一种盐差发电装置的热调控渗透能量转换分析方法制造方法及图纸

本公开揭示了一种盐差发电装置的热调控渗透能量转换分析方法，包括：对盐差发电装置的热调控渗透能量转换的物理数学特性进行描述，所述物理数学特性包括物理场、控制方程、物理参数和输出性能；利用相似原理对所述控制方程进行相似分析，获得无量纲控制参数组π

【技术实现步骤摘要】
一种盐差发电装置的热调控渗透能量转换分析方法


[0001]本公开属于新能源
，具体涉及一种盐差发电装置的热调控渗透能量转换分析方法。

技术介绍

[0002]纳米通道内渗透能量转换是以电解液盐度差作为源动力驱动离子载能子选择性定向迁移通过纳米通道形成离子通量，将盐度能能源直接转换成电能的能量转换方式，可为低品位的盐差能的高效利用提供新的途经。纳米通道表面带电会形成双电层，当电解液流经纳米通道，双电层的存在会影响离子分布。由于纳米通道尺寸极小，表面形成的双电层会产生重叠效应，从而展现出离子选择性。由于纳米通道的离子选择性，不同浓度盐溶液之间的混合吉布斯自由能以纳米通道两侧的电势差形式得以转换。
[0003]为提高纳米通道内渗透能量转换的发电效果，热调控的手段最为常见。均匀提高渗透能量转换的整体工作温度会影响离子扩散系数、介电常数等物性参数来影响发电效果。而非均匀提高渗透能量转换的工作温度，如两端存在温差，一方面会影响物性参数，另一方面温差也可以作为一部分驱动力使得离子迁移。总的来说，无论是均匀或非均匀提高渗透能量转换的工作温度，发电系统均展现出更优良的性能。
[0004]在实验研究中，缺乏对纳米通道内热调控渗透能量转换物理过程的统一认知，也没有纳米通道内热调控渗透能量转换的发电效果的统一标准；需要大量的样本以得到发电系统的I
‑
V曲线或计算最大输出功率，会花费极大的经济、时间成本。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种盐差发电装置的热调控渗透能量转换分析方法，该方法通过相似原理分析，得到了热调控渗透能量转换的无量纲控制参数组，该参数组涵盖了纳米通道内非均匀热调控、均匀热调控以及无热调控渗透能量转换的物理规律，从而能够对纳米通道的渗透能量转换产生普适性指导。
[0006]为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：
[0007]一种盐差发电装置的热调控渗透能量转换分析方法，包括如下步骤：
[0008]S100：对盐差发电装置的热调控渗透能量转换的物理数学特性进行描述，所述物理数学特性包括物理场、控制方程、物理参数和输出性能；
[0009]S200：利用相似原理对所述控制方程进行相似分析，获得用于表征盐差发电装置的非均匀热调控、均匀热调控以及无热调控的渗透能量转换的无量纲控制参数组π
i
；
[0010]S300：利用Pi定理对所述物理参数进行量纲分析，获得无量纲控制参数组Π
i
；
[0011]S400：对所述无量纲控制参数组π
i
和无量纲控制参数组Π
i
进行分析，以确定盐差发电装置纳米通道内的热调控渗透能量转换无量纲数，并明晰所述无量纲控制参数组π
i
和无量纲控制参数组∏
i
的联系；
[0012]S500：通过相似原理对所述输出性能进行分析以定义无量纲电势和无量纲电流，
以将多组实验样本统一为一个无量纲样本，或将一组无量纲样本扩充为多组不同的实验样本。
[0013]优选的，步骤S100中，所述物理场包括浓度场、电势场、速度场和温度场，且所述浓度场、电势场、速度场和温度场之间具有耦合作用。
[0014]优选的，步骤S100中，所述控制方程包括：
[0015]泊松方程：
[0016]通量连续性方程：
[0017]能斯特
‑
普朗克方程：
[0018]速度连续性方程：
[0019]纳维
‑
斯托克斯方程：
[0020]能量方程：
[0021]纳米通道边界方程：
[0022]其中，为偏微分算子，ε为介电常数，φ为电势，F为法拉第常数，c为浓度，z为价电荷数，i为第i种离子，n为离子种类总数，J为离子通量，u为速度，D为扩散系数，R为通用气体常数，T为温度，S
T
为Soret系数，p为压力，μ为粘度系数，E为电场强度，ρ为密度，C
p
为比热，λ为导热系数，σ
f
为电导率，σ为表面电荷密度。
[0023]优选的，步骤S100中，所述物理参数包括：工质参数、通道参数、工况参数和常数，其中，
[0024]工质参数包括：介电常数ε，扩散系数D，Soret系数S
T
，粘度系数μ，热扩散率α，导热系数λ，电导率σ
f
；
[0025]通道参数包括：特征长度l，表面电荷密度σ；
[0026]工况参数包括：电势φ，浓度c，速度u，温度T，压力p；
[0027]常数包括：法拉第常数F，通用气体常数R。
[0028]优选的，步骤S100中，所述输出性能包括：I
‑
V曲线、扩散电势、渗透电流和输出功率。
[0029]优选的，步骤S200中，所述无量纲控制参数组π
i
包括：
[0030]π5＝TS
T
、、
[0031]其中，表征纳米通道内空间电势收集电量与空间电荷量的相对大小；表征纳米通道表面电势收集电量与表面电荷密度收集电量的电相对大小；表征离子对流与离子扩散的相对强弱；表征离子电迁移与离子扩散的相对强弱；π5＝TS
T
表征离子热迁移与离子扩散的相对强弱；表征压力与粘性力的相对大小；表征静电力与粘性力的相对大小；表征热对流与热扩散的相对强弱；表征焦耳热与热扩散的相对大小。
[0032]优选的，步骤S300中，所述无量纲控制参数组Π
i
包括：
[0033]∏5＝TS
T
、、
[0034]优选的，步骤S400中，所述无量纲控制参数组π
i
和无量纲控制参数组Π
i
转换后表示为：
[0035]π2＝∏1，π5＝∏5，，π9＝∏9；
[0036]亦或表示为：
[0037]∏1＝π2，∏5＝π5，，∏9＝π9。
[0038]优选的，步骤S500中，
[0039]所述无量纲电势定义为：
[0040][0041]所述无量纲电流定义为：
[0042][0043]其中，φ
*
为无量纲电势，I
*
为无量纲电流，L为纳米通道长度，R为纳米通道半径，φ为电势，σ为电荷密度，ε为介电常数，I为电流，F为法拉第常数，c为浓度，R为通用气体常数，D为扩散系数。
[0044]优选的，步骤S500中，还需对定义后的无量纲电势和无量纲电流进行归一化处理以获得归一化后的无量纲电势和归一化后的无量纲电流；
[0045]归一化后的无量纲电势表示为：
[0046][0047]归一化后的无量纲电流表示为：
[0048][0049]其中，为归一化后的无量纲电势，为归一化后的无量纲电流，φ
*
为无量纲电势，I...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种盐差发电装置的热调控渗透能量转换分析方法，包括如下步骤：S100：对盐差发电装置的热调控渗透能量转换的物理数学特性进行描述，所述物理数学特性包括物理场、控制方程、物理参数和输出性能；S200：利用相似原理对所述控制方程进行相似分析，获得用于表征盐差发电装置的非均匀热调控、均匀热调控以及无热调控的渗透能量转换的无量纲控制参数组π
i
；S300：利用Pi定理对所述物理参数进行量纲分析，获得无量纲控制参数组Π
i
；S400：对所述无量纲控制参数组π
i
和无量纲控制参数组Π
i
进行分析，以确定盐差发电装置纳米通道内的热调控渗透能量转换无量纲数，并明晰所述无量纲控制参数组π
i
和无量纲控制参数组∏
i
的联系；S500：通过相似原理对所述输出性能进行分析以定义无量纲电势和无量纲电流，以将多组实验样本统一为一个无量纲样本，或将一组无量纲样本扩充为多组不同的实验样本。2.根据权利要求1所述的方法，其中，优选的，步骤S100中，所述物理场包括浓度场、电势场、速度场和温度场，且所述浓度场、电势场、速度场和温度场之间具有耦合作用。3.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤S100中，所述控制方程包括：泊松方程：通量连续性方程：能斯特
‑
普朗克方程：速度连续性方程：纳维
‑
斯托克斯方程：能量方程：纳米通道边界方程：其中，为偏微分算子，ε为介电常数，φ为电势，F为法拉第常数，c为浓度，z为价电荷数，i为第i种离子，n为离子种类总数，J为离子通量，u为速度，D为扩散系数，R为通用气体常数，T为温度，S
T
为Soret系数，p为压力，μ为粘度系数，E为电场强度，ρ为密度，C
p
为比热，λ为导热系数，σ
f
为电导率，σ为表面电荷密度。4.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤S100中，所述物理参数包括：工质参数、通道参数、工况参数和常数，其中，工质参数包括：介电常数ε，扩散系数D，Soret系数S
T
，粘度系数μ，热扩散率α，导热系数λ，电导率σ
f
；通道参数包括：特征长度l，表面电荷密...

【专利技术属性】
技术研发人员：屈治国，朱黄祎，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：