Công suất tối đa và hiệu suất tương ứng của một động cơ nhiệt màu xanh không thể đảo ngược cho việc khai thác năng lượng nhiệt thải và gradient độ mặn

Science China Technological Sciences - Tập 65 - Trang 646-656 - 2021
Jian Lin1, Shan Xie1, ChenXing Jiang1, YiFei Sun1, JinCan Chen2, YingRu Zhao1
1College of Energy, Xiamen University, Xiamen, China
2Department of Physics, Xiamen University, Xiamen, China

Tóm tắt

Trong nghiên cứu này, một mô hình chu trình không thể đảo ngược mới của động cơ nhiệt màu xanh sử dụng hỗn hợp điện dung chủ yếu bao gồm các siêu tụ điện, mạch sạc và xả, một nguồn nhiệt, cùng với hai nguồn nước có nồng độ muối cho trước được thiết lập để thu hồi năng lượng từ gradient độ mặn và nhiệt thải. Ngoài ra, tác động của điện áp sạc và tỷ lệ giữa mật độ điện tích bề mặt tối thiểu và tối đa đối với hiệu suất nhiệt động và công suất đầu ra của chu trình cũng được thảo luận. Công suất đầu ra tối đa của chu trình được tính toán. Các khoảng tối ưu của hiệu suất và công suất đầu ra cũng như nhiệt độ của hai quá trình đẳng nhiệt được xác định. Nghiên cứu cho thấy trong quá trình lượng điện tĩnh, không chỉ có sự gia tăng điện áp nhiệt do sự chênh lệch nhiệt độ, mà còn có sự gia tăng điện áp nồng độ do gradient độ mặn. Do đó, động cơ nhiệt màu xanh có thể đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao hơn so với động cơ nhiệt thông thường. Khi tỷ lệ nhiệt độ của nguồn nhiệt và bể chứa nhiệt là 1.233, hiệu suất tối đa có thể đạt khoảng 36%. Các kết quả thu được có thể thúc đẩy việc áp dụng công nghệ trộn điện dung trong thực tế, giảm tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch.

Từ khóa

#động cơ nhiệt màu xanh #công suất tối đa #hiệu suất #gradient độ mặn #nhiệt thải

Tài liệu tham khảo

Mai V P, Yang R J. Active control of salinity-based power generation in nanopores using thermal and pH effects. RSC Adv, 2020, 10: 18624–18631 Zhan F, Wang Z, Wu T, et al. High performance concentration capacitors with graphene hydrogel electrodes for harvesting salinity gradient energy. J Mater Chem A, 2018, 6: 4981–4987 Whiddon E, Zhu H, Zhu X. Sodium-ion concentration flow cell stacks for salinity gradient energy recovery: Power generation of series and parallel configurations. J Power Sources, 2019, 435: 226796 Minnich A J, Dresselhaus M S, Ren Z F, et al. Bulk nanostructured thermoelectric materials: Current research and future prospects. Energy Environ Sci, 2009, 2: 466–479 Dupont M F, MacFarlane D R, Pringle J M. Thermo-electrochemical cells for waste heat harvesting—Progress and perspectives. Chem Commun, 2017, 53: 6288–6302 Yu B, Duan J, Cong H, et al. Thermosensitive crystallization-boosted liquid thermocells for low-grade heat harvesting. Science, 2020, 370: 342–346 Chen L G, Meng F K, Sun F R. Thermodynamic analyses and optimization for thermoelectric devices: The state of the arts. Sci China Technol Sci, 2016, 59: 442–455 Pei J, Li L L, Liu D W, et al. Development of integrated two-stage thermoelectric generators for large temperature difference. Sci China Technol Sci, 2019, 62: 1596–1604 Härtel A, Janssen M, Weingarth D, et al. Heat-to-current conversion of low-grade heat from a thermocapacitive cycle by supercapacitors. Energy Environ Sci, 2015, 8: 2396–2401 Lin J, Zhang Z, Zhu X, et al. Performance evaluation and parametric optimization strategy of a thermocapacitive heat engine to harvest low-grade heat. Energy Convers Manage, 2019, 184: 40–47 Lin B H, Huang Z F. Optimization of irreversible capacitive thermoelectric conversion device performance (in Chinese). Sci Sin-Tech, 2020, 50: 551–561 Gao J, Guo W, Feng D, et al. High-performance ionic diode membrane for salinity gradient power generation. J Am Chem Soc, 2014, 136: 12265–12272 Logan B E, Elimelech M. Membrane-based processes for sustainable power generation using water. Nature, 2012, 488: 313–319 Gonzales R R, Abdel-Wahab A, Adham S, et al. Salinity gradient energy generation by pressure retarded osmosis: A review. Desalination, 2021, 500: 114841 Avci A H, Tufa R A, Fontananova E, et al. Reverse electrodialysis for energy production from natural river water and seawater. Energy, 2018, 165: 512–521 Brogioli D. Extracting renewable energy from a salinity difference using a capacitor. Phys Rev Lett, 2009, 103: 058501 Yu J, Ma T. Harvesting blue energy with carbon electrodes of asymmetric nanopore distributions. Nano Energy, 2021, 82: 105766 Yip N Y, Brogioli D, Hamelers H V M, et al. Salinity gradients for sustainable energy: Primer, progress, and prospects. Environ Sci Technol, 2016, 50: 12072–12094 Li C S, Qiao Y J, Wu J J, et al. Enhancing the capacitances of electric double layer capacitors based on carbon nanotube electrodes by carbon dioxide activation and acid oxidization. Sci China Technol Sci, 2010, 53: 1234–1239 Janssen M, Härtel A, van Roij R. Boosting capacitive blue-energy and desalination devices with waste heat. Phys Rev Lett, 2014, 113: 268501 Ahualli S, Fernández M M, Iglesias G, et al. Temperature effects on energy production by salinity exchange. Environ Sci Technol, 2014, 48: 12378–12385 Moreno D, Hatzell M C. Efficiency of thermally assisted capacitive mixing and deionization systems. ACS Sustain Chem Eng, 2019, 7: 11334–11340 Burt R, Birkett G, Zhao X S. A review of molecular modelling of electric double layer capacitors. Phys Chem Chem Phys, 2014, 16: 6519–6538 d’Entremont A, Pilon L. First-principles thermal modeling of electric double layer capacitors under constant-current cycling. J Power Sources, 2014, 246: 887–898 Kong X, Gallegos A, Lu D, et al. A molecular theory for optimal blue energy extraction by electrical double layer expansion. Phys Chem Chem Phys, 2015, 17: 23970–23976 Janssen M, van Roij R. Reversible heating in electric double layer capacitors. Phys Rev Lett, 2017, 118: 096001 Gao C, Lee S W, Yang Y. Thermally regenerative electrochemical cycle for low-grade heat harvesting. ACS Energy Lett, 2017, 2: 2326–2334 Long R, Li B, Liu Z, et al. Performance analysis of a thermally regenerative electrochemical cycle for harvesting waste heat. Energy, 2015, 87: 463–469 van Egmond W J, Starke U K, Saakes M, et al. Energy efficiency of a concentration gradient flow battery at elevated temperatures. J Power Sources, 2017, 340: 71–79 Janssen M, Griffioen E, Biesheuvel P M, et al. Coulometry and calorimetry of electric double layer formation in porous electrodes. Phys Rev Lett, 2017, 119: 166002 Chen J F, Sun C P, Dong H. Achieve higher efficiency at maximum power with finite-time quantum otto cycle. Phys Rev E, 2019, 100: 062140 Lee S W, Yang Y, Lee H W, et al. An electrochemical system for efficiently harvesting low-grade heat energy. Nat Commun, 2014, 5: 3942