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太陽能與甲醇熱化學(xué)互補(bǔ)的分布式能源系統(tǒng)研究論文
摘要：本文提出一種基于中低溫太陽能與甲醇熱化學(xué)互補(bǔ)的分布式冷熱電供能系統(tǒng)�；跓崃W(xué)基本定律，對(duì)系統(tǒng)作了能量平衡分析和擁平衡分析，探討了變太陽輻照下系統(tǒng)的熱力性能和儲(chǔ)氣蓄能的變化特性規(guī)律。結(jié)果表明：設(shè)計(jì)工況下，系統(tǒng)的一次能源效率達(dá)89.36%,擁效率達(dá)到47.10%,太陽直射輻照強(qiáng)度從500W/m2變化到900W/m2時(shí)，系統(tǒng)一次能源效率和冷、熱、電功率輸出保持穩(wěn)定。本文的研究成果為高效利用中低溫太陽能熱化學(xué)技術(shù)與分布式冷熱電能源系統(tǒng)集成技術(shù)提供了新途徑。
關(guān)鍵詞：中低溫太陽能；太陽能熱化學(xué)；甲醇分解；分布式供能系統(tǒng)；儲(chǔ)能
太陽能具有資源總量大、可再生、清潔的特點(diǎn)，開發(fā)和利用太陽能對(duì)于滿足人類日益增長的能源需求、減少溫室氣體排放具有重要意義。太陽能有能量密度低、不穩(wěn)定、不連續(xù)等特點(diǎn)，單獨(dú)太陽能熱發(fā)電利用技術(shù)存在不穩(wěn)定、成本高、系統(tǒng)熱效率低等問題。太陽能熱化學(xué)技術(shù)通過吸熱化學(xué)反應(yīng)過程，將所聚集的太陽能轉(zhuǎn)化為燃料的化學(xué)能，從而實(shí)現(xiàn)太陽能的蓄存和高效發(fā)電。目前囯際上對(duì)太陽能熱化學(xué)的研究集中于反應(yīng)溫度600°C以上的高溫?zé)峄瘜W(xué)I1-氣但高溫?zé)峄瘜W(xué)過程存在集熱效率低、投資成本高、太陽跟蹤困難、反應(yīng)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中低溫太陽能與化石燃料互補(bǔ)的能源系統(tǒng)，為中低溫太陽能高效利用開辟了新方向[5_氣本文研究提出了一種基于中低溫太陽能與甲醇熱化學(xué)互補(bǔ)的分布式冷熱電供能系統(tǒng)，在滿足太陽能變輻照運(yùn)行條件下，進(jìn)行了系統(tǒng)集成，對(duì)系統(tǒng)熱力性能進(jìn)行了模擬分析，并結(jié)合太陽能輻照的變化反應(yīng)所需的熱量匹配，反應(yīng)過程的損失較��；通過化學(xué)反應(yīng)，中低溫太陽能轉(zhuǎn)化為燃料的化學(xué)能。
提出了一種中低溫太陽能與甲醇熱化學(xué)互補(bǔ)的分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。
1）甲醇經(jīng)預(yù)熱氣化進(jìn)入太陽能吸收/反應(yīng)器，拋物槽式太陽能聚光器聚集太陽能，由吸收/反應(yīng)器吸收轉(zhuǎn)化為熱能，甲醇在催化劑作用下發(fā)生吸熱分解反應(yīng)；
2）高溫合成氣經(jīng)換熱器預(yù)熱甲醇后進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)燃燒作功；
3）過量的合成氣儲(chǔ)存在合成氣儲(chǔ)罐中；
4）內(nèi)燃機(jī)排煙余熱驅(qū)動(dòng)雙效溴化鋰吸收式制冷機(jī)，制冷機(jī)出口煙氣預(yù)熱甲醇；
5）預(yù)熱甲醇后的煙氣和內(nèi)燃機(jī)缸套水經(jīng)換熱器供熱或提供生活熱水。
系統(tǒng)性能模擬太陽直射輻射條件模擬太陽能是系統(tǒng)輸入的重要組成部分，太陽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直射輻射強(qiáng)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能集熱器接收直射輻射強(qiáng)度的模擬程序。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路甲醇作為清潔液體燃料，具有便于儲(chǔ)存運(yùn)輸?shù)葍?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(yīng)方程可知，由于有太陽能的輸入，燃料熱值提高約20%.系統(tǒng)選用拋物槽式太陽能聚光裝置，甲醇的吸熱分解反應(yīng)在一體化太陽能吸收/反應(yīng)器中進(jìn)行。利用AspenPlus軟件的平衡反應(yīng)器模塊，不同反應(yīng)溫度、壓力下甲醇分解的轉(zhuǎn)化率如圖1所示。
根據(jù)圖1,綜合考慮反應(yīng)速率與轉(zhuǎn)化率，設(shè)計(jì)反應(yīng)壓力為0.3MPa;此時(shí)當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)到250°C,甲醇平衡轉(zhuǎn)化率超過99%.在太陽熱能向化學(xué)能轉(zhuǎn)化過程中，250°C以下的中低溫太陽熱能與甲醇分解。0.110.2MPa0.3MPa0.4MPa0.5MPa‘采用拋物槽式聚光太陽能集熱方式，計(jì)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直射輻射。取北京地區(qū)晴天典型日進(jìn)行研究，模擬結(jié)果如圖3所示。
由圖3可見，北京地區(qū)全年太陽直接垂直輻射強(qiáng)度為最大值900W/m2左右；對(duì)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(tǒng)設(shè)定采用內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力設(shè)備。燃料在內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)燃燒、膨脹做功，其中35%-45%的能量轉(zhuǎn)化為電能，內(nèi)燃機(jī)排氣帶走25%-40%左右的能量，冷卻系統(tǒng)帶走將近10%-22%的能量，約6%-12%的能量通過潤滑油冷卻、發(fā)動(dòng)機(jī)熱輻射等方式損失。可回收利用的能量包括兩部分：排氣和冷卻水的余熱。內(nèi)燃機(jī)排氣溫度為400~600°C,采用余熱鍋爐或余熱型溴化鋰機(jī)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(tǒng)設(shè)定內(nèi)燃機(jī)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(nèi)燃機(jī)過量空氣系數(shù)為1.8.
甲醇分兩股預(yù)熱氣化，進(jìn)入太陽能吸收反應(yīng)器繼續(xù)加熱，經(jīng)過催化劑床層，發(fā)生分解反應(yīng)。高溫合成氣通過換熱器預(yù)熱甲醇，冷卻后進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)燃燒作功；過量的合成氣加壓并預(yù)熱甲醇后進(jìn)入合成氣儲(chǔ)罐；內(nèi)燃機(jī)排出的煙氣驅(qū)動(dòng)雙效溴化鋰吸收式制冷機(jī)組制冷；經(jīng)過制冷機(jī)組后的煙氣與內(nèi)燃機(jī)缸套水經(jīng)過換熱器提供生活用水。
對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬，假設(shè)環(huán)境溫度為25°C,甲醇分解反應(yīng)溫度為250°C,反應(yīng)壓力為0.3MPa;吸收式制冷機(jī)排煙溫度為170.C,COP為1.3;環(huán)境溫度為25°C,太陽輻射強(qiáng)度為700W/m2.
系統(tǒng)模擬結(jié)果及分析設(shè)計(jì)工況模擬結(jié)果及分析為使系統(tǒng)在變輻照條件下穩(wěn)定運(yùn)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(jié)果如表1所示。
由表1中可見，系統(tǒng)太陽能輸入占總輸入的14.13%,太陽能的輸入降低了化石能源在系統(tǒng)中的輸入份額，使系統(tǒng)具有節(jié)約化石能源、降低二氧化碳排放的特性；系統(tǒng)遵循能的梯級(jí)利用原則，對(duì)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，太陽能的發(fā)電效率為28.98%,遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的單獨(dú)太陽能熱發(fā)電效率10%-17%叭一次能源效率也高達(dá)89.16%.為進(jìn)一步研究系統(tǒng)的能量利用情況，指出系統(tǒng)設(shè)備和過程的不完善程度和改進(jìn)潛力所在，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擁分析。結(jié)果如表2所示。
從表2中可以得到，在設(shè)計(jì)工況下，系統(tǒng)擁效率可以達(dá)到47.10%,在系統(tǒng)各部件中內(nèi)燃機(jī)的擁損失最大，占輸入的41.19%,其次是制冷機(jī)，其擁損失為輸入的8.24%.系統(tǒng)的擁損失主要出現(xiàn)在高品位燃料在內(nèi)燃機(jī)中的燃燒及作功過程。
在變太陽輻照條件下，通過調(diào)控主動(dòng)化學(xué)蓄能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。計(jì)算結(jié)果如表3所示。在接收直射輻射強(qiáng)度從500W/m2變化到900W/m2的范圍內(nèi)，系統(tǒng)一次能源利用率穩(wěn)定在89%-90%;內(nèi)燃機(jī)與制冷機(jī)維持在額定工況，對(duì)外供熱為73-79kW,系統(tǒng)具有穩(wěn)定的冷、熱、電輸出。
變福射強(qiáng)度條件下產(chǎn)生合成氣的速率如圖4所示�？梢钥闯觯到y(tǒng)在接收太陽輻射強(qiáng)度600W/m2開始儲(chǔ)氣，輻射強(qiáng)度較低時(shí)儲(chǔ)氣速率小于0,即儲(chǔ)氣罐中的合成氣補(bǔ)充進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)作功，在接收直射輻射強(qiáng)度為500W/m2時(shí)，系統(tǒng)每小時(shí)消耗儲(chǔ)氣罐中1MPa的合成氣2.19m3;輻射強(qiáng)度較高時(shí)，系統(tǒng)多產(chǎn)生的合成氣進(jìn)入儲(chǔ)罐中實(shí)現(xiàn)蓄能，當(dāng)接收直射輻射達(dá)到900W/m2時(shí)，每小時(shí)可以向合成氣儲(chǔ)罐中存儲(chǔ)1MPa的合成氣5.72m3.
結(jié)論：本文提出一種基于中低溫太陽能與甲醇熱化學(xué)互補(bǔ)的適合變輻照強(qiáng)度條件下的分布式冷熱電供能系統(tǒng)，利用中低溫太陽熱能驅(qū)動(dòng)甲醇分解，產(chǎn)生的太陽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(tǒng)。對(duì)新系統(tǒng)進(jìn)行了能量平衡分析和傭平衡分析。研究結(jié)果表明：在設(shè)計(jì)工況下，系統(tǒng)的一次能源效率達(dá)89.36%,擁效率達(dá)到47.10%,直射輻照強(qiáng)度從500W/m2變化到900W/m2時(shí)，系統(tǒng)一次能源效率及二次能源輸出保持穩(wěn)定。本文的研究成果為高效利用中低溫太陽能熱化學(xué)技術(shù)與分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)集成技術(shù)提供了新途徑。
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