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Science：8幅图描绘流体力学的奇幻世界

  早在2011年，全球著名期刊Science上发表了一篇简报，评选出了最能够描述流体力学奇幻世界的8张图片。      流体和气体可以以奇怪而神秘的方式移动，而我们的肉眼往往难以直接观察到这些运动。只有使用示踪剂或染料、摄影技术和一点运气，我们才能捕捉到流体动力学。1-超音速冲击波      当一个物体的移动速度超过音速时，有趣的事情就会开始发生。上图中的子弹移动得如此之快，它前面的空气无法足够快地离开。因此，它开始堆积在子弹前面，形成一个压缩空气区域 - 冲击波。超音速喷气式飞机也会发生同样的事情。当它们飞行速度超过音速时，它们会在它们面前形成冲击波。伴随这些飞机而来的音爆，实际上是压缩空气的波浪从你的耳朵里飞驰而过。2-冯·卡门涡街          在上图中，吹过太平洋上空云层的风遇到了阿拉斯加阿留申群岛形式的障碍物。其中两个岛屿在图像右侧可见为较暗的斑点。当气流遇到像岛屿这样的物体时，它们会分裂并绕过障碍物。这在物体后面设置了一个低压区域。当空气环岛时，气流向低压卷曲。这种卷曲或漩涡会获得旋转并从流的其余部分中断开来。这些气流交替旋转，形成一条漩涡云的尾线。3-倒置绘图      当前导物体遇到的阻力小于其后方物体时，就会发生倒置。例如，当流遇到被动对象（如标志）时，这些对象一个接一个地排列。旗帜被认为是被动的，因为它们会随着每一次移动的微风而飘动，这与被认为是刚性物体的人类不同。在此图像中，两条白色的 S 形线是一前一后的标志。跟随者位置的旗帜切入前方旗帜发出的尾流。通过切入前方的尾流，后方减少了前方所经历的整体阻力。4-Saffman-Taylor 不稳定性      这些美丽的图案是不同粘度的流体之间相互作用的结果，这是衡量液体厚度的指标。例如，水的粘性低于蜂蜜。图中，一种称为甘油的粘性流体夹在两个透明板之间。当将水等粘度较低的流体注入甘油时，水会以手指的形式侵入。当指尖分裂成更多的手指时，图案会增长。5-对流      对流的一个经典例子始于上图中装满温水的高脚杯。随着玻璃周围的空气升温，它开始上升。最终，空气将失去对周围环境的热量，冷却然后下沉。在图中，漂浮在水池中的冰块冷却了它周围的液体。由于冷水比温水密度更大，因此较重的液体开始下沉。6-空穴现象          当螺旋桨叶片等物体以足够的速度穿过流体时，它会在液体中产生空隙。这个空腔或气泡会自行坍塌，产生冲击波和水柱。当一小块水被电火花或激光击中时，也会形成空化气泡，如下面的视频所示。这会产生一个气泡，该气泡会迅速内爆，还会产生冲击波和水射流。在上图中，激光在水滴中产生了空化气泡。当它坍塌时，气泡形成了两个射流，一架更高、更薄的喷气式飞机出现在一架更短、更宽的喷气式飞机的中间。液滴内的小气泡环是初始空化气泡的残余物。7-开尔文-亥姆霍兹不稳定性      上面云图中的波浪说明了当两个紧挨着的气流以不同的速度行进时会发生什么，从而产生所谓的开尔文-亥姆霍兹不稳定性。当这种情况发生时，两个流动相遇的区域会产生摩擦，从而将一层卷成漩涡。开尔文-亥姆霍兹不稳定性在像土星这样的行星上表现得很好，这些行星具有交替的大气带。8-弹跳射流       通常，当您将一种液体倒入另一种液体池中时，水流会直接进入。但是，如果当液体撞击到水池时，水流正在移动，那么水流实际上可以沿着水池表面上方的薄薄空气层反弹。在上图中，将硅油倒入相同液体的容器中。当水流撞击水池上方的空气层时，水流的重量会像橡皮筋一样弯曲水池表面——表面张力可防止水流穿过水池顶部。然后，油从它产生的小浸渍中反弹出来，并在池子上划出弧线。 最著名的风电照片     风力发电机是一种典型的流体机械。这幅照片相当于风电领域的“蒙娜丽莎”，它时常会出现在与尾流相关的书籍、行业报告、学术论文上。作为一名内行人，也许你已经看腻了这张图，但你是否了解它背后的故事呢？中国有30万人都知道！（点击下图访问） http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU4MjgxMDAzMQ==&mid=2247483671&idx=1&sn=c9bf550281289e2065d1fb88eb0cc9d5&chksm=fdb3e1d7cac468c164e4b9981c2e4b5a52299deca0eeadefc57167bbb7027748e02eaf6f1b6f&scene=21#wechat_redirect  

塑料的前世今生

  塑料的前世今生作者：江志成、李瑞凯、张星宇、孔令照*作者单位：苏州科技大学作品摘要      随着热化学回收技术的发展，废弃塑料瓶有了新的生命。在回收处理过程中，废弃塑料可以转化为热解油、氢气和碳纳米管等有价值的物质，甚至再次回到加工厂，重获新生。过程中实现了塑料的生命周期闭环，减少了资源的浪费和环境的污染。通过技术创新和环保意识的提升，我们可以减少对一次性塑料制品的依赖，推动循环经济的发展，从而保护我们共同的地球家园。作品内容（视频）   作者介绍        江志成，共同第一作者，2022年获皖西学院学士学位。目前在苏州科技大学孔令照教授的小组攻读硕士学位，主要研究方向是利用微波场对废塑料的高效利用，塑料热解催化剂设计与应用和新型催化剂回收与再利用技术。       李瑞凯，共同第一作者，于2023年获得南京林业大学工学学士学位，同年被苏州科技大学录取为硕士研究生。目前为苏州科技大学清华研究院联合培养的硕士，校内导师为苏州科技大学的孔令照教授，校外导师为清华大学的吴静研究员。研究方向是危险废物溯源。        张星宇，共同第一作者，于2023年获得安徽工程大学工学学士学位，同年被苏州科技大学录取位硕士研究生，目前在孔令照教授课题组攻读硕士学位。主要研究方向是塑料热解催化剂设计与应用，新型催化剂回收与再利用技术和塑料在供氢溶剂中的催化热解。       孔令照，通讯作者，1980年生，博士，苏州科技大学教授，博士生导师，环境学科带头人，课题组长。主要从事生物质废弃物资源化方面的研究工作。建立了生物质水热催化制备酸醇醛等重要含氧化学品的技术体系，研发基于微波辐射的生物质热化学转化（百吨级热解、千吨级干燥、万方级热脱附和热重（全国首台））装备4台套并完成2项示范运行。近年来主持国家、省部级及企业项目25项，在ACS Catalysis、Green Chemistry等期刊上发表学术论文100余篇，授权发明专利20件（美国专利1件，国际专利1件)，指导博硕士研究生26人，中科院青年促进会会员，欧洲生物质会议(EUBCE)科学委员会委员，中国化工学会微波能化工专委会委员，中国环境科学学会高级会员，Green Energy & Environment等5个期刊青年编委，获得侯祥麟石油加工科技技术奖。    

空气也能这样玩？水下恒压压缩空气储能来了！

 海上可再生能源发电，尤其是风电，已进入规模化发展时期。据国际可再生能源署（IEA）和中国风能协会（CWEA）报道，2023年全球海上风电新增装机7.3GW，累计超过50GW，其中，中国海上风电累计装机达到37.7GW，位居全球第一。由于可再生能源具有波动性、随机性和不可预测性，难以满足居民用户稳定用能需求。储能通过在电力过剩时储存盈余电力，在电力不足时释放储存的能量补充电力缺口，能够实现可再生能源平滑输出，保障用户用能需求，在发电侧与用户侧之间建立起一条弹性纽带。随着海上可再生能源大规模发展，海上储能需求急剧增加。如何开发出经济、适用、可靠的海上储能技术是储能相关从业者们首先需要解决的问题。压缩空气储能技术压缩空气储能技术是基于燃气轮机技术发展起来的物理储能技术，系统原理如下图所示，具有储能规模大、放电时间长、建设和运行成本低、寿命长等特点。储能时，利用过剩或非峰值电A能驱动电动机旋转，将电能转化为机械能，电动机带动压缩机（一种将低压气体提升为高压气体的机械）将空气从低压状态压缩至高压状态，并将高压空气储存在储气装置（盐穴、人工硐室或储气罐）中，最终将电能转换成空气热能和压力能。释能时，高压空气从储气装置释放，进入燃烧室同燃料一起燃烧，或在换热器中被其他热流体加热，高温高压气体驱动透平（将流体介质中的能量转换成机械功的机器）旋转，透平带动发电机发电，最终将空气内能转换成电能。压缩空气储能技术示意图（图片来源：中国科学院工程热物理研究所）中国科学院工程热物理研究所从2004年开始开展不需要燃烧燃料的先进压缩空气储能技术研究，完成了先进压缩空气储能技术从kW级到300MW级的蜕变，成功将先进压缩空气储能技术从理论研究推向商业化应用阶段。工程热物理研究所压缩空气储能技术研发历程（图片来源：中国科学院工程热物理研究所）另辟蹊径无论是传统压缩空气储能，还是目前已进入商业化初期的先进压缩空气储能，均采用容积不变的储气装置，属于恒容压缩空气储能。但无论是传统压缩空气储能，还是目前已进入商业化初期的先进压缩空气储能，均采用容积不变的储气装置，属于恒容压缩空气储能。但现行的恒容压缩空气储能技术，难以满足海上可再生能源开发对储能技术的迫切需求，它面临三大关键瓶颈：第一，沿海特殊的地理环境中，没有密封性好的地下盐穴、无法建设地下人工储气硐室，地面空间不足以安置大规模储气罐，因此难以找到合适的大规模储气场所；第二，采用恒容储气，储释能过程中储气装置内部压力和温度不断变化，为使得透平输出功率相对稳定，需要通过节流阀调节进气压力，能量损失大，效率有待进一步提高；第三，受限于储气装置内部压力变化和调节需求，设备需要不断变化运行工作状态，以适应储气库内压力和调节需求，频繁变化工况中效率急剧下降，缺乏可再生能源侧集成储能系统的相关理论支持。针对以上瓶颈，中国科学院工程热物理研究所储能研发中心的研究人员准备另辟蹊径——开发水下恒压压缩空气储能技术。我们知道，水下特定位置的水压与水深一一对应，只要水深不变，水压便维持不变，因此，设法将水压传递给储气装置内部的空气就可实现恒压储气和恒压放气。科研人员由此发展了闭式柔性储气装置和开式刚性储气装置两种类型的水下恒压储气装置。柔性储气装置外壁与水接触，水压通过柔性储气装置传递给装置内部空气，储气装置内部气量变化只会影响储气装置内部实际空间大小，不会导致压力变化。开式刚性储气装置底部开孔，直接与水接触，在充放气过程中，水通过开孔进入或被排出储气装置。同样地，储气装置内部气量变化不会导致压力变化。这两种储气装置均能实现装置内部空气在排气压力不变的情况下完全释放，可以完全利用储气空间，储能密度高。由于储/释能过程中，储气库内压力均维持不变，压缩机和透平的工作压力也可以根据储气库设计压力最优化设计，且始终工作在设计点附近，系统能量损失小，运行效率高。通过对比研究发现，恒压系统较恒容系统效率高3％-6％，且储气压力越大，恒压系统储能密度优势越明显，绝热恒压系统储能密度可达恒容系统3倍及以上。不断优化海上、陆地应用现行的压缩空气储能技术受限于沿海陆地资源条件，而水下恒压压缩空气储能技术恰好能够利用水下宽广的海床和水下恒温恒压环境，作为储气场所，储气规模不受限制，为海上可再生能源大规模发展提供高效、低成本的储能技术支撑。通过水下恒压压缩空气储能与海上可再生能源共建，协同规划，就能实现不稳定、不可控的可再生能源平滑输出，为沿海用户提供稳定可靠的绿色电力供应。该技术除了可以应用在海上可再生能源开发中，还可用于对现有的压缩空气储能电站进行升级改造。通过给现有的压缩空气储能电站增加地面水池和敷设直通储气装置底部联通管道，实现恒压运行，系统额定效率有望提高3%-6%，避免恒容储气使系统偏离设计工况运行，降低电站运维难度，大幅提高电站运行寿命。近年来，我们从优化设计、优化运行及实验验证三个层面展开恒压压缩空气储能技术研究。在优化设计方面：建立了适合于水下恒压压缩空气储能的分析方法，确定了能量损失的源头，揭示了压力能与热能协同高效储存理论，进一步建立了能量损失极小化的优化方法；在优化运行方面：通过理论分析与实验验证相结合的方法揭示了恒压压缩空气储能关键参数调节特性，提出了多参数联合变工况调控策略，大幅拓宽高效运行范围。在实验验证方面：为突破水下实验场地和成本限制，提出了基于深水模拟装置的恒压压缩空气储能实验技术，采用高压水和高压气模拟柔性气囊外部深水环境，搭建了兆瓦级恒压压缩空气储能系统实验平台，设计储气压力等效水深约700米。我们已完成了系统性能实验与测试，经具有CNAS资质的第三方测试，系统效率达到国际领先水平，较同规模恒容系统高出6.7%。同时，我们也开展了储能系统与可再生能源耦合调控实验验证，结果显示，系统具有很好的负荷跟随性能，实验功率跟随误差不超过±5%，且效率均维持在额定效率的90%以上，验证了恒压系统作为发电侧储能的可行性。恒压压缩空气储能试验平台示意图（图片来源：中国科学院工程热物理研究所）兆瓦级恒压压缩空气储能实验平台（图片来源：中国科学院工程热物理研究所） 结语未来我们将进一步对水下恒压压缩空气储能的关键部件进行深入研究，突破关键设备在沿海地带高盐雾、高湿度等特殊环境下长期稳定运行的能力，攻克开式水下恒压压缩空气储能中压缩空气在水中的溶解难题、闭式水下恒压压缩空气储能系统中柔性储气装置锚固问题，开展水下压缩空气储能技术工程示范。相信在不久的将来，水下恒压压缩空气储能技术将逐渐发展成熟并进入产业化阶段，为海上可再生能源发展保驾护航，为实现“双碳”目标注入新的活力。参考文献：[1] Changchun Liu, Xu Su, Zhao Yin, Yong Sheng, Xuezhi Zhou, Yujie Xu, Xudong Wang, Haisheng Chen. Experimental study on the feasibility of isobaric compressed air energy storage as wind power side energy storage.Applied Energy. 2024;364:123129.[2] Changchun Liu, Zhao Yin, Xu Su, Xuehui Zhang, Zhitao Zuo, Yong Sheng, Xuezhi Zhou, Xudong Wang, Yujie Xu, Haisheng Chen. Megawatt Isobaric Compressed Air Energy Storage: an Experimental Study on the Discharge Process.Energy Proceedings; 2024;47.注：本文作者刘长春，中国科学院工程热物理研究所副研究员，长期从事压缩空气储能关键技术研究。

冬奥都结束了 还有人不知道“最快的冰”？

022年北京冬奥会结束了！  在各项高科技的加持下，冬奥会赛场上多项纪录被打破。国家速滑馆“冰丝带”的冰，更被网友称为“破纪录的冰”。  “冰丝带”是亚洲建筑规模最大的速滑馆，有目前亚洲最大的冰面。值得关注的是，它的冰面采用二氧化碳直冷制冰，这也是全球首个采用二氧化碳跨临界直接蒸发制冷的冬奥速滑场馆。 国家速滑馆“冰丝带”内部（图片来源：新京报记者陶冉摄）   Part.1                       二氧化碳制冷：一举两得的制冷技术 我们对于二氧化碳并不陌生，它有一个突出的物理特征：在加压和冷却的条件下可以变成液体，继续降低温度则会变成雪花状，再经过压缩处理极易形成干冰。压力降低后，干冰会迅速蒸发或升华，这个过程会带走大量的热，从而使环境温度降低，这便是二氧化碳制冷的原理。 大量排放二氧化碳造成的温室效应，给地球带来诸多不良影响。如果将大气中的二氧化碳作为一种安全、经济和环保的“自然”制冷剂实现高效制冷，可谓是一举两得：既能有效利用排放的二氧化碳去缓解温室效应，又能显著提升人工制冷的性能。 二氧化碳制冷有望将温室效应转变为舒适环境的示意图（图片来源：作者自制） 二氧化碳制冷原理看着简单，但操作过程很难。具体而言，二氧化碳跨临界直冷制冰的整个过程需要压缩机、气体冷却器、膨胀阀、蒸发器、管路、阀门等。首先，通过压缩机来提升二氧化碳的压力至超临界状态。 接着，压缩机排出高温高压的二氧化碳流过气体冷却器来冷却其温度，放出的热量用于余热回收。 然后，二氧化碳制冷剂流过膨胀阀，在此过程中其压力迅速降低。 最后再通过蒸发器内二氧化碳的迅速蒸发，吸收周围环境热量，从而实现制冷或者制冰的效果。 二氧化碳制冷示意图（图片来源：作者自制）  Part.2                       制冷剂这么多，为什么要用二氧化碳制冷？ 在室内冰场制冷剂的选择上，二氧化碳并不是首选，早期人们曾大量采用氨或氟利昂作为制冷剂。但考虑到合成制冷剂对臭氧层有破坏且温室效应显著，如今已经被淘汰不再应用，而氨工质（工质指用来实现热能和机械能相互转换的媒介物质）应用于室内冰场具有一定的危险性。 与之相比，用二氧化碳制冷比较环保，碳排放趋近于零，“冰丝带”场馆内的4块主冰面在竞技时可减少约900吨二氧化碳排放。不仅如此，相比传统制冷技术，二氧化碳制冷效率高，可将能效提升20%以上，而且还能实现均匀制冷，冰面不同位置的温差基本控制在0.5℃以内，其硬度和平整度几乎一致而有利于滑行。  Part.3                       制冷技术哪家强？“冰丝带”为何选择了它？ 选好制冷剂之后，就要考虑制冷技术了。目前的人工制冷技术主要有间接制冷技术和直接蒸发式制冷技术。 间接制冷技术指的是系统蒸发器产生的冷量不能直接被用户利用，而是需依靠传热载体通过输送、热交换设备才能达到制冷的目的。 而直接蒸发式制冷技术则是系统蒸发器直接与被冷却空间进行热交换以达到制冷的效果。 对于刚结束冰雪赛事的“冰丝带”而言，应该如何选择制冷技术呢？（图片来源：北京日报） 无论间冷式还是直冷式，都要求冰面温度均匀性较高，两种方式所需的工质流量不同，因此耗电量成为两者的主要差别。相比之下，二氧化碳跨临界直冷制冰技术的优势便显露出来了。 首先，二氧化碳跨临界直冷制冰技术最显著的优势之一是温度均匀性极佳。尽管长距离流动时，不同位置的流量可能不同，但由于二氧化碳的黏度较小，其蒸发温度能够保证基本不变，因此冰场的温度极其均匀。 而在间冷式冰场中，载冷剂的放热温区较大，其管道进出口存在一定温差，一般能达到1.5℃-2℃。为保证冰场温度足够均匀，需要增大载冷剂的流量，当工质循环量约为直接蒸发式的十倍时，同样可以在极小温差（基本处于0.5℃以内）的情况下进行制冷，但循环泵的耗电量会大幅增加。 另外，二氧化碳作为低温制冷循环工质可在设备小型化、换热效率和维护保养上具有优势。 由于二氧化碳相比人工合成类制冷剂的分子量小，制冷能力大，可以减小压缩机尺寸，便于系统高效紧凑设计。 二氧化碳具有高密度和低粘度，其流动损失小，传热效果良好。 此外，二氧化碳容易满足设备的润滑条件，难以腐蚀制冷设备，能显著改善压缩机的密封性。 此外，跨临界循环的特点使得二氧化碳的“冷凝”过程可以在气体冷却器中冷却，减小了系统的传热损失。 通过高效回收余热的二氧化碳热泵系统，可回收超过60%的热量，并提供70℃的热水用于运动员的生活热水、融冰池融冰和冰面维护浇冰等能源需求。 综合以上优势，二氧化碳跨临界直冷制冰技术便成为了冬奥会“冰丝带”制冰的最佳选择。  Part.4                       这项技术在“冰丝带”中终获完美应用 别看冰丝带表面只有晶莹剔透的冰面，其实它就像个“三明治”，下面还有好几层，包括钢筋混凝土层、保温层、夯填砂层等。这种设计有利于冰面下端的保温隔热，也能实时调节地面各处的温度，保证冰层的厚度与温度的一致性。 典型人工冰场的地面结构图（图片来源：参考文献2） 在采用二氧化碳跨临界直冷制冰技术的过程中，“冰丝带”使用智能控制系统，让二氧化碳制冷剂在冰面下的合金钢管中昼夜不停地进行气液相变蒸发。 多台二氧化碳压缩机同时工作，冰板层制冷管道内的低温二氧化碳与钢筋混凝土层进行换热，使温度逐步降到零下十几度。 然后再不断向冰板上洒水，即可冻结成每层几毫米的冰面，最后经过多轮制冰工序，冷冻成厚度为30mm的冰面，确保冰面良好的稳定性和温度的均匀性。 此外，冰丝带的冰面采用分模块控制单元，就像一个温度不同的“九宫格”，将冰面划分为若干区域。根据不同项目分区域、分标准进行制冰，可同时开展冰球、速度滑冰、花样滑冰、冰壶等群众性冰上运动，持续利用该冰面满足人们健身的多种需求。 另一个问题来了：制冷过程中不是产生了大量热量吗？都去哪儿了？ 前面也提到过，制冷过程中产生的大部分余热会被回收，可用于运动员生活热水、冰场融冰、场馆除湿、空调采暖以及冰场底层防冻等工作，甚至还可供周边居民用热需求。 这样一来，一年可节省电量约1.8×10^6 kW·h，相当于550吨标准煤或上海360户家庭一年的用电量。  （上图来源：体育生活报；下图来源：青岛达能环保设备股份有限公司） 先进的二氧化碳跨临界直冷制冰技术不仅在冬奥会中大放异彩，还能应用于食品冷冻/冷藏、汽车空调、热泵系统等更多的领域中，有望成为加速实现“双碳”目标的前瞻性技术，为创造人类的美好未来贡献更大的力量。  参考文献: 1. 马一太, 王派. 2022年北京冬奥会国家速滑馆CO2制冷系统和国家雪车雪橇中心氨制冷系统的简介[J]. 制冷技术, 2020,40(2): 2-7.2. 王派, 李敏霞, 宋瑞涛, 詹浩淼, 马一太. CO2跨（亚）临界制冷人工冰场的分析与研究[J]. 制冷技术, 2020, 40(2): 25-30.3. J.F. Wang, P. Zhao, X.Q. Niu, Y.P. Dai. Parametric analysis of a new combined cooling, heating and power system with transcritical CO2 driven by solar energy[J]. Applied Energy, 2012, 94: 58-64.4. X. Song, D.X. Lu, Q. Lei, D.D. Wang, B.B. Yu, J.Y. Shi, J.P. Chen. Energy and exergy analyses of a transcritical CO2 air conditioning system for an electric bus[J]. Applied Thermal Engineering, 2021, 190: 116819.5. 王斌. 以CO2为冷剂的人工冰场制冷系统应用研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2018.6. F.Z. Zhang, P.X. Jiang, Y.S. Lin, Y.W. Zhang. Efficiencies of subcritical and transcritical CO2 inverse cycles with and without an internal heat exchanger[J]. Applied Thermal Engineering, 2011, 31(4): 432-438.7. 李锋, 司春强, 马进. 二氧化碳跨临界制冷系统的研究及应用进展[J]. 冷藏技术, 2020, 43(3): 46-52.

同样是太阳能发电，为什么光热发电一直“默默无闻”？

出品：科普中国制作：陈劲涛、陈琳监制：中国科学院计算机网络信息中心 在已知的清洁能源中，太阳能无疑是目前地球上可以开发的、储量最多的可再生能源。提起太阳能利用，大家首先会想到的是光伏发电，毕竟，太阳能汽车、太阳能充电宝等我们在平常生活中就可以看到。其实，太阳能还有另一种利用方式，太阳能光热发电。 了解光热，记住光热光伏发电、光热发电，都是利用太阳能发电，差别在于，利用的原理不同。光生伏特效应是太阳能光伏发电的基本原理，而太阳能电池是完成太阳能到电能转换的载体。太阳能电池是一种含有P-N结的半导体材料，P-N结可以吸收太阳光，并在内部建立电场，当在电场两侧接入一定的负载时，负载上就会产生电流，整个过程就是太阳能光伏发电的基本原理。而太阳能光热发电的原理是，通过反射镜将太阳光汇聚到太阳能收集装置，利用太阳能加热收集装置内的传热介质（液体或气体），再加热水形成蒸汽带动或者直接带动发电机发电。简要来说，太阳能光热发电分为三个环节，集热环节、利用太阳能加热导热介质、最后通过导热介质带动发动机发电。而相应的针对各个环节，都有不同的方法进行科学的不断尝试来形成最优设计，如：集热环节主要有槽式、塔式、碟式、涅菲尔式等4种；导热工质一般采用水、 矿物油或者熔盐；最后可通过水蒸汽朗肯循环、CO2布雷顿循环或者斯特林发动机等发电。那么太阳能光热发电究竟是怎么运行的呢？我们将用一个已经投入运作的示范项目进行详细说明。图片来源：参考资料1 首先，这种太阳能电厂由定日镜组成。定日镜受电脑的控制，跟随太阳转动，可以将一天的日光都反射到中心点。定日镜占地面积小，可以被单独放置，并且无需深固的地基就可以适应地形。发电厂包括成百上千的定日镜，它们可以通过WIFI互相连接以提高效率，将阳光反射聚集到塔顶上一个叫做接收器的大型热交换器上。图片来源：参考资料1 在接收器内，熔盐流体可通过管道的外壁吸收聚集在此处的阳光中的热量。在此项技术中，熔盐能从500华氏度被加热到1000华氏度以上。因为熔盐在熔融态下可保持较宽的工作温度范围，允许系统在低压工况下，出色、安全地实现能量的吸收和存储，所以它是一种理想的吸热介质。图片来源：参考资料1 经过吸热器后，熔盐沿着塔内的管道向下流动，然后进入储热罐。图片来源：参考资料1 之后，能量以高温熔盐的形式被存储下来以备不时之需。该技术的优点是液态熔盐既可以收集能量，还可以将能量收集与发电分离。图片来源：参考资料1 当白天或晚上需要用电时，水箱中的水和高温熔盐分别流入蒸汽发生器，从而产生蒸汽。图片来源：参考资料1 一旦熔盐用于产生蒸汽后，冷却的熔盐经管道回冷储罐，然后再次流回吸热器，随着过程的继续重新被加热。图片来源：参考资料1 蒸汽在驱动汽轮机之后，会被冷凝回水，然后返回储水箱，必要时它将流回蒸汽发生器。图片来源：参考资料1 这样高质量的过热蒸汽驱动汽轮机以最高效率运行，以便在用电需求高峰时段产生可靠持续的电力。蒸汽产生的过程与常规火电或核电厂中的过程相似，不同点是完全可再生的且废料和有害排放为零。即使天黑了，电厂仍可按需从可再生的太阳能中提供可靠的电力。图片来源：参考资料1 以上就是一组太阳能光热发电系统整个的运作过程，不知道大家有没有对光热发电有更深入的了解呢？那么，同样是太阳能发电，为什么光热发电一直“默默无闻”？光热发电明明在科学界中具有一定的探索价值，为什么在人类的日常生活中却没有得到广泛的应用呢？ 光热发电vs光伏发电，二者孰优孰劣？同一种能源的利用，却产生了不一样的亲民性，这是与光热发电和光伏发电各自的优劣势是分不开的。从集热环节思考，光热发电对于应用地域的要求是高于光伏发电的。光热发电顾名思义就是以热度为标准，需要高温度的辐照，而光伏发电对热度一般没有那么高的要求。我们所适应居住的地点，太阳能辐射强度不足以用于建设光热电站。因此在日常生活中，我们对于光热发电并不熟悉。从导热介质环节思考，光热发电所使用的熔盐等物质，成本低、价值高、可持续利用，是优于高成本、低寿命的光伏电池的。因此，光热发电的能量储存能力远高于光伏发电。同时，光热发电由于储能效果好，在接入电网时，受到天气环境因素的影响就会小，对电网负荷波动的响应会低。因此，在发电的可调度性上，光热发电更优于光伏发电。从导热介质带动发动机发电环节思考，光伏发电只需要进行光电转化，而光热发电是经过光电转化后还要进行光热的转化，可见光热的发电步骤更复杂。不过，光热发电多出的一个环节可应用于其他方面。例如光热发电产生的热度可以降低海水盐度，淡化海水，同时也可以应用于工业生产中。这说明光热发电比光伏发电的应用领域更广。但同时，多经历一个环节，对科学技术掌握的要求也就更高，运用到实际工程领域的难度也就越大。光热发电难度高于光伏发电，且我国的光热发电研发起步也晚于光伏发电，因此，光热发电的技术仍然在不断健全和完善中。正所谓原理产生差异，因此各有优劣。那就更需要相互努力，光热发电和光伏发电还有很长的路要走。 道阻且长，未来仍需努力对于当前能源、资源和环境等问题来说，太阳能源是一种十分有效的解决途径。自太阳能被发现利用以来，能源短缺的现象得到了一定程度的缓解，太阳能的各种优点特性使其在众多能源领域中具有无可替代的地位。作为两种主要的太阳能利用方式，太阳能光热发电技术与太阳能光伏发电技术优势不同，应用领域也不同，有各自的优势和发展前景。在太阳能发电发展比较好的地方，应该既有光热发电系统，又有光伏发电系统。长期来看，两者是互补关系。虽然光热发电技术由于某些原因的限制不被大家所熟知，但是在成本、能源的消耗、应用范围、存储状况这些方面，光热发电都是相对较优选择。我们有理由相信，总有一天，无论是太阳能光伏发电技术还是太阳能光热发电技术都将会成为人类科技持续、协调，稳定发展的支柱。 参考资料：1、https://v.qq.com/x/page/u0516v5d3mi.html

流浪地球？别闹了！科学利用太阳能才是关键

     去年上映了一部非常火爆的电影叫流浪地球，是由刘慈欣著作改编的。当时科学家发现太阳系急剧衰减可能会吞噬整个太阳系，于是人类就提出一个大胆的计划，在地球的表面建成数以万计的行星发动机和转向发动机把地球从太阳系脱离出去，然而数以万计的发动机需要燃烧9.96155×10^20千克物质才能勉强达到逃逸速度。      为什么需要这么大的动力才能脱离呢？主要原因是由于太阳和地球间适当的距离以及太阳所提供的引力使得地球围绕着太阳公转而不容易离开。地球离太阳不能太远也不能太近，离得太近则温度升高不适合人类的生存，离得太远不能为人类和地球上生命提供足够的能量。也好在正是这恰当的距离，才会有了人类文明的存在。小编认为逃离太阳是不现实的，太阳系至少还得再燃烧50亿年而且我们还找不到更好的。正所谓既来之，则安之，我们的地球都和太阳相处了45.4亿多年了，这感情可不是一般兄弟能比的。那既然不能逃离，不如想想如何科学的利用太阳能。   众所周知，我们的地球自转一圈就是一个白天和一个黑夜，绕着太阳公转一圈则会经历一个春夏秋冬。地球非常神奇，同样神奇的也有那1.5亿公里外的太阳。那我们今天就以下四个内容来了解下这神奇的太阳和太阳能科学利用：从能源与环境的角度考虑为什么要利用太阳能、太阳能神奇的地方在哪里、目前我们太阳能利用的主要形式是什么以及未来在其他方面的一些太阳能利用的技术。为什么要利用太阳能   我们的社会和生活需要能源，石油、天然气和煤炭都是化石能源。出门开车需要汽油和柴油，它们都是由石油提炼而来的。家里做饭需要天然气，冬天供暖也需要天然气来燃烧产生热量。我们的生活离不开化石能源，但是无节制的不恰当使用化石能源会带来严重的环境污染。首先一个很重要的问题就是雾霾，它会对我们的身体产生很严重的影响。其次，化石燃料的不恰当利用会产生大量的二氧化硫、三氧化硫和氮氧化物，当它们在空气中积累到一定的浓度后就会促使酸雨的形成。最后，化石燃料不恰当的大规模利用还会造成臭氧层的空洞，导致全球变暖等环境问题。     大量的二氧化碳存在大气层中就像一个很大的玻璃罩，太阳的辐射能可以穿过二氧化碳层而地面的长波不能穿透二氧化碳层，于是这些热量就留在了地球。经过了长期的积累，地球的温度就会不断升高。温室效应是非常严重的可以造成全球变暖、南北极的冰川融化、海平面上升等这些问题都需要得到我们足够的关注。   我们需要蓝天，需要舒适的生活环境，那就需要改变传统的能源利用方式。使用清洁可再生的能源例如风能、太阳能以及它们转变过来的氢能等等，除了风能、太阳能以外，我们还有潮汐能、生物质能和地热能，但相对于这些能源太阳能的储量非常丰富。虽然到达地球表面的太阳能仅为太阳总辐射的1/22亿，但它的储量也高达1.78×105TW。这是一个什么样的数字呢，对于我国太阳能而言，三峡水电站的发电装机容量是1700万千瓦而我国太阳能资源是三峡水电站的数万倍。与此同时，太阳能在目前的能源装机中起到越来越重要的作用，在2011年我国在全球新增的装机容量占的比重非常小，到2017年我们的新增的装机容量已经达到世界的50%以上。截至到去年底，我国的太阳能光伏的装机容量已经超过2亿千瓦，2亿千瓦是一个什么样的概念呢，对比三峡水电站装机容量是1700万千瓦，太阳能的光伏电站的装机容量相当于十几个三峡水电站。 太阳能的神奇之处   太阳能对于我们来说非常重要，那我们首先要关注太阳本身。太阳是一个巨大的火球其中80%的质量是由氢组成的。在太阳的内部发生质子链式核发反应，太阳中心可以达到数百万以上的温度，表面也有5800摄氏度。太阳是地球的万物之源，地球上的能源主要来自于太阳，植物生长的光合作用维持了地球的氧气的平衡也为生态和生物链提供了食物。太阳和地球中间是真空的大气层，因此只能通过辐射的方式将太阳能输送到地球上。辐射和电磁波一样，我们家里面用的广播以及手机信号都是通过电磁波来传送的。而太阳的辐射更加复杂，它是由很多个波段组成的。每个波段都有自己的特点，它们累加起来就形成总的太阳能。太阳能的波段很多包括紫外线、长波辐射、红外和可见光等等。 太阳能利用的主要形式是什么   正是由于太阳能各个波段的能量，我们可以用各种方式来利用太阳能，其中一项重要的技术就是太阳能发电。地球上的太阳能资源决定了它的利用价值。我们可以从下图中看到太阳能在地球上的资源非常丰富，尤其是在美国的西南部、非洲、欧洲的南部和澳大利亚等等。另一边，我国的太阳能资源也非常丰富，尤其在西部例如青海、西藏和内蒙古地区。   目前，太阳能发电有两种技术，第一种技术叫太阳能光伏发电。部分地区屋顶上随处可见的太阳能电池板，还有太阳能的路灯都是利用了太阳能光伏发电技术。目前主要的太阳能电池板主要有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、聚光光伏电池和薄膜电池等等。应用比较广泛的为单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池，单晶硅太阳能电池的发电效率可以达到20%以上。目前实验室各国的科学家都积极的努力在开展这项研究，实验室的太阳能光伏发电效率可以达到45%以上，小编也希望各位同学可以努力学习来加入这项研究工作。日常生活中，我们可以把太阳能光伏板安装在停车棚上来给电动汽车提供电源。太阳能同样可以运用于高科技技术，比如我们的卫星和登月的月球车是由太阳能来提供电源的，以及未来研发的太阳能汽车、太阳能飞机、太阳能公路以及太阳能充电器     太阳能另外一种利用技术就是把太阳能转化为热能。太阳能直接产生高温蒸汽，在工业上有许多的应用。同样在生活中，太阳能真空管放到屋顶产生热水供洗澡。聚光太阳能和线性太阳能集热器能进行各自烧烤类活动，如烤肉、烤螃蟹、烤培根等，只有想不到的，没有做不了的。有兴趣的小伙伴可以回家自己尝试制作。     而如果要运用太阳能热发电技术，考虑到太阳能在经过衰减、大气层的折射以及水蒸气的折射后，来到地球表面的辐照强度相对来讲已经比较低。比如在大气层外的能量密度是1300瓦每平米，而我们在北京夏天最热的时候，太阳的辐照强度也只有900瓦每平米。因此为了获得更高的能流密度和更高的温度，我们可以采用聚光的方式来利用太阳能。目前聚光的方式主要有四种，分别为抛物槽、线性菲涅尔、碟式和塔式。      从聚焦方式来分可以分为两类，线型的聚焦方式和点聚焦方式，抛物槽和线性菲涅尔都属于线聚光的太阳能热发电系统，碟式和塔式都属于点聚光的太阳能热发电系统。对于四种聚光更细致的原理感兴趣的同学可以从刘启斌研究员的科学公开课——神奇的太阳能和太阳能利用视频中了解。   接下来，我们再来回顾一下聚光太阳能热发电技术历程。1982年美国建成了第一个发电站命名为SolarOne，这是一个具有里程碑意义的太阳能热发电技术，验证了太阳能热发电技术的可行性。随后在美国加州南部建立了大面积的抛物槽式太阳能热发电站，总的装机容量达到了354MW，随后太阳能热发电技术在全球得到了大规模的应用和发展，预计全球到2020年运营可以达到10GW以上。  未来的一些太阳能利用的技术   在太阳能发电技术之后，未来太阳能必定还有其他很多的利用空间。例如：高温太阳能热化学制氢中利用太阳能直接分解水产生氢气和氧气，同时也可以把二氧化碳进行分解产生一氧化碳。通过进一步的化学反应，我们可以把氢气和一氧化碳变成目前使用的液态的燃料，比如甲醇、乙醇和汽油等等。但这种技术需要很高的温度才能把水的化学键给打开，因此我们还可以把太阳能和我们传统的液体燃料结合起来，这样需要的温度就非常低。我们所研究的中低温太阳能热化学制氢技术，通过200到300摄氏度的太阳能驱动甲醇的热化学反应，产生一氧化碳和氢气然后驱动传统的内燃机。太阳能也可以应用于太阳能光催化制氢，利用半导体的特殊性能，我们把半导体材料放到水中，太阳能激发电子跃迁形成还原氧化活性的电子空穴对在水中置换出氢气来，可以用来发电并制取液体燃料等等。未来的能源形势是多种多样的，多能源互补的太阳能利用技术是发展的趋势所在。实现多元化的转化可以变成材料也可以用来发电，与我们目前的能源网络多功能利用形成能源互联网，使我们的生活变得更加便利。   能源是人类社会发展的动力，而能源技术发展依赖于科技的发展和革新。大自然还有很多的奥秘，我们需要抱着敬畏之心，去探索它们。 来源：中国科学院工程热物理研究所 

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  工程热物理学报-45卷9期

  出版日期：2024年8月25日 甲烷化学链干重整制合成气的氧载体 La1−xSrxFe0.8Al0.2O3 性能研究 电驱动自由活塞斯特林热泵性能实验研究 采用 HFOs 工质的地热 ORC 参数优化与热经济性评价 网址链接：https://jeth.magtechjournal.com/CN/home

  2024-08-25 【查看详情】
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  工程热物理学报-45卷8期

  出版日期: 2024年7月30日 液氧/液甲烷零蒸发共底贮存系统冷屏热均匀性能分析 赤藓糖醇相变材料的热稳定性评估 直接空气碳捕集–综合能源系统配置优化方法 网址链接：https://jeth.magtechjournal.com/CN/Y2024/V45/I8

  2024-07-30 【查看详情】
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  工程热物理学报-45卷7期

  出版日期: 2024年05月25日 基于图论与换热器分离的引射式循环构建方法 开式布雷顿循环构型对比及优化设计  竖直表面氦的膜状冷凝过程传热传质机理 网址链接：https://jeth.magtechjournal.com/CN/Y2024/V45/I7    

  2024-05-25 【查看详情】