太阳能热化学互补发电系统的变辐照性能研究

本文基于10 kW中低温太阳能与甲醇热化学互补发电实验平台,采用不同太阳辐照强度与吸收反应器内甲醇裂解反应、甲醇重整反应两种化学反应的有机集成,提出了一种新颖的变辐照与不同化学反应相匹配的主动调控新方法,针对不同典型日太阳辐照强度偏离设计值,探讨了热化学互补发电系统变辐照工况的特性规律。研究结果表明,在中低温太阳能热化学互补发电系统中,与采用单一的太阳能驱动甲醇裂解反应相比,本文提出的主动调控方法使互补系统的日均太阳能净发电效率从30%提高到36%,更接近设计工况,有效提高了甲醇燃料化学能的梯级利用程度。该方法为减小单位镜场面积、提高太阳能年均净发电效率提供了有效途径。     

中温太阳能驱动甲烷化学链重整冷热电系统及性能研究

针对高温太阳能与天然气热化学互补分布式能源系统存在聚光比高、互补反应温度高、变工况性能不稳定的技术瓶颈,本文探索了一种能实现主动调控的中温太阳能与天然气互补的化学链重整冷热电联产系统。利用约500℃太阳热能驱动天然气基-氧化镍化学链重整,生成合成气太阳能燃料,通过燃气轮机冷热电联产系统,实现中温太阳能与天然气综合梯级利用.研究结果表明:在设计点工况条件下,系统的总能效率可达到80.9%,太阳能集热面积节约率达到53.2%,太阳能净发电效率可达27.3%.分析了关键参数如NiO和甲烷摩尔比(Ni/C)和太阳辐照强度(DNI)对系统热力学性能的影响。     

槽式聚光光伏-光热化学互补系统中吸热反应管性能研究

本文以槽式聚光光伏-光热化学互补系统为对象,并以甲醇裂解反应为例,探究了该系统内的吸热反应管在入射光谱仅为透过的红外光谱波段时的性能。研究结果表明,当几何聚光比为21.4时,透射到吸热反应管的红外光谱能量转化为太阳能燃料化学能的效率可达54%~58%。此外,还研究了太阳直射辐射强度、甲醇进口流量、甲醇进口温度等关键运行参数对吸热反应管中反应管温度、甲醇转化率等的影响。本文的研究工作为探索聚光光伏-光热化学互补方法提供了一种可能。     

太阳能甲烷重整热化学互补发电系统性能研究

本研究搭建了太阳能热化学实验平台,依托室内太阳模拟平台,进行了2 kW太阳能甲烷重整反应器的实验研究,探究了反应温度、反应物流量等关键参数对系统性能(甲烷转化率、产物选择性)的影响,并基于燃气-蒸汽联合循环发电系统模型,模拟计算了太阳能热化学互补发电系统性能。结果表明,当反应器腔体的平均温度为880℃、甲烷流量为5.5 L·min^-1、水碳比为3:1时,甲烷的转化率为55.8%,太阳能净发电效率可达26.0%。     

聚光光伏-热化学耦合利用系统热力学分析

本文建立了一种聚光光伏-热化学耦合利用系统的模型。系统利用抛物槽式聚光分频装置将光谱分成不同的两部分分别进行光伏和热化学转换,其中热化学模块以太阳能作为反应热驱动甲醇重整反应产生氢气进入燃气轮机发电。对系统进行了能量分析和拥分析,得出系统拥损失主要集中在光学拥损失,光伏模块能量转换过程的拥损失和热化学模块能量转换过程的拥损失这三项,分别占总损失的32.7%,32.2%和27.0%。研究了不同分频波段下的光伏模块输出功率、集热器甲醇转化率和系统发电效率,同时将该系统与相同条件下的纯光伏系统和纯热化学系统进行了性能比较。结果表明,系统发电效率最高可达26.0%,相应的最佳光伏匹配波段为450～870 nm,相比于同等条件下的纯光伏系统和纯热化学系统,系统发电效率分别提高了11.1和6.1个百分点。     

集成太阳能热化学过程的冷热电联产系统

提出了集成抛物槽式双轴跟踪镜场的太阳能与清洁燃料热化学互补的微燃机冷热电联产系统。双轴跟踪的抛物槽镜场产生中低温太阳能热驱动吸收/反应管内甲醇分解生成合成气。合成气作为微燃机燃料,驱动分布式能源系统输出冷热电产品。研究了太阳能热化学关键过程吸收/反应管内甲醇转化率、沿程温度分布规律,对系统进行了能量分析和拥分析。结果表明,新系统热效率为74.74%,系统发电效率达到32.34%。研究结果为高效、稳定利用太阳能和清洁燃料提供了一种有效途径。     

太阳能高温热化学与甲烷互补的多联产系统

本文基于高温太阳能热化学等温法循环分解H_2O或CO_2制备H_2或CO,通过在其下游加入甲烷进行重整及部分氧化反应,在进行余热余气回收的同时实现了甲醇动力多联产,提出三种系统方案并进行了能耗及效率分析。结果表明,等温法同时分解水和CO_2的甲醇动力多联产系统,可以取消水煤气变换反应及CO_2的分离单元,进行合理的热回收后达到太阳能甲醇转换效率为30.52%,制取甲醇的净太阳能能耗为65.25 GJ/t,甲烷单耗为25.74 GJ/t。采用甲烷互补的甲醇动力多联产可取代超高温换热器以及甲醇合成过程的自备电厂,与仅有太阳能作为输入的高温太阳能热化学双温法制取甲醇相比,效率可提升两倍。     

中低温太阳能品位间接提升及系统集成

本文提出了中低温太阳热能品位间接提升的概念、方法和系统集成,其核心是热集成和热化学转换的有机结合。在所提出的太阳能和化石能源综合互补的化学回热循环系统(SOLRGT)中,中低温太阳热能首先提供蒸汽蒸发潜热从而转化为蒸汽内能;其次通过蒸汽参与重整反应进一步转化为合成气化学能,实现品位提升;最后得以在高效的燃气轮机系统中实现热功转换。由于太阳能的引入,燃气轮机透平排气余热回收部分的热匹配得到极大改善,并减少了化石能源消耗;同时,蒸汽产率的增加有助于增进系统化学回热和物理回热收益。系统中太阳能热转功净效率可达26.5%;和常规化学回热循环相比,化石能源节约率可达20%～30%,实现相应数量的CO_2减排,系统中实现了中低温太阳能的高效热功转换和与化石燃料的梯级互补。     

太阳能甲醇分解吸收-反应器研制与实验研究

利用中温太阳能为甲醇分解的吸热反应供热,可以将中温太阳能转化为合成气燃料的化学能,同时提高燃料热值和太阳能的可用性,还可以实现太阳能与化石燃料的互补.本研究提出了太阳能热化学系统的一体化设计原则,建立了综合考虑太阳能集热、反应动力学和反应器结构参数的太阳能甲醇分解反应器的理论分析模型,并首次研制了5 kW热功率的抛物槽式太阳能甲醇分解一体化实验装置.太阳能甲醇分解的实验结果表明太阳能集热器可以为甲醇分解提供200～300 ℃的反应温度,在辐照300～800 W/m2,甲醇进料量为0.5～4l/h条件下,甲醇转化率可以达到50%～95%,投射到吸收-反应器上的太阳能转换为燃料化学能的效率可以达到30%～60%,具有良好的甲醇分解和太阳能转换性能.研制的实验装置体现了一体化设计特征,同时理论分析结果与实验结果也具有很好的一致性.本文研究成果将为开拓太阳能与化石能源互补的能量系统提供理论支撑和实验数据.     

太阳能热化学与化学回热联合的冷热电系统

提出了一种太阳能热化学与化学回热过程联合的冷热电联产系统。利用太阳能驱动甲醇分解反应,产生的合成气在内燃机中燃烧作功,内燃机排烟余热与导热油换热,并驱动甲醇分解反应以回收余热。对系统进行了热力学性能分析,探究了全年典型日下系统热力性能与储能特性规律.研究结果表明:设计工况下系统一次能源利用率为78.4%,太阳能净发电效率为21.1%。在300~1000 W/m~2的直射辐照强度范围内,系统可以实现稳定运行,太阳能净发电效率稳定在19.3%~21.5%的变化范围内。     

中低温太阳能-甲醇重整互补供能系统动力学提升与系统优化

本文考察了中低温-甲醇重整互补制氢及其与高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)结合的中低温太阳能-甲醇重整互补发电系统,并分析、优化了两供能系统的性能.从动力学性能优化角度,研发了一种适用于甲醇重整制氢反应的新型复合金属氧化物纳米催化剂,并测试了不同反应物体积流量与反应温度下的催化剂性能.基于动力学实验结果,模拟了...     

煤与天然气适度转化的甲醇-动力联产系统

本文开拓性地提出了一个新型煤和天然气综合利用、甲醇和电力联产的能源动力系统。新系统采用了燃料化学能适度转化的方法,煤先和纯氧与蒸汽发生部分气化反应,适度转化成合成气和半焦,碳转化率约为50%;半焦在天然气/水蒸气重整反应器中燃烧,为重整反应提供反应热;将甲醇生产系统与联合循环发电系统有机整合,来自煤和天然气的合成气先用于甲醇生产,未反应合成气用作发电燃料。研究表明在相同产出条件下,多功能系统比分产系统少消耗10%左右的化石燃料。本文工作为煤和天然气综合高效利用提供了新途径。     

低CO2排放的太阳能/甲醇互补系统热力经济性分析

基于品位匹配和多能源综合梯级利用的原则,本文提出了低CO₂排放的太阳能与化石能源互补发电系统LESOLCC,并对其进行了热力经济性能分析。所提系统以甲醇为燃料,中低温太阳能首先提供甲醇重整反应的反应热,从而转化为富氢合成气的化学能,实现品位提升;其次通过燃烧前对CO₂的捕集,实现燃料的清洁燃烧,最终在高效联合循环中实现其热功转换。结果表明:基本工况下,系统当量效率达到55.1%,比投资为833$/kW,发电成本为0.124$/kWh,回收期17年;与相同化石燃料输入及CO₂捕集水平的尾气捕集CO₂的常规燃气-蒸汽联合循环（CC-Post）相比,发电成本下降了10.1%,充分显示其优越性。     

太阳能光伏/光热化学利用系统

本文研究了一种基于光谱分频的太阳能光伏/光热化学耦合利用系统。在该系统中,全光谱的太阳能按照波长不同被区分利用。适合光伏电池利用的太阳能被分配给光伏电池进行光伏转换,其它波段的太阳能则转化为热能驱动甲醇裂解反应产生合成气。实验结果表明在太阳辐照强度为712.8 W/㎡,甲醇流量为2.7 kg/h时,系统效率达到31.18%。系统实现了低品位的太阳能向高品位的电能和化学能的转换,为研究太阳能的全光谱高效利用提供了新的思路。     

太阳能膜反应器燃料制取及联合循环效率分析

膜反应器是一种可在等温条件下连续运行的高效热化学反应器。基于膜反应器的甲烷重整吸热反应可利用太阳能作为热源制备更高热值的合成气,并可作为燃料提供给下游的联合循环进行发电,实现太阳能与化石能源的互补利用。本文对基于透氧膜的太阳能制取合成气系统建立理论研究模型,首先研究制取合成气的效率在不同热回收效率下随H_2O/CO_2比率变化的规律,然后讨论上游膜反应器的合成气产物热回收效率对于系统总发电效率的影响,并得到系统总效率的变化规律。膜反应器与常规甲烷重整反应系统相比,甲烷转化率和产气纯度更高,且燃料产物便于储存和运输。系统总发电效率为39.3%(太阳能聚光温度1200℃),具有实际应用潜力。     

太阳能驱动的生物质气化发电系统研究

本文提出一种基于太阳能驱动生物质气化的新型发电系统,利用塔式定日镜场聚光产生1000~1500 K高温太阳热能驱动生物质进行气化反应,并集成先进燃气-蒸汽联合循环发电系统高效利用气化合成气。对该系统进行了热力学性能分析,结果表明:与常规生物质气化方式相比,通过驱动生物质发生气化反应,不仅将间歇性的太阳能转化为稳定的合成气化学能,并增加了气化合成气的化学能,同时合成气中的H_2和CO的摩尔含量之比在气化温度为1000~1500 K时达到1.65~2.44,有利于直接合成甲醇等清洁液体燃料。在设计工况下,系统的太阳能热功转化效率将达到23.68%,随着气化反应温度的升高,系统的太阳能份额和输出的电功率增大,系统的总热效率和总效率均下降。研究成果将为高效利用我国西部丰富的太阳能与生物质能提供一条有效途径。     

太阳能化学链燃烧的固体燃料蓄能分布式系统

提出了一种中温太阳能与化学链燃烧(CLC)整合的固体燃料蓄能新方法及冷热电联产(CCHP)新系统。以DME的Co基CLC为例,探究了变工况条件下蓄能对燃料化学能梯级利用与中温太阳热品位提升的作用,揭示了系统设计工况特性及全年热力性能,并比较了有蓄能和无蓄能时各自在四季典型日的性能规律。结果表明,有蓄能时年均太阳能净发电效率可达22.4%。本研究给出了一种中低温太阳能热化学固体燃料蓄能新方法。     

双轴跟踪太阳能驱动甲醇分解的动力系统研究

提出了一种双轴跟踪的中低温太阳能甲醇分解与化学回热耦合的动力系统。集热单元采用双轴跟踪的抛物槽式集热器;利用导热油吸收中低温太阳能和烟气余热从而间接分解甲醇;所生成的合成气进入燃气轮机燃烧作功,烟气驱动制冷和供热,实现冷热电输出。镜场采用双轴跟踪,余弦损失消除,集热效率得以提升。通过系统集成,将烟气余热和中低温太阳能转化为化学能,能量品位提高,并且化学回热作为中低温太阳能的备用能源技术,有利于系统稳定运行,延长系统运行时间。在设计工况下,系统的一次能源利用率为78.55%,太阳能净发电效率达22.61%。研究结果为高效利用太阳能提供了有效途径。     

太阳能与甲醇热化学互补的分布式能源系统研究

本文提出一种基于中低温太阳能与甲醇热化学互补的分布式冷热电供能系统。基于热力学基本定律,对系统作了能量平衡分析和(火用)平衡分析,探讨了变太阳辐照下系统的热力性能和储气蓄能的变化特性规律。结果表明:设计工况下,系统的一次能源效率达89.36%,(火用)效率达到47.10%,太阳直射辐照强度从500 W/m~2变化到900 W/m~2时,系统一次能源效率和冷、热、电功率输出保持稳定。本文的研究成果为高效利用中低温太阳能热化学技术与分布式冷热电能源系统集成技术提供了新途径。     

一种新型分布式冷热电联产系统热力学分析

本文对一个多能源互补功冷并供的分布式能源系统进行了热力学性能分析。该系统通过太阳能和甲醇热化学互补以及余热驱动的功冷并供,实现了燃料化学能与物理能的综合梯级利用。对系统及其参比系统进行了品位分析,结果表明系统化石能源相对节能率为35.2%,比参比的常规分布式能源系统提高13.5个百分点。本文提出的新型分布式冷热电联产系统,为多能源互补和梯级利用的能源系统集成提供了新方法。