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太陽(yáng)能與甲醇熱化學(xué)互補的分布式能源系統研究論文
摘要：本文提出一種基于中低溫太陽(yáng)能與甲醇熱化學(xué)互補的分布式冷熱電供能系統�；跓崃W(xué)基本定律，對系統作了能量平衡分析和擁平衡分析，探討了變太陽(yáng)輻照下系統的熱力性能和儲氣蓄能的變化特性規律。結果表明：設計工況下，系統的一次能源效率達89.36%,擁效率達到47.10%,太陽(yáng)直射輻照強度從500W/m2變化到900W/m2時(shí)，系統一次能源效率和冷、熱、電功率輸出保持穩定。本文的研究成果為高效利用中低溫太陽(yáng)能熱化學(xué)技術(shù)與分布式冷熱電能源系統集成技術(shù)提供了新途徑。
關(guān)鍵詞：中低溫太陽(yáng)能；太陽(yáng)能熱化學(xué)；甲醇分解；分布式供能系統；儲能
太陽(yáng)能具有資源總量大、可再生、清潔的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)和利用太陽(yáng)能對于滿(mǎn)足人類(lèi)日益增長(cháng)的能源需求、減少溫室氣體排放具有重要意義。太陽(yáng)能有能量密度低、不穩定、不連續等特點(diǎn)，單獨太陽(yáng)能熱發(fā)電利用技術(shù)存在不穩定、成本高、系統熱效率低等問(wèn)題。太陽(yáng)能熱化學(xué)技術(shù)通過(guò)吸熱化學(xué)反應過(guò)程，將所聚集的太陽(yáng)能轉化為燃料的化學(xué)能，從而實(shí)現太陽(yáng)能的蓄存和高效發(fā)電。目前囯際上對太陽(yáng)能熱化學(xué)的研究集中于反應溫度600°C以上的高溫熱化學(xué)I1-氣但高溫熱化學(xué)過(guò)程存在集熱效率低、投資成本高、太陽(yáng)跟蹤困難、反應器材料要求高等難點(diǎn)與瓶頸。中科院工程熱物理研究所提出了利用100~350°C中低溫太陽(yáng)能與化石燃料互補的能源系統，為中低溫太陽(yáng)能高效利用開(kāi)辟了新方向[5_氣本文研究提出了一種基于中低溫太陽(yáng)能與甲醇熱化學(xué)互補的分布式冷熱電供能系統，在滿(mǎn)足太陽(yáng)能變輻照運行條件下，進(jìn)行了系統集成，對系統熱力性能進(jìn)行了模擬分析，并結合太陽(yáng)能輻照的變化反應所需的熱量匹配，反應過(guò)程的損失較��；通過(guò)化學(xué)反應，中低溫太陽(yáng)能轉化為燃料的化學(xué)能。
提出了一種中低溫太陽(yáng)能與甲醇熱化學(xué)互補的分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統。
1）甲醇經(jīng)預熱氣化進(jìn)入太陽(yáng)能吸收/反應器，拋物槽式太陽(yáng)能聚光器聚集太陽(yáng)能，由吸收/反應器吸收轉化為熱能，甲醇在催化劑作用下發(fā)生吸熱分解反應；
2）高溫合成氣經(jīng)換熱器預熱甲醇后進(jìn)入內燃機燃燒作功；
3）過(guò)量的合成氣儲存在合成氣儲罐中；
4）內燃機排煙余熱驅動(dòng)雙效溴化鋰吸收式制冷機，制冷機出口煙氣預熱甲醇；
5）預熱甲醇后的煙氣和內燃機缸套水經(jīng)換熱器供熱或提供生活熱水。
系統性能模擬太陽(yáng)直射輻射條件模擬太陽(yáng)能是系統輸入的重要組成部分，太陽(yáng)輻射主要受幾何因素、地形因素以及云量和其他非均質(zhì)性大氣影響因素的影響。建立了晴朗天氣條件下太陽(yáng)直射輻射強度與南北水平軸跟蹤、東西水平軸跟蹤兩種形式的拋物槽式太陽(yáng)能集熱器接收直射輻射強度的模擬程序。
系統設計思路甲醇作為清潔液體燃料，具有便于儲存運輸等優(yōu)勢。但同時(shí)甲醇的熱值較低，其低位熱值20.26MJ/kg低于汽油（低位熱值43.97MJ/kg）等燃料，利用太陽(yáng)能分解甲醇產(chǎn)生成分為氫氣和一氧化碳的合成氣能夠增加燃料熱值。
由以上反應方程可知，由于有太陽(yáng)能的輸入，燃料熱值提高約20%.系統選用拋物槽式太陽(yáng)能聚光裝置，甲醇的吸熱分解反應在一體化太陽(yáng)能吸收/反應器中進(jìn)行。利用AspenPlus軟件的平衡反應器模塊，不同反應溫度、壓力下甲醇分解的轉化率如圖1所示。
根據圖1,綜合考慮反應速率與轉化率，設計反應壓力為0.3MPa;此時(shí)當反應溫度達到250°C,甲醇平衡轉化率超過(guò)99%.在太陽(yáng)熱能向化學(xué)能轉化過(guò)程中，250°C以下的中低溫太陽(yáng)熱能與甲醇分解。0.110.2MPa0.3MPa0.4MPa0.5MPa‘采用拋物槽式聚光太陽(yáng)能集熱方式，計算南北軸跟蹤與東西軸跟蹤兩種跟蹤方式的拋物槽式集熱器單位面積接收的太陽(yáng)直射輻射。取北京地區晴天典型日進(jìn)行研究，模擬結果如圖3所示。
由圖3可見(jiàn)，北京地區全年太陽(yáng)直接垂直輻射強度為最大值900W/m2左右；對比南北水平軸跟蹤與東西水平軸跟蹤兩種跟蹤方式，南北軸水平軸跟蹤總體優(yōu)于東西水平軸跟蹤。
系統設定采用內燃機作為動(dòng)力設備。燃料在內燃機氣缸內燃燒、膨脹做功，其中35%-45%的能量轉化為電能，內燃機排氣帶走25%-40%左右的能量，冷卻系統帶走將近10%-22%的能量，約6%-12%的能量通過(guò)潤滑油冷卻、發(fā)動(dòng)機熱輻射等方式損失�？苫厥绽玫哪芰堪▋刹糠郑号艢夂屠鋮s水的余熱。內燃機排氣溫度為400~600°C,采用余熱鍋爐或余熱型溴化鋰機組回收排氣中的熱量，用于制冷或供熱；用于冷卻的缸套水出口溫度為80-100°C,進(jìn)出口溫差約為10-15°C.系統設定內燃機效率35%,排氣余熱占輸入的40%,冷卻水帶走16%能量，另有9%能量損失；內燃機過(guò)量空氣系數為1.8.
甲醇分兩股預熱氣化，進(jìn)入太陽(yáng)能吸收反應器繼續加熱，經(jīng)過(guò)催化劑床層，發(fā)生分解反應。高溫合成氣通過(guò)換熱器預熱甲醇，冷卻后進(jìn)入內燃機燃燒作功；過(guò)量的合成氣加壓并預熱甲醇后進(jìn)入合成氣儲罐；內燃機排出的煙氣驅動(dòng)雙效溴化鋰吸收式制冷機組制冷；經(jīng)過(guò)制冷機組后的煙氣與內燃機缸套水經(jīng)過(guò)換熱器提供生活用水。
對系統進(jìn)行模擬，假設環(huán)境溫度為25°C,甲醇分解反應溫度為250°C,反應壓力為0.3MPa;吸收式制冷機排煙溫度為170.C,COP為1.3;環(huán)境溫度為25°C,太陽(yáng)輻射強度為700W/m2.
系統模擬結果及分析設計工況模擬結果及分析為使系統在變輻照條件下穩定運行，采用主動(dòng)蓄能的方法，蓄存多生產(chǎn)的合成氣。將蓄存的合成氣折算成為電功、制冷與供熱加入輸出中，結果如表1所示。
由表1中可見(jiàn)，系統太陽(yáng)能輸入占總輸入的14.13%,太陽(yáng)能的輸入降低了化石能源在系統中的輸入份額，使系統具有節約化石能源、降低二氧化碳排放的特性；系統遵循能的梯級利用原則，對各部分余熱進(jìn)行有效利用，提供有冷、熱、電三種形式的能量輸出，太陽(yáng)能的發(fā)電效率為28.98%,遠高于傳統的單獨太陽(yáng)能熱發(fā)電效率10%-17%叭一次能源效率也高達89.16%.為進(jìn)一步研究系統的能量利用情況，指出系統設備和過(guò)程的不完善程度和改進(jìn)潛力所在，對系統進(jìn)行擁分析。結果如表2所示。
從表2中可以得到，在設計工況下，系統擁效率可以達到47.10%,在系統各部件中內燃機的擁?yè)p失最大，占輸入的41.19%,其次是制冷機，其擁?yè)p失為輸入的8.24%.系統的擁?yè)p失主要出現在高品位燃料在內燃機中的燃燒及作功過(guò)程。
在變太陽(yáng)輻照條件下，通過(guò)調控主動(dòng)化學(xué)蓄能實(shí)現系統的穩定運行。計算結果如表3所示。在接收直射輻射強度從500W/m2變化到900W/m2的范圍內，系統一次能源利用率穩定在89%-90%;內燃機與制冷機維持在額定工況，對外供熱為73-79kW,系統具有穩定的冷、熱、電輸出。
變福射強度條件下產(chǎn)生合成氣的速率如圖4所示�？梢钥闯�，系統在接收太陽(yáng)輻射強度600W/m2開(kāi)始儲氣，輻射強度較低時(shí)儲氣速率小于0,即儲氣罐中的合成氣補充進(jìn)入內燃機作功，在接收直射輻射強度為500W/m2時(shí)，系統每小時(shí)消耗儲氣罐中1MPa的合成氣2.19m3;輻射強度較高時(shí)，系統多產(chǎn)生的合成氣進(jìn)入儲罐中實(shí)現蓄能，當接收直射輻射達到900W/m2時(shí)，每小時(shí)可以向合成氣儲罐中存儲1MPa的合成氣5.72m3.
結論：本文提出一種基于中低溫太陽(yáng)能與甲醇熱化學(xué)互補的適合變輻照強度條件下的分布式冷熱電供能系統，利用中低溫太陽(yáng)熱能驅動(dòng)甲醇分解，產(chǎn)生的太陽(yáng)能燃料合成氣作為燃料，集成了新型的分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統。對新系統進(jìn)行了能量平衡分析和傭平衡分析。研究結果表明：在設計工況下，系統的一次能源效率達89.36%,擁效率達到47.10%,直射輻照強度從500W/m2變化到900W/m2時(shí)，系統一次能源效率及二次能源輸出保持穩定。本文的研究成果為高效利用中低溫太陽(yáng)能熱化學(xué)技術(shù)與分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統集成技術(shù)提供了新途徑。
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