Frontiers in Energy

ISSN 2095-1701

ISSN 2095-1698(Online)

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2019 Impact Factor: 2.657

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2019年, 第13卷 第1期 出版日期:2019-03-20

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Expulsive force in the development of CO2 sequestration: application of SC-CO2 jet in oil and gas extraction
Haizhu WANG, Gensheng LI, Zhonghou SHEN, Zhenguo HE, Qingling LIU, Bin ZHU, Youwen WANG, Meng WANG
Frontiers in Energy. 2019, 13 (1): 1-8.  
https://doi.org/10.1007/s11708-017-0458-6

摘要   HTML   PDF (1040KB)

With the rapid development of global economy, an increasing amount of attention has been paid to the emission of greenhouse gases, especially CO2. In recent years, dominated by the governments around the world, several significant projects of CO2 sequestration have been conducted. However, due to the huge investment and poor economic effects, the sustainability of those projects is not satisfactory. Supercritical CO2 (SC-CO2) has prominent advantages in well drilling, fracturing, displacement, storage, plug and scale removal within tubing and casing, which could bring considerable economic benefits along with CO2 sequestration. In this paper, based on physicochemical properties of SC-CO2 fluid, a detailed analysis of technical advantages of SC-CO2 applied in oil and gas development is illustrated. Furthermore, the implementation processes of SC-CO2 are also proposed. For the first time, a recycling process is presented in which oil and gas are extracted and the CO2 generated could be restored underground, thus an integrated technology system is formed. Considering the recent interests in the development of enhancing hydrocarbon recoveries and CO2 sequestration, this approach provides a promising technique that can achieve these two goals simultaneously.

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金属燃料电池MnO2催化阴极研究
魏松波, 刘合, 魏然, 陈琳
Frontiers in Energy. 2019, 13 (1): 9-15.  
https://doi.org/10.1007/s11708-019-0611-5

摘要   HTML   PDF (1639KB)

本论文制备了含MnO2催化材料的系列金属燃料电池阴极。研究了催化剂浆料超声时间和阴极干燥温度对电极性能的影响规律,催化剂浆料的超声处理时间分别选用20min、40min和60min,阴极的干燥温度分别选用90℃、120℃和150℃。开展了电极的显微结构和放电特性研究,研究结果表明浆料超声时间和阴极干燥温度对放电电流密度有显著影响,而对电压影响不明显。进一步研究了氧气对电流密度和电压的影响规律,研究发现对阴极输送氧气能够明显提高金属电池的电流密度。

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用于冶金制造的中间包感应加热电源的恒温控制
岳雨霏, 徐千鸣, 郭鹏, 罗安
Frontiers in Energy. 2019, 13 (1): 16-26.  
https://doi.org/10.1007/s11708-018-0572-0

摘要   HTML   PDF (2698KB)

在冶金连铸生产过程中,中间包感应加热电源是重要装备之一,其恒温控制效果对冶金生产过程尤为重要。本文分析了感应加热电源的负载温度和电源输出功率之间的关系,将恒温控制由功率控制实现。提出了前级三相PWM整流器和后级全桥级联逆变器的中间包电磁感应加热电源拓扑。为达到恒温控制的目的,提出了功率外环和电流内环的双闭环控制方法。为了保证控制系统的稳定性,对控制器参数进行了合理设计。通过实验验证了所提出感应加热电源拓扑及其控制方法的可行性和有效性。

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Metal-based direct hydrogen generation as unconventional high density energy
Shuo XU, Jing LIU
Frontiers in Energy. 2019, 13 (1): 27-53.  
https://doi.org/10.1007/s11708-018-0603-x

摘要   HTML   PDF (4964KB)

Metals are unconventional hydrogen production materials which are of high energy densities. This paper comprehensively reviewed and digested the latest researches of the metal-based direct hydrogen generation and the unconventional energy utilization ways thus enabled. According to the metal activities, the reaction conditions of metals were generalized into three categories. The first ones refer to those which would violently react with water at ambient temperature. The second ones start to react with water after certain pretreatments. The third ones can only react with steam under somewhat harsh conditions. To interpret the metal-water reaction mechanisms at the molecular scale, the molecule dynamics simulation and computational quantum chemistry were introduced as representative theoretical analytical tools. Besides, the state-of-the-art of the metal-water reaction was presented with several ordinary metals as illustration examples, including the material treatment technologies and the evaluations of hydrogen evolution performances. Moreover, the energy capacities of various metals were summarized, and the application potentials of the metal-based direct hydrogen production approach were explored. Furthermore, the challenges lying behind this unconventional hydrogen generation method and energy strategy were raised, which outlined promising directions worth of further endeavors. Overall, active metals like Na and K are appropriate for rapid hydrogen production occasions. Of these metals discussed, Al, Mg and their alloys offer the most promising hydrogen generation route for clean and efficient propulsion and real-time power source. In the long run, there exists plenty of space for developing future energy technology along this direction.

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基于微型燃气轮机、有机朗肯循环和喷射制冷循环的联供系统性能分析
薄泽民, 章恺, 孙培杰, 吕小静, 翁一武
Frontiers in Energy. 2019, 13 (1): 54-63.  
https://doi.org/10.1007/s11708-018-0606-7

摘要   HTML   PDF (1408KB)

本文研究了三种新型联供系统在设计工况和变工况条件下的运行性能。这三种联供系统包括适用于用户电负荷的MGT+ORC系统,以及适用于用户电负荷和冷负荷的MGT+ERC和MGT+ORC+ERC系统。研究了5种工质对联供系统性能的影响规律。 结果表明,在设计工况下,底层循环采用R600工质,MGT+ORC系统的总功最小,为117.1 kW,系统热效率为0.334;MGT+ERC系统的总功最大,为142.6kW,系统热效率为0.408。而MGT +ORC+ERC系统的总功介于其他两种联供系统之间,为129.3 kW,系统热效率为0.370。获得了不同工质的影响规律,其中R123是MGT+ORC系统的最佳工质,使得系统输出功率最大; R600是MGT+ERC系统的最佳工质,使得系统制冷量最大;而R600和R123均能使MGT+ORC+ERC系统达到良好的发电和制冷综合性能。在变工况运行时,由于底层循环可以补偿微型燃气轮机降低的功率,三种联供系统的热效率都可以得到有效的提高。本文的研究结果可为分布式能源联供系统的设计和运行提供参考。

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基于Aspen Plus的城市生活垃圾热解气化过程模拟分析
邓娜, 李东炎, 张强, 张啊文, 蔡荣昌, 张碧婷
Frontiers in Energy. 2019, 13 (1): 64-70.  
https://doi.org/10.1007/s11708-017-0481-7

摘要   HTML   PDF (464KB)

为更好地预测和分析城市生活垃圾(MSW)在上吸式固定床中的热解气化过程,本文基于Gibbs自由能最小化法,采用Aspen plus软件进行数值模拟。模型中,RYield模块与RGibbs模块相结合用于热解段模拟,而RGibbs模块则单独用于气化段模拟。所述模型主要用于预测和分析不同气化温度、气化剂比例和气化剂种类条件下,热解气化工艺的目标特性参数如热解气化气组分、低热值(LHV)以及碳转化率。预测结果表明,采用上述模型得到的模拟结果与实验结果具有良好的吻合性。最佳的气化温度在750℃左右。水蒸汽为气化剂时,最佳的气化剂比例在0.4左右。采用烟气与水蒸气的混合物作为气化剂,是4种常用气化剂中最具有经济和可循环利用前景的一种。

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人工智能技术在电力系统监测与运行中的应用
GAO David Wenzhong, WANG Qiang, ZHANG Fang, YANG Xiaojing, HUANG Zhigang, MA Shiqian, LI Qiao, GONG Xiaoyan, WANG Fei-Yue
Frontiers in Energy. 2019, 13 (1): 71-85.  
https://doi.org/10.1007/s11708-018-0589-4

摘要   HTML   PDF (1176KB)

近年来,由于数据处理性能优异,人工智能(artificial intelligence,AI)技术在许多领域内快速发展。目前,人工智能技术在电力系统中的应用仍处于初期阶段。本文主要针对电力系统的运行和监测方面讨论人工智能技术在电力系统中的应用潜力。本文针对电力系统运行讨论了AI技术在控制、优化和决策方面存在的问题、需求和可能的应用。进而,研究了电力系统监测中的故障检测和稳定性分析问题。最后,提供了一个使用神经网络(neural network,NN)进行潮流分析的案例研究,以此作为一个简单的例子来说明AI技术在解决电力系统问题中的可行性。

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配电网电力市场中基于D-STATCOM的运营商无功调度及成本效益分析
GUPTA Atma Ram, KUMAR Ashwani
Frontiers in Energy. 2019, 13 (1): 86-98.  
https://doi.org/10.1007/s11708-017-0456-8

摘要   HTML   PDF (1218KB)

本文分析了配网静止无功补偿器D-STATCOM在三相不平衡辐射型配电网UBRDS的应用。在保证向系统提供无功功率以提高系统电压水平并降低线损的前提下,本文主要研究D-STATCOM在UBRDS型配电网中的定位,优化D-STATCOM的运行状态以减小系统运行成本,通过准确确定D-STATCOM的运行安装点提高UBRDS系统的功率因数并降低能源消耗。为此针对一个大型的工业负荷讨论了轻负荷、中负荷和重负荷的不同情景下的情况,并进一步讨论负荷增长的影响以及更优的网络规划。通过一个25节点的UBRDS系统的仿真证实了本文提出算法的可行性。

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用于表征增强型地热系统热储的新奇流阻路模型
郭剑, 曹文炅, 王亦伟, 蒋方明
Frontiers in Energy. 2019, 13 (1): 99-106.  
https://doi.org/10.1007/s11708-018-0555-1

摘要   HTML   PDF (423KB)

地下热储层的裂隙结构特征研究对于增强型地热系统的开发具有重大意义。本文提出流阻网络理论模型,构建热储层的裂隙结构,研究其水力传输过程。通过单条裂隙和单个流阻的参数转换,实际热储层的复杂裂隙结构被合理简化为由众多流阻构成的规则流阻网络。该规则的流阻网络具有统一的简单架构,通过不同的网络节数和流阻阻值来表征不同的裂隙结构。本文研究了各种网络节数和流阻阻值的模型特征,计算结果表明,注入井和生产井之间的裂隙总数对热储层的总流阻起主要决定作用,并且这两者之间呈一定的线性关系。此外,本文基于总流阻和总裂隙数的线性关联式,推导了苏尔士热储层的总裂隙数。研究结果为苏尔士热储层的不同井间的地下裂隙结构表征提供参考。

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用于生产低密度聚乙烯的超高压压缩机填料盘的过盈量设计
雷达, 李雪红, 李云, 任希文
Frontiers in Energy. 2019, 13 (1): 107-113.  
https://doi.org/10.1007/s11708-017-0450-1

摘要   HTML   PDF (737KB)

超高压压缩机是低密度聚乙烯生产的关键装置,其特点在于排气压力约为300 MP。填料盘是超高压压缩机气缸填料的基本单元,其本身采用外盘和内盘过盈配合装配而成。由于过盈配合会预压缩填料盘,需要对过盈量进行严格的设计来获得较好的预应力状态。对于内盘而言,三向压缩就是较好的预应力状态。填料盘过盈量的传统设计方法是基于受到内压和外压的厚壁模型,其计算得到的危险点位于内外盘的各自的内径处。本文采用有限元模拟方法来精确地价填超高压压缩机是低密度聚乙烯生产的关键装置,其特点在于排气压力约为300 MP。填料盘是超高压压缩机气缸填料的基本单元,其本身采用外盘和内盘过盈配合装配而成。由于过盈配合会预压缩填料盘,需要对过盈量进行严格的设计来获得较好的预应力状态。对于内盘而言,三向压缩就是较好的预应力状态。填料盘过盈量的传统设计方法是基于受到内压和外压的厚壁模型,其计算得到的危险点位于内外盘的各自的内径处。本文采用有限元模拟方法来精确地价填料盘的应力水平。发现填料盘的危险点位于相邻两个填料盘之间贴合密封面的边缘。填料盘的最大Von Mises等效应力随着过盈量的增大先减小后增大。最大的等效应力首先出现在内盘的内壁处,随着过盈量增大然后出现在贴合密封面的边缘,最后出现在外盘的内壁处。传统的方法忽略了轴向载荷对于内外盘配合应力的影响,导致外盘内壁处的等效应力计算值偏小。传统方法可以接受较大的过盈量,实际上会导致贴合密封面边缘或者外盘内壁处的屈服。此外,综合不同过盈量下的填料盘的疲劳分析,本文根据有限元分析修正了过盈量的选取的可行域。修正后的可行域相比于传统方法获得的范围更窄也更安全,其中可能导致实际填料盘发生局部屈服的范围已在修正的可行域中剔除。

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超临界和超超临界循环流化床锅炉开发
吕俊复, 杨海瑞, 凌文, 聂力, 岳光溪, 李瑞欣, 陈英, 王仕龙
Frontiers in Energy. 2019, 13 (1): 114-119.  
https://doi.org/10.1007/s11708-017-0512-4

摘要   HTML   PDF (581KB)

超临界循环流化床(CFB)锅炉兼具CFB燃烧的低成本污染控制、超临界蒸汽循环的高效率两个优势,是CFB燃烧技术的发展方向,对于我国劣质煤的高效清洁利用具有重要意义。与超临界煤粉炉已发展了50多年不同,超临界循环流化床锅炉没有先例。在没有工程参考的条件下,中国独立自主开展了超临界循环流化床锅炉技术的研发,创新形成了超临界循环流化床锅炉设计理论和关键技术体系,发明了系列的关键部件创新结构,率先研制了600MW超临界循环流化床锅炉,研发了成套辅机、仿真、控制和安装调试技术,完成了世界首台600MW超临界循环流化床示范工程的系统集成,创建了安全运行技术体系。与国际同期研制的也是目前中国之外唯一商业运行的波兰460MW超临界循环流化床的性能相比,白马的性能更优。进而研发推广了350MW超临界循环流化床锅炉,形成了巨大的市场。最后,介绍了目前正在开发的660 MW 超超临界 CFB 锅炉的最新进展。

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珠海市MVDC配电网示范工程规划分析
QU Lu, YU Zhanqing, SONG Qiang, YUAN Zhichang, ZHAO Biao, YAO Dawei, CHEN Jianfu, LIU Yao, ZENG Rong
Frontiers in Energy. 2019, 13 (1): 120-130.  
https://doi.org/10.1007/s11708-018-0599-2

摘要   HTML   PDF (1938KB)

The DC distribution system is an important development direction of the distribution system, which can improve the reliability and the quality of the power supply, and support the new energy, the energy storage, the electric vehicles, and the flexible access of AC and DC loads to grid. To realize the demonstration application of the DC distribution technology, China’s first demonstration project of the medium voltage DC distribution network will be built in Zhuhai, Guangdong Province to support the construction of the city energy internet. First, this paper analyzes the demand of the DC distribution network project, and puts forward the construction content and construction target. Then, it designs and analyzes the electrical connection mode, system operation mode, and startup and shutdown mode of the DC distribution network, and proposes the overall project construction plan. Finally, it conducts the specific project design and analysis, which mainly include the selection of equipment such as inverters, DC transformers and DC circuit breakers, the design and analysis of the DC control and protection system, the design and analysis of the over-voltage protection and the configuration scheme of the lightning arrester, and analysis of the system transient characteristics. The design and analysis of the engineering program is a combination of China’s distribution network engineering practice and technical characteristics, which lays a solid foundation for the advancement of the DC power distribution technology in China, and has reference value and demonstration effect for the design and construction of other projects.

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光伏系统用新型混合模糊神-经网络和风力发电机组用RBFNSM的并网运行模式智能混合发电系统
REZVANI Alireza, ESMAEILY Ali, ETAATI Hasan, MOHAMMADINODOUSHAN Mohammad
Frontiers in Energy. 2019, 13 (1): 131-148.  
https://doi.org/10.1007/s11708-017-0446-x

摘要   HTML   PDF (5532KB)

光伏发电作为一种可再生能源,其发展速度越来越快。然而,由于依赖于天气条件,光伏系统的缺点是其间歇性。因此,风力发电被认为有助于光伏发电系统稳定可靠的负荷输出,从而提高整个发电系统在并网模式下的动态性能。本文提出了一种基于光伏和风力发电机组的智能混合发电系统的拓扑结构。为了获取最大功率,在光伏系统中采用了混合模糊神经最大功率点跟踪(MPPT)方法。与传统方法相比,混合模糊神经方法的平均跟踪效率提高了约2个百分点。风力机的俯仰角由径向基函数网络滑模(RBFNSM)控制。仿真结果显示了不同的条件下实际功率值与所提出方法的比较。所得结果验证了本文提出方法的有效性和优越性,该方法具有鲁棒性、快速响应和良好的性能。利用Matlab/Simulink建立了三相并网智能混合系统的详细数学模型和控制方法。

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使用人工智能技术对印度燃煤电厂CCS成本及碳排放的预测
SHARMA Naushita, SINGH Udayan, MAHAPATRA Siba Sankar
Frontiers in Energy. 2019, 13 (1): 149-162.  
https://doi.org/10.1007/s11708-017-0482-6

摘要   HTML   PDF (1939KB)

燃煤电厂是减少二氧化碳排放最重要的目标之一。原因在于燃煤电厂是局部大型二氧化碳点排放源(LPS),并且印度电力部门二氧化碳排放约占其全国二氧化碳排放量的一半。在这些发电厂中进行二氧化碳捕集与封存(CCS)可以实现印度经济的长期脱碳。本文使用两种人工智能(AI)技术-自适应神经模糊系统(ANFIS)和多基因遗传规划(MGGP)对进行二氧化碳捕集的印度燃煤电厂进行了模拟。在75个电厂的数据集中,将电厂的装机容量,捕集类型,负荷因子和二氧化碳排放因子作为输入,度电成本(COE)和年度二氧化碳排放量作为输出。结果发现MGGP方法对于预测燃煤电厂CCS的成本和碳排放更为适用,因为使用MGGP方法得出的预测值和实际值之间的相关性(R2值)大于99%,而使用ANFIS方法的相关性为96%左右。MGGP还给出了传统上预期的敏感性分析结果,而ANFIS未能给出。同时,基础电厂和二氧化碳捕集单元中的其他几个参数也可以纳入类似的研究中以提供更为准确的结果。这是因为与ANFIS相比,MGGP为捕集类型这样的定性数据提供了更好的视角。

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原位溶胶-凝胶法合成的无机硼硅酸盐/硅酸盐聚合物基体复合离子液的阻燃性能
SMARAN Kumar Sai, BADAM Rajashekar, VEDARAJAN Raman, MATSUMI Noriyoshi
Frontiers in Energy. 2019, 13 (1): 163-171.  
https://doi.org/10.1007/s11708-018-0554-2

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本文重点研究了有机 - 无机杂化离子 - 凝胶电解质的火焰敏感性相对于商用电解质(如1 M LiPF6溶于1:1的碳酸亚乙酯(EC):碳酸二甲酯(DMC){1 M LiPF6-EC:DMC})在锂离子电池运用中的优越性。这些离子凝胶电解质中含有离子液体单体,这些单体被限制在理想的非可燃基质中,如硼硅酸盐或硅酸盐基质。明火实验证实了有机无机杂化电解质对火焰的敏感度较低,这些电解质在遭遇火焰时的重量损失较小。此外,杂化电解质还可以自行熄灭。因此,与其他商用锂离子电池电解质不同,这些杂化电解质仅在接触到明火时才会被氧化。差示扫描量热研究的补充分析表明,在温度达到100 ℃之前,杂化电解质都是玻璃态,这与先前发表的有机-无机杂化电解质得出的数据相一致。

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热管主要应用及其与吸附式系统耦合的研究进展
于洋, 安国亮, 王丽伟
Frontiers in Energy. 2019, 13 (1): 172-184.  
https://doi.org/10.1007/s11708-019-0610-6

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热管利用连续的相变过程,以较小的温差实现较高的热传导。几十年来,热管与新兴技术(例如采用纳米流体和自湿润流体)的结合取得了极大的发展。除了热控和余热回收等典型应用,热管技术与吸附式技术的耦合可有效提高吸附式系统(可用于制热,冷却和冷热联供等)的热质传递性能。然而,现有关于这种整合的研究中,关注吸附原理本身用于连续传热的很少。本文呈现了热管的新兴工质流体,主要应用实例以及热管型吸附式系统的研究进展,在此基础上进一步介绍了化学吸附热管这一新型传热元件的研究成果,以期为后续的探索提供一些有益的指导。

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应用于亚热带城市的太阳能吸收-过冷压缩式复合制冷系统性能分析
叶向阳, 刘黎鸣, 李泽宇
Frontiers in Energy. 2019, 13 (1): 185-192.  
https://doi.org/10.1007/s11708-017-0452-z

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由于其吸收子系统工作于较高的蒸发温度,太阳能吸收-过冷压缩式复合制冷系统是一种新型、高效、经济的制冷系统。对于该复合装置,受到吸收子系统与压缩子系统强耦合影响,其热力性能在不同工况下的变化特性是十分复杂的。因此,本文建立了太阳能吸收-过冷压缩式复合制冷系统热力学模型,并基于亚热带广州气象数据分析了机组在不同工况下的性能。当压缩子系统冷凝温度从38 ℃变化至50 ℃时,吸收子系统工作份额从75%增大至85%。此外,节能份额从5.31%提高至6.02%。吸收子系统日均COP则从0.366上升至0.407。然而,当吸收温度从36 ℃增加至48 ℃时,复合系统COP从2.703降低至2.312。同时,吸收子系统工作份额从80%减少至71.7%。节能份额则从5.67%衰减至5.08%。当压缩子系统蒸发温度从4 ℃上升至14 ℃时,吸收子系统日均COP从0.384下降至0.365。而压缩机功耗则从48.2 kW降低至32.8 kW,复合系统COP从2.591提高至3.082。

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用于多效蒸发海水淡化系统的太阳能吸收器模拟研究
赵兆瑞, 杨宝, 邢子文
Frontiers in Energy. 2019, 13 (1): 193-203.  
https://doi.org/10.1007/s11708-019-0608-0

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近年来,多空双层木质太阳能吸收器因其在太阳能淡化系统中的潜力而被广泛研究。本文建立了一套数学模型分析此种多孔太阳能吸收器的热力学性能,并进而分析了其应用在多效蒸发海水淡化系统中的运行性能和运行参数。针对系统中的运行参数,包括驱动蒸汽温度、海水流量、太阳能吸热量及系统效数等,其对单位产水量的影响进行了整体的分析。结果表明,在蒸汽驱动温度为145℃的运行状况下,MED系统的整体运行效果最佳,单位能耗为24.88kWh/t。太阳能吸热功率大幅影响了多效系统的级间温差。在50kW至230kW范围内,平均温差有1.88℃升高至6.27℃。模拟结果对此种多孔双层太阳能吸收器的设计优化与其在MED系统中的性能改进有极大地指导意义。

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