和污染物排放的燃煤电厂厂级负荷优化分配问题中。基于火电机组的海量运行数据,引入大数据分析方法,获得机组不同边界和运行工况下的能耗特性;另外,综合考虑经济和排放因素,建立基于物理信息融合的负荷分配模型,得到机组煤耗和污染物排放量物理模型与信息模型的对应关系;以此为基础开展的厂级负荷优化分配可有效降低火电厂的供电煤耗率,对火电机组的节能发电调度具有参考意义。
  结合实际设计的更多约束,所形成的方法论有潜力切实地服务于大型燃煤发电机组的运行诊断、设计优化或改造,以提出具体可行的运行策略和改进方案。
[硕士论文] 唐杰
电气工程 华北电力大学;华北电力大学(北京) 2017(学位年度)
摘要:本论文在分析国内外宏观经济监测预警研究的成果上,对政府能效监测预警进行了研究,并运用预警理论和国网“一库三中心”数理分析平台提供的数学分析工具,研究建立基于“一库三中心”的政府能效监测预警体系和模型,论文收集了大量的泰州地区统计数据,进行了实证分析,同时根据分析预测结果,可向当地政府提供政策建议。文中涉及的主要内容如下:
  (1)阐述节能减排工作的重要意义,强调开展节能统计监测预警的必要性和紧迫性。在广泛进行文献调研的基础上,论述了国内外经济预警理论和模型的研究情况、能源领域的研究进展情况,根据我国和泰州能源统计工作的实际,选取KLR信号灯模型作为本文的建模基础,研究建立泰州地区基于“一库三中心”的政府能效监测预警体系构建。
  (2)分析单位GDP能耗及其变化影响的因素。通过对影响单位GDP因素的分析,在现有统计报表制度的基础上,挑选出其中最活跃、最敏感、最易于监测的指标,初步建立能效监测预警指标体系。指标体系设置了能效消费构成预警指标、地区产业结构预警指标和能源消费总量预警指标这三大类指标。
  (3)建立基于KLR信号分析法的预警模型。主要包括阈值的计算、权重的确定以及警限分值的确定这三个方面内容,根据各项监测指标的重要性设置对应分值,并通过监测指标计算出综合得分。通过对综合得分进行预警提示,对应于绿灯、黄灯、橙灯和红灯四个灯区,得出无警、Ⅰ级预警、Ⅱ级预警和Ⅲ级预警这四种预警结果。
  (3)模型评价以及预测预警。首先利用近两年泰州地区实际数据,对上述构建的能效监测预警模型进行评价,得出所构建模型是否具有实用性。其次在完成模型评价的基础上,利用“一库三中心”对于数据进行预测的强大功能,结合预警模型,对未来3个月的监测指标计算出综合得分,从而得到具体信号灯模型。最后,利用所得到信号灯模型以及各月各指标的单项得分,对未来可能发生的能效危机进行提醒,做到防患于未然。
[博士论文] 王华荣
动力工程及工程热物理;可再生能源与清洁能源 华北电力大学;华北电力大学(北京) 2017(学位年度)
摘要:在将节能贯穿于整个经济社会发展全过程和各领域的中国基本能源政策的政策背景下,如何提高能源效率,尤其是将能源消耗过程中低品位余热资源转换为方便、灵活的电能成为科学和工程界的广泛关注的焦点。有机朗肯循环系统以其工质蒸发温度较低和维护保养要求低的优点为解决大量低温余热资源回收问题提供了较佳的选择。本文在有机朗肯循环热力学反问题研究的基础上,研究了八种有机工质循环的热力性能。从循环热力性能、经济性能和环境性能三个方面出发,创新性的构建了多目标参数优化模型,对循环进行优化设计,改善了联合应用系统的能源利用率,提高了有机朗肯循环性能和循环的适用性。依据此优化模型,将优化设计的耦合热源的有机朗肯循环引入我国具有广阔应用前景的水泥工业的余热利用,明确了有机朗肯循环在该领域的应用前景,为我国的工业领域能源节约提出了很好的技术选择。
  本文在对有机朗肯循环热力学模型、热力计算分析的基础上,基于热力学反问题,选取了R114、R245fa、R245ca、R123、R601、R11、R141b和R113八种不同有机工质进行热力性能实验,研究发现不同工质循环的热力性能不同,以R123为运行工质的循环热效率最大,受到工质临界温度和蒸发器窄点温差的约束,不同工质的最大蒸发温度不同。循环热效率随着蒸发温度的升高而增大,提高冷凝器的冷凝效果可以提高循环热效率。实验结果符合作者所在实验室提出的临界温度工质筛选准则,并用积分温差的概念进一步解释了临界温度和循环热效率的关系。
  在模型构建方面,本文充分吸收了全生命周期评价方法“从摇篮到坟墓”的环境影响负荷理论,将热源根据工况条件分为固定参数热源和波动参数热源两类,以循环输出净功、(炯)效率、投资回收期和环境影响负荷作为目标函数,以蒸发温度和冷凝温度作为决策变量,最大化循环输出净功和(炯)效率,最小化投资回收期和环境影响负荷,从热力性能、经济性能和环境性能三个方面构建了确定性多目标优化模型和不确定性多目标优化模型两类多目标优化模型。采用智能优化算法遗传算法、神经网络和遗传算法相结合的算法分别对两类模型进行了求解,并对最优化结果进行比较分析。研究发现,一是热源参数波动较大时,确定性优化的系统性能波动明显大于不确定性优化的系统性能,不确定性优化后的系统性能更加稳定,可以降低对系统设备的要求;二是将热源参数不确定性变化引入循环优化设计中,不再需要对热源参数的变化进行系统敏感性分析,简化了优化设计过程。
  利用此优化模型,本文将有机朗肯循环引入我国应用规模最为普遍的4000吨/天的新型干法水泥生产线余热回收领域,以水泥生产线的窑头冷却机220℃的余热作为有机朗肯循环的热源,选取五种不同有机工质hexane、isohexane、R601、R123和R245fa作为循环的运行工质,对耦合热源条件的循环进行优化设计,使用净现值和投资回收期对联合应用的经济性能进行了评估,使用全生命周期评价方法对联合应用系统进行了环境性能评价。研究发现,水泥工业余热利用中引入此种优化的有机朗肯循环完全可行,可高效的回收余热,有效提升能源效率。且五种工质中,R601作为运行工质的循环有最好的经济性能和显著的气体减排性;引入有机朗肯循环之后的联合应用系统有很好的经济性能和显著的环境性能;若增大有机朗肯循环的规模,循环的经济性能会进一步提高。
[硕士论文] 范卓
机械工程 武汉科技大学 2017(学位年度)
摘要:零件加工过程中存在能源消耗大、能源利用率低的问题,节能潜力很大,加工能耗预测不仅是能源精细化管理的基础,还为节能技术的研究提供数据支持。依托国家自然科学基金“基于工件能耗属性的制造系统能效提升方法研究”(编号51275365)和国家高技术研究发展计划(863计划)“典型机床绿色生产工艺技术评估及应用支持系统研究”(编号2014AA041504)对工件能耗属性及加工能耗的研究,本文提出利用零件特征实现加工能耗预测的方法,以回转体零件为对象对该方法进行研究。主要内容如下:
  在分析零件特征与加工能耗关系的基础上,提出通过历史能耗数据预测加工能耗的方法,引入实例推理技术,建立回转体零件特征模型,并确定“回转体零件特征提取-实例推理预测加工能耗”的研究路线。
  为了更便利的获取零件特征信息,选用Pro/E作为回转体零件特征提取的平台,分析比较Pro/E各二次开发工具的特点,确定使用Pro/Toolkit二次开发工具。在深入分析回转体零件特征、Pro/E设计特征以及特征数据类型关系的基础上,采用基于痕迹的特征识别方法,通过特征数据类型匹配设计特征获取零件特征模型,分析了特征提取的流程。
  结合零件加工过程,对回转体零件特征进行实例的表示,提出回转体零件特征相似度的计算过程,以及采用指数平滑法以实例相似度代替时间序列修正能耗的方法,构建基于回转体零件特征的加工能耗预测过程模型,并以某主轴为例说明该方法的有效性。
  结合回转体零件特征提取与实例推理预测加工能耗的过程,开发回转体零件加工能耗预测系统,对系统的框架、功能模块、工作流程和交互性界面设计进行阐述。
[硕士论文] 李珍
控制工程 山东大学 2017(学位年度)
摘要:冷热电联供型微网的发展是分布式新能源发电的必然要求,为分布式电源有效利用和大规模接入的电网,同时提升电网电能质量和满足用户多种用能需求提供了解决方案。而压缩空气储能系统具有冷热电联供特性,对于接入CCHP微网具有独特优势。本文搭建含压缩空气的复合储能系统,为冷热电联供型微网提供一种兼具储能容量和储能密度、环境友好且能实现能量梯级利用的储能方式。
  本文首先对蓄电池和超级电容的储能特性做了简要分析,在压缩空气储能模块的结构设计方面,加入换热模块,实现多级回热,既避免了储能系统对化石燃料的依赖,又提升了系统储能效率。然后,设计了三种储能方式结合的复合储能系统整体结构。复合储能系统的构建,为CCHP微网提供了一种大容量、快速响应、长寿命、高可靠性且满足多种能量需求的储能方式。
  压缩空气储能系统本身是一个涉及多种能量形式互相转化且结构复杂的系统。本文在压缩空气储能系统热力学分析方面,将系统分为压缩、换热、膨胀等主要环节进行分析,研究多种能量形式的转换和各个环节能效。系统冷、热、电三种能量形式相互独立又互相影响,其分配方式会直接影响系统的综合效率,所以需要在不同工况下,根据用户对冷热电的不同需求,对系统能量进行有效管理。
  复合储能系统研究的重点是能量管理和控制策略。本文将充分考虑冷热电梯级利用,提升系统综合效率。在控制策略上,采用主动储能形式,首先采用最优裁剪学习机法对分布式能源发电功率进行多时间尺度预测,并根据微网调度功率确定储能目标功率,然后通过经验模态分解(EMD)法,结合风机功率、冷热电负荷、各储能单元效率、容量配置成本、SOC等约束,对压缩空气储能、蓄电池、超级电容三种储能方式目标功率进行分配。在得到压缩空气储能目标功率后,根据微网对冷热电动负荷情况,对系统进行有效能量管理,以此提升了复合储能系统综合效率,且尽可能的满足了用户对不同能量形式的需求。
  最后,在复合储能实验平台的监测与控制方面,设计了基于LabVIEW和MATLAB联合的上位监控系统。实现了系统的实时监测,并将控制策略转换为实时控制信号,对复合储能实验平台进行了有效的能量管理。
[硕士论文] 龙伟月
供热、供燃气、通风及空调工程 西南交通大学 2017(学位年度)
摘要:相变储能技术作为解决能量供求在时间和空间上不匹配的有效手段,被广泛研究和应用于电力调峰、建筑节能、工业余废热回收及太阳能储能系统等领域。储能系统的核心是储能单元,因此掌握储能单元的相变机理与传热特性,是设计与优化储能系统、实现相变储能技术的广泛应用的重要前提。
  本文选择月桂酸作相变材料,首先建立了脂肪酸熔化传热过程的数值模型与计算方法,利用FLUENT软件对文献中的矩形单元内癸酸熔化传热特性进行了数值模拟分析,并将数值计算的结果与文献中的实验数据进行对比,证明了所建立的焓-多孔介质模型与计算方法的正确性。
  在此基础上,针对方腔单元,采用正交试验法研究了方腔单元换热温差、高宽比、倾角及其交互作用对相变材料熔化完成时间的影响敏感性。得到在试验范围(换热温差20~40℃,高宽比1~4,倾角0~60°)内设计与优化方腔相变单元时,应着重考虑换热温差与倾角两个关键参数以及高宽比与倾角的交互作用,适当考虑高宽比的影响,可以不考虑换热温差与高宽比以及换热温差与倾角的交互作用。
  同时,针对环形单元,从固定外加热面尺寸与内加热面尺寸两种情况出发,对具有不同内外径之比的环形单元进行了熔化传热特性分析,从导热与自然对流传热综合传热机制分析入手,重点考察了单元平均储热速率,并结合熔化分数、熔化时间、平均努谢尔特数分别研究了单元内外径尺寸对熔化传热的影响变化规律,并拟合得到了两种单元的熔化分数表达式及其适用范围。
  在保证加热面尺寸与相变材料质量一定的前提下,对比了外环加热与内环加热两种环形单元设计方案,发现外环加热单元与内环加热单元存在熔化分数交点,在交点以下熔化相同质量相变材料时内环加热单元熔化时间更短,交点以上则外环加热单元熔化时间更短。边界温度越高,外环加热单元在相变材料完全熔化时间上的优势越明显。
  针对外环加热与内环加热的环形单元熔化特性,对两种单元分别进行了基于强化传热的偏心优化设置:对于外环加热单元,对其进行上下均10%-40%的偏心设置;对于内环加热单元,只做向下10%-80%偏心设置。结果表明,外环加热的环形单元内环与外环同心时传热效果最佳,因此外环加热单元无需设置偏心。内环加热环形单元向下偏心后,单元熔化更快,且在向下偏心率10%-80%范围内存在最优偏心率为70%,并通过拟合得到了不同尺寸偏心单元的傅里叶数表达式及其适用范围。
[硕士论文] 温亚远
仪器仪表工程 合肥工业大学 2017(学位年度)
摘要:柔性能量收集系统的一个主要特点是其对激励的频率和幅值的要求不再苛刻,也就是说其激励应该在以低频率、低幅值的振动为主的自然界中很容易获得。由于换能器本身特性的限制,在低频率、低幅值的振动激励下,其输出电压往往不是很高。这就造成能量的转化效率较低。所以在能量收集系统中,能量调理电路是必不可少的。
  本论文的研究重点是具有自驱动能力的超低电压升压电路。论文主要在以下方面做了重点阐述:
  (1)学习和整理国内外研究学者以往在能量调理电路方面的工作,可以发现其研究重点是:在特定激励下,使用PWM控制,确定最优占空比;特定激励下,研究不同的电路拓扑;基于控制的角度,研究主动,半主动和被动的控制电路;从集成电路的角度出发,研究适用于能量收集技术的专用集成电路。
  (2)论文使用经典的能量收集装置可以收集到8.7μW的能量。通过分析具体的实验条件和实验结果,解释了造成压电能量收集中能量收集效率较低的原因。在这基础上,提出了能量调理电路应该具有的特征和属性:可以完全独立并且效果较好的完成能量转换的任务。之后结合实例,论述了能量收集电路不应该在外加激励的作用下工作。
  (3)论文提出了两种自驱动电路拓扑,详细的阐述了所研究电路的自驱动原理。先是通过理论分析和仿真证明在低至0.3V输入电压时升压的可行性,并且分析拓扑中元器件对它工作状态的影响。再从控制的角度对其进行解释说明,最后做出印制电路板,可以证明其在输入电压达到0.5V时就可以正常工作。
  (4)在自驱动电路的基础上,研究了超低压升压电路。通过对不同拓扑结构的超低压升压电路的研究和分析,确定了适用于压电能量收集技术的具有自驱动能力的超低电压升压电路拓扑。从仿真结果中可以看到,它实现低至0.3V输入电压的升压至3.3V,输出功率可以达到3.9mW。并且论述了具有自驱动能力的超低电压升压电路对于柔性压电能量收集系统发展的重要意义。
[硕士论文] 王满州
信息与通信工程 浙江工业大学 2017(学位年度)
摘要:随着集成电路工艺和MEMS技术的进步,越来越多的低功耗传感设备被应用在生活中的各个方面,极大的改善了人们的生活,如何能为这些广泛分布的器件提供能源是当前该领域急需解决的问题。目前,科学界提出对自然环境中广泛存在的绿色能源,如风能、太阳能、波浪能、振动能等进行收集为传感器供电,其中振动能作为低频振动能量广泛分布在现实生活中,且不受各种因素影响功率稳定,所以振动能量收集技术将有广阔的应用和发展前景。
  针对电磁式振动能量收集效率低、装置复杂的缺点,结合当前领域的各种新结构发展情况,选择了电磁式振动能量收集结构作为主要研究方向,并采用数学分析的方法对直线共振型和非共振摆动型两种结构建立模型,得出提高能量收集效率的方法。根据数学模型分析结果提出两种高效闭合磁路电磁式振动能量收集装置,一种为球形振子振动能量收集装置,另一种是摆动型振动能量收集装置。具体工作如下:
  1.新型球形振子振动能量收集装置使用了对称多磁齿结构,既提高了磁轭内磁场变化速度,又降低了装置的定位力。装置中创新性的使用球形振子,使振子的滑动运动过程改为滚动,极大的降低了运动过程中的阻力。通过有限元分析软件Ansoft Maxwell对结构进行优化和仿真,得出优化后的球形振子直线振动能量收集装置有效输出功率为52.4mW,装置能量收集效率得到了极大的提高,可以为多数低功耗无线传感器件供电。
  2.新型摆动式振动能量收集装置是一种新型摆动式结构,与传统直线振动型不同,能够收集多个方向振动能量,能量收集范围更广,效率更高。装置同样使用了对称多磁齿结构,同时使用内部磁轭磁齿与外部磁轭磁齿交错对称放置的方式平衡了装置定位力和阻力,提高了能量收集效率。通过有限元分析软件Ansoft Maxwell对结构进行优化和仿真,得出优化后的摆动式振动能量收集装置有效输出功率为163.9mW。结果表明,摆动式结构对多角度振动能量的收集极大的提高了能量收集的效率。
[硕士论文] 冯澎湃
动力工程 华北电力大学;华北电力大学(北京) 2017(学位年度)
摘要:热和电是能源互联网消费终端中的两种重要产品,热电联产机组可同时满足热和电的供应需求,传统的中间抽汽式供热机组由于抽汽品质仍然较高,依然存在较大的(炯)损失,空冷高背压供热模式则是利用排汽作为热源,更好得符合了“温度对口,梯级利用”的总能系统原则,近些年得到大力发展。与传统抽汽供热方式相比,直接空冷高背压供热机组具有显著的冷端运行复杂性,当外界热负荷和电负荷发生变化时,机组弹性运行对应的参数状态、限制边界及能耗特性均不同于凝汽式空冷机组或背压式供热机组。
  对于空冷供热机组,系统供热特性与环境温度存在很强的依变关系。一方面,环境温度变化时刻影响热负荷供应需求;同时,空冷岛的冷却效果也受到环境风温度和迎面风速等因素影响。作为热源的供热凝汽器和承担剩余冷却负荷任务的空冷岛作为机组冷端的两大部分,在变工况运行时也存在着复杂的耦合关系。考虑到冬季供热的重要性,大部分机组均采取“以热定电”的运行方式以满足热负荷实时变化需求;空冷岛在冬季也有着严格的阻塞背压和防冻流量要求,因此,研究直接空冷高背压供热机组的梯级供热特性,以及不同工况下空冷系统与供热系统的协同运行优化至关重要。在新能源装机比例不断上升的新常态下,热电机组如何应对能源供给侧改革的要求值得关注。
  基于EES和Ebsilon平台建立了直接空冷高背压供热机组的传热和供热特性模型,针对不同的热负荷和电负荷状况,探讨热网采用质调节,量调节,质-量并行调节时机组冷端参数的变化和弹性运行的边界,以汽轮机背压为特征参数确定机组在特定负荷下不同运行工况的能耗情况,以西北地区某省级电网的用电负荷,风电负荷及热负荷为案例,探讨供热期内典型温度范围内的高背压供热机组的弹性运行能力,得到了热电弹性运行对于风力发电波动的平抑效果,为能源互联网供给侧改革和区域能源规划提供参考。
[硕士论文] 唐海波
区域经济学 重庆师范大学 2017(学位年度)
摘要:能源是国民经济发展和社会进步的主要动力,没有能源人类难以生存,国民经济和社会就无法可持续发展。自改革开放以来,城乡面貌发生巨大改变。然而在经济快速发展的同时,能源短缺、环境污染和温室效应等问题日益严重,已经对我国经济社会发展和人们日常生活产生严重的负面影响。据统计,在2016年我国 CO2排放总量占全球比重达到28.21%,居世界首位。为了履行CO2减排的国际承诺,担当起大国责任,延迟全球气候变化,改善中国环境质量,缓解中国能源供需矛盾,最有效的途径就是提高能源经济效率。对此,不同学者从不同角度进行了大量有关研究,研究表明我国能源效率比发达国家低,而且具有空间分布不均衡的特征。
  本文运用空间计量方法来研究省际间的能源经济效率空间溢出效应及其影响因素。本文主要研究方法是:首先,采用非径向、非角度的SBM方法对区域能源经济效率进行测度;然后,采用四分图和莫兰指数对我国区域能源经济效率进行空间分布格局与空间相关性研究;最后,采用空间计量模型对我国区域能源经济效率的影响因素进行实证分析。
  本文实证研究主要结论如下:
  第一,根据区域能源经济效率的测算结果表明,我国能源经济效率的区域差异性表现明显,上海、广东、北京、天津和江苏是我国区域能源经济效率最高的五个省份,而甘肃、青海、宁夏、贵州和云南等五个省份则是我国能源经济效率最低的五个省份。上海、广东的能源经济效率在2001-2014年期间始终处于生产有效前沿面上,北京、天津、江苏和浙江离生产有效前沿面较近,而甘肃、青海、宁夏、贵州和云南离生产有效前沿面较远。如果依据地理和经济等因素把我国分为东部、中部和西部三大区域,那么东部区域的能源经济效率最高,中部次之,西部最低。
  第二,我国区域能源经济效率的聚类结果表明,处在能源经济效率高效区的省份有北京、天津、上海、江苏、浙江、广东,这些省份全部属于东部沿海经济发达地区,中西部内陆地区全部属于能源经济效率的中效区和低效区。空间四分图更直观地反映出我国区域能源经济效率的时空分布格局,其中,东部经济发的沿海省份主要处在能源经济效率较高的三、四级上,而中西部地区主要处在较低水平的一、二级上。局部空间散点图更直观的反映了我国能源经济效率的空间依赖性和空间异质性。
  第三,基于空间视角,采用空间计量模型对2001-2014年期间我国30个省份能源经济效率的影响因素进行实证分析,研究发现,采用空间邻接矩阵与空间经济权重矩阵得到相似结果;空间误差模型(SEM)比空间滞后模型(SLM)更适合本文研究;在能源经济效率的主要影响因素中,能源消费结构对区域能源经济效率有负效应,人均国内生产总值、产业结构、外资利用和城镇化水平对区域能源经济效率有促进作用;其中,外资利用对区域能源经济效率影响最为显著。
[硕士论文] 于星晨
统计学 对外经济贸易大学 2016(学位年度)
摘要:能源是人类生存和发展的物质基础,作为地球上不可再生的资源,其稀缺性决定了人类对能源的消费不可能无限扩张,能源短缺问题带来的能源供需矛盾和能源使用造成的环境污染问题日益严重,能源效率问题逐渐成为学者们的研究焦点。
  本文通过对我国30各省市自治区(西藏除外)在2004-2014年的能源效率测度分别使用传统DEA模型,改进的超效率DEA模型和稳健数据包络RDEA模型进行测度,对三种DEA方法的测度结果进行比较分析以及合理性研究,最终选取稳健数据包络RDEA模型测算的能源效率进行后续定量分析。经过多重共线性检验、逐步回归,模型最终保留了劳动力、资本投入和能源消耗量三个变量作为投入指标,以经济产出、环境污染指标作为产出建立模型,模型解释程度达到59.84%。能源效率测算结果显示,天津、河北、北京、上海、广东、山东、海南等沿海或经济发达地区的能源效率值排名靠前,内蒙古、青海这些地域辽阔、能源丰富的地区能源效率也处于国内较高水平,而东北地区的工业重镇吉林、黑龙江,中西部省市湖北、陕西、甘肃、新疆等地排名靠后。按照国务院对经济区域的划分,分为东部、中部和西部经济区域来看的话,全国整体水平位于东部和中西部之间,其中东部地区的能源效率水平普遍明显领先于其他地区,西部地区效率水平次之,中部地区效率最低。
  接着进行了能源效率的影响因素分析,利用Tobit模型中最大似然函数的对数形式对不同省市自治区的变量参数进行回归估计,结果显示以资源密集型产业为基础的第二产业比重越大,产业结构越向高能耗方向倾斜,能源效率越低,二者是负相关关系;地区经济发展水平估计结果显示为负,考虑到现阶段的转型过渡期和贫富差距加大的影响,理论上还是认为经济发展水平越高,能源效率也会越高,东部较为富庶的区域,其能源效率远远高于中西部地区;区域内技术的进步则对能源效率的提高有着积极作用,不仅在降低能耗技术方面,还在新能源生产、降低环境污染物处理的成本等方面有着促进作用;市场化程度上越高,政府对市场经济的干预减少,有利于激发市场活力,发展社会主义特色市场经济。
  最后针对分析结果提出了优化产业结构、提高技术水平和政策方面的建议。
[硕士论文] 赵德材
动力工程及工程热物理;能源信息与自动化 东南大学 2016(学位年度)
摘要:分布式能源系统是建立在能量梯级利用概念上的,具有环保节能、高效安全等优势。微燃机-LiBr制冷机系统是典型冷热电三联供分布式能源系统(下简称MGT-LiBr CCHP系统),是当前应用最广的小型分布式能源系统。对MGT-LiBr CCHP系统设计与集成的研究取得了不错的效果,但是由于MGT-LiBr CCHP系统结构复杂、部件众多、工作原理复杂,目前对MGT-LiBr CCHP系统动态特性、控制规律的研究都还比较缺乏。为了了解和掌握MGT-LiBr CCHP系统动静态特性,快速复现MGT-LiBr CCHP系统模型以及设计控制算法,论文在MGT-LiBr CCHP系统机理模型描述和特性分析基础上,利用Hammerstein模型结构快速辨识和复现MGT-LiBr CCHP系统简化非线性模型,在此基础上设计MGT-LiBr CCHP系统冷负荷跟踪非线性预测控制器并设计MGT-LiBrCCHP系统多变量闭环L1自适应控制器。论文主要研究内容包括:
  1、描述了基于微分方程的MGT-LiBr CCHP系统各主要部件的数学模型,对微燃机以及双效LiBr吸收式制冷机内部主要部件热动力特性进行详细分析,介绍其机理建模方法;在已建机理模型基础上进行变工况仿真实验,研究该系统在变工况范围内的静、动态特性并分析验证;对MGT-LiBr CCHP系统进行非线性测度,分析系统的非线性分布特性。
  2、针对MGT-LiBr CCHP系统机理过程复杂、机理模型难以复现、运算速度慢、初始状态不稳定等特点,提出了一种MGT-LiBr CCHP系统的简化非线性块结构建模方法,建立了MGT-LiBr CCHP系统面向控制策略设计的输入输出Hammerstein模型。利用稳态数据辨识Hammerstein模型静态非线性环节参数,动态辨识时先利用逐步回归法确定系统线性环节阶次,然后采用粒子群算法进行参数辨识得到线性环节参数。对所得MGT-LiBr CCHP系统Hammerstein模型进行仿真验证简化块结构模型的准确性。
  3、基于MGT-LiBr CCHP系统各输入输出通道的Hammerstein模型,设计冷负荷跟踪的非线性预测控制器。采用两步法方法对系统非线性进行分离,对Hammerstein模型线性环节采用GPC算法求得中间变量,然后通过非线性环节反算实际控制作用,并与传统PID控制器进行比较。最后基于MGT-LiBr CCHP系统多变量非线性模型设计了L1自适应控制器并进行仿真验证。
[博士论文] 闫霆
制冷及低温工程 上海交通大学 2016(学位年度)
摘要:作为热化学储热的一种途径,热化学吸附储热不仅具有储热密度大和易于实现热能长期储存的优点,而且可以实现冷热的复合储存,因而备受瞩目。
  本文将热化学吸附和热化学再吸附有机地耦合在一起,并将两种不同温区的化学反应盐统筹在一个热化学吸附储热系统之内,构建了氯化物-氨为工质对的热化学吸附储热循环实验系统。采用浸渍法,利用膨胀石墨作为添加剂与氯化物制成固化吸附剂,以改善其传热传质特性。实验系统由两个分立的吸附单元和填充两种不同温区反应盐的再吸附单元所组成。两个吸附单元分别以 SrCl2/NH3和 MnCl2/NH3作为工质对,可以储热以及冷热复合储存的多种模式工作。以MnCl2作为高温反应盐和 SrCl2作为低温反应盐的再吸附单元连接两个相互独立的吸附单元,同时将两个不同温区的反应盐相互联系在一起。针对中低温热化学吸附储热,从定性分析、定量计算以及试验的角度对热化学吸附储热、热化学再吸附储热以及耦合吸附和再吸附的热化学吸附储热循环及系统进行了理论分析以及实验研究。
  首先对各类热化学吸附储热循环进行了理论分析并比较了各自的优缺点,进而指出耦合吸附和再吸附的热化学吸附储热循环,具有极大的灵活性,不仅可以根据具体需求实现向吸附和再吸附储热循环的转变,而且可以更有效地实施热能品位的提升。此外,耦合吸附和再吸附的热化学吸附储热循环还可依据外界热源温度和热用户的需求有针对性地进行变温调控。在热能储存阶段通过热化学再吸附大幅降低驱动高温反应盐解吸的热源温度,不仅有利于拓展低品位热能的工作温区,而且显著地加强了输出热能温度品位提升的能力。在热能输出阶段藉由基本的热化学吸附来保证系统压力的平稳,克服了热化学再吸附不同反应盐反应速率不协调造成系统压力脉动进而导致的输出温度波动的问题,从而为输出合格温度品位的热能提供了有力的保障。
  其次,概括了热化学吸附储热材料的筛选原则。针对固化吸附剂制备中普遍采用的浸渍法,本文强调指出为了保证吸附储热材料的循环稳定性必须考虑结晶水合氯化物的脱水过程,并对其可能发生的副反应所带来的不利影响进行评估。
  再次,对热化学吸附和热化学再吸附系统的储热特性进行了实验研究。研究结果表明:对于以 SrCl2/NH3为工质对的热化学吸附储热系统,在试验工况下,系统总储热效率的最大值为92.74%,最大的吸附储热效率为68.71%;储热材料吸附储热密度的最大值可以达到1386.16 kJ/kg固化混合吸附剂或1630.78 kJ/kg SrCl2;总储热密度最大可达1871.03 kJ/kg固化混合吸附剂或2201.21 kJ/kg SrCl2。对于以MnCl2/NH3为工质对的热化学吸附储热系统,在试验工况下,系统总储热效率的最大值为93.86%,最大的吸附储热效率为47.84%;储热材料的吸附储热密度最大可达1391.34 kJ/kg固化混合吸附剂或1636.87 kJ/kg MnCl2;总储热密度的最大值为2729.82 kJ/kg固化混合吸附剂或3211.56 kJ/kg MnCl2。
  对于MnCl2–SrCl2/NH3为体系的热化学再吸附储热系统,在试验工况下,系统总储热效率的最大值为94.67%,最大的吸附储热效率为48.34%;材料吸附储热密度的最大值为2027.74 kJ/kg固化混合吸附剂或2385.58kJ/kg MnCl2;材料总储热密度的最大值为3971.47 kJ/kg固化混合吸附剂或4672.32 kJ/kg MnCl2。
  而后,以 MnCl2/SrCl2/NH3作为工质对,对耦合吸附和再吸附的热化学吸附储热系统进行了实验研究。当高温反应盐MnCl2的解吸充热温度为135℃,低温反应盐SrCl2在12℃下吸附;低温反应盐SrCl2在90℃下再生,NH3的冷凝/蒸发温度为12℃,放热温度为40℃,且高温盐MnCl2和低温盐SrCl2都参与放热的运行工况下,试验获得的总储热效率为93.31%,吸附储热效率为53.36%。高温反应盐吸附剂的总储热密度按单位质量的固化吸附剂和单位质量反应盐 MnCl2计量分别为3734.36 kJ/kg和4393.36 kJ/kg;低温反应盐吸附剂的总储热密度按单位质量的固化吸附剂和单位质量反应盐SrCl2计量分别为1655.19 kJ/kg和1947.28 kJ/kg。
  最后,在实验研究的基础上,本文提出再吸附与吸附耦合—高低温盐双盐交联是实现热化学再吸附的良好途径,并且指出再吸附并不仅仅是单纯的再吸附,实质上是耦合了吸附之后所得到的综合效果。而且,本文提出了将化学反应盐与氨之间的解吸/吸附反应分为反应活跃区、过渡区和反应惰性区三个区域的构想。试验所获得的材料的吸附储热密度和吸附储热效率可以为利用热化学吸附进行跨季节储热提供有益的参考和借鉴。试验所获得的化学吸附储热材料的储热密度是传统显热储热和相变潜热储热密度的10~20倍。由此可见,热化学吸附储热是相当有前景的一种储热方式,可为低品位热能的高效回收利用提供强有力的技术支持。
[硕士论文] 孔羽
动力工程及工程热物理 东南大学 2016(学位年度)
摘要:燃气-蒸汽联合循环机组性能分析与优化研究对于燃气机组优化运行和节能改造具有重大意义。本文利用(炯)分析法对燃气-蒸汽联合循环机组进行了变工况性能分析和多目标优化研究,并讨论了不同类型联合循环机组间热电负荷优化分配的问题,主要内容如下:
  首先,建立了燃气-蒸汽联合循环机组中各主要部件的(炯)分析计算模型,获得了机组设计及运行工况下的(炯)损失分布,并在不同燃机负荷、环境温度、供热量下对机组进行变工况(炯)分析,得到机组及各部件在不同工况下的(炯)变化规律,为机组深度节能提供了理论依据。
  其次,根据(炯)经济学理论,建立了联合循环机组成本模型,并以全厂(炯)效率最高、总成本最低和CO2排放量最小为目标,利用NSGAⅡ遗传算法对联合循环机组进行了多目标优化研究,获得了最优参数解集,进而根据要求选择最优参数解。
  此外,针对燃气-蒸汽联合循环机组提出了热电负荷优化分配方法,并以不同类型的联合循环机组为对象,分别建立一拖一型和二拖一型机组的能耗特性曲线,进行热电负荷优化分配,获得最佳方案,为电厂人员运行操作提供参考。
  最后,开发了燃气-蒸汽联合循环机组性能监测与运行优化软件,并详细介绍了软件架构、开发流程和相关功能。
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