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中科院优秀重点培育方向“多能源互补分布式供能”概述
发稿时间:2016-02-03         作者:隋军          来源:分布式供能与可再生能源实验室     【字号:

  研究所分布式供能研究方向是蔡睿贤、徐建中两位院士在国内率先倡导和推动下创立的,是在新的历史背景下对吴仲华先生开拓的总能系统研究方向的一个发展。多能源互补的分布式供能系统为能源、动力、化工等多学科交叉研究领域,工作涉及理论研究、技术开发与成果转化的整个创新价值链,能够充分发挥研究所在工程热力学、气动热力学、传热学、燃烧学等学科总体优势,以及在微小型动力、先进传热、储能、总能系统方面的研究积累。“十二五”期间该研究方向被列入研究所 “一三五”规划的重点培育方向,并在研究所“十二五”任务书验收中获评“院优秀”。5年来,在金红光院士的带领下,分布式供能与可再生能源实验室在能源综合梯级利用理论、多能源互补与余热利用关键技术、工程示范、研发平台和团队建设等方面均取得了重要进展。本文对该方向研究工作进行简单回顾和初步展望。 

  一、 基础理论创新 

  随着对能的梯级利用科学本质认识的逐步深入,研究团队继承并发展地提出了“能的综合梯级利用”的理论框架,并作为核心科学问题,于2010年获得科技部973计划项目“多能源互补的分布式冷热电联供系统基础研究”的支持。该项目由研究所牵头承担,首席科学家为金红光院士。项目设置燃料化学能释放与能的综合梯级利用微小型燃气轮机热力循环等六个课题,从能的综合梯级利用原理、多能源互补机理与方法,到系统全工况性能主动调控机制的三个方向,开展了分布式供能的基本理论、核心技术和系统集成研究。 

  研究团队初步建立了能的综合梯级利用理论,形成了国际一流的理论研究成果。以燃料化学能释放与能的综合梯级利用为研究目标,突破传统卡诺定理的范畴,发掘燃料化学能作功潜力,揭示燃料化学能作功能力逐级、定向转化机制;探索化石燃料、可再生能源与燃料化学能释放、热能转换的品位互补机理;提出多能源品位互补方法,实现燃料化学能与热能综合梯级利用,为发展我国新一代分布式供能技术的奠定基础。 

  经过了5年研究,研究所科研人员建立了燃料化学能有序释放的基本原理,揭示了燃料化学能释放与循环的品位耦合规律;提出中低温太阳能燃料热化学方法,开拓有序转化、多能源互补的新途径;建立了国际首套抛物槽式太阳能燃料转换一体化实验平台,完成燃料化学能有序释放的机理验证,达到了燃烧过程不可逆损失减少20%~30%的目标,燃料节省1015%,实现燃料源头节能。项目发表研究论文392篇,其中国际期刊201篇,SCI收录165篇,其中WOS-JCR1区文章达到102篇;申报92项国家发明专利(授权38项),出版学术著作10部,项目结题成绩在能源领域同期项目中名列前茅。 

  二、 技术研发与工程示范 

  针对燃料直接燃烧过程作功能力损失大、微小型动力排烟温度与吸收式制冷等余热利用技术存在的诸多问题,研究团队针对性地开展了太阳能热化学发电、余热功冷并供、第二类吸收式热泵等技术研发和样机研制。 

  研究了化石燃料与中低温太阳热能热化学互补技术,分析燃料转换反应动力学特性及其能量转换规律,研究辐照强度、集热温度与反应转化率等关键参数的耦合特性,太阳入射角、辐照强度、环境温度等动态变化引起的装置动态特性以及全工况优化控制技术,开展太阳能与替代燃料互补的新型热电循环系统集成研究,解决了太阳能吸收/反应一体化设计技术,并研制了10kW20kW100kW三种型号的太阳能热化学发电样机,均已实现发电。该技术有望为边防检查站等偏远地区重要用户实施独立能源供应,也可作为工业园区的自备能源系统或光伏、风电等可再生能源电站的调峰电源。 

  针对中低品位动力余热大温降利用的难题,研究了基于正逆耦合循环的动力余热驱动的功冷/热并供技术,突破余热利用单一产出模式,研究正循环与逆循环耦合技术;建立了空气介质下透平发电实验台并开展了实验测试,工作转速40000 rpm,发电功达10kW。完成余热驱动的氨水吸收式制冷实验系统建设,制冷温度-10℃,制冷功率达到30kW。基于研发的关键技术和集成样机,提出多能源互补和全工况高效调控的分布式供能系统。该技术能够大幅提高余热利用效率,有望引领余热利用技术的革新。 

  针对分布式供能系统中低品位余热回收问题,研究适用于动力系统变工况和低温余热回收的升温型吸收式热泵,研发了利用分布式能源系统内低温余热来产生约100℃低压蒸汽的20kW热泵样机。该机组主体设备采用立式降膜设备,自主开发了新型集液布液一体化组件、管内外双侧立式降膜的新型工艺,以及真空维持系统新流程。在热源温度 95℃,冷却水温度18℃条件下,输出蒸汽温度达到105℃,热泵 COP 达到 0.47。该技术有望为低品位余热回收利用提供新方法,投资回收期2-3年,有良好的应用前景。 

  研究所作为主要技术支持单位,承担了多项国家级分布式供能示范工程项目,“内燃机分布式冷热电联供技术与工程示范”课题研究过程中,研究团队根据东莞地区湿热环境与工业园区用户特点,提出缸套水恒温调节的全工况系统集成技术,以及内燃发电机组烟气与缸套水余热综合梯级利用的系统集成技术,制定了以天然气为燃料的内燃发电机组为核心,采用吸收式制冷技术回收利用燃机排烟高温余热,制取冷能满足宏达工业园空调负荷;使用吸收式除湿技术回收利用缸套水等中温余热,用于新风除湿;采用高效换热器回收利用滑油和中冷器的低温余热,制取热水满足工业园生活热水需求的技术方案。经过课题组技术攻关和工程实施,完成1200kW燃气内燃机发电、1160kW吸收式制冷和100kW吸收式除湿为主要设备的分布式冷热电联供示范工程建设。经华电电力科学研究院测试,该系统在额定工况下一次能源综合利用率达74%,与冷热电分产系统相比,系统节能率为29.3%,技术指标达到国内领先。近年来LNG的大量引入,珠三角地区的城市能源环境问题,以及国家海洋战略和海岛开发战略的实施,为分布式冷电联供技术在上述地区的发展创造了巨大的空间。以珠三角地区为例,众多的工业园区采用分布式能源,将带动数百亿元市场,还将带动相关能源、材料、装备制造、能源服务业的发展。 

  三、 研发平台建设进展 

  “十二五”期间,研究所在分布式能源方向的研发平台建设得到了跨越式发展,先后组建设立了北京市重点实验室、国家能源局技术研发中心,并组建了中国科学院创新团队等,为研究所分布式能源方向的可持续发展在研发平台、专家人才保障方面提供了坚实基础。 

  20117月启动的分布式冷热电联供北京市重点实验室,围绕分布式冷热电联供系统的理论、技术与应用,以建立关键设备的研发设施和系统集成实验平台,研制新一代分布式供能系统,建立多能源互补的分布式供能示范工程为目标,形成了以微小型燃气轮机、余热利用、储能和系统集成为主要方向的科研布局。2015年,实验室顺利通过了北京市组织的三年绩效考核。 

  2012年正式启动的“国家能源分布式能源技术研发(实验)中心”由中国华电工程(集团)有限公司与研究所联合承建。中心设余热利用技术研究(实验)室、蓄能技术研究(实验)室、系统集成技术研究(实验)室、测试平台技术研究(实验)室和动力技术研究(实验)室五个实验室。通过五个研发(实验)建立,开展余热利用、多能源互补等技术研发,提供蓄能技术和系统测试平台,开展系统实验验证,为工程方案提供技术支持。研究所主要负责动力技术和余热利用技术等关键技术研究,已在廊坊基地建成1000平米冷热电联供实验平台,可以系统集成、性能测试和示范工程提供技术支持。 

  研究所2012年开始正式运行的中科院创新团队国际合作伙伴计划“燃气轮机分布式供能创新团队”,由团队负责人金红光院士召集所内专家,携手国际知名研究机构的高水平团队海外成员组建, 在新型发动机、多能源互补发电、超临界空气储能等分布式能源关键技术,以及全工况调控系统集成和系统示范工程等方面开展合作研究和人才的联合培养。团队运行期间,组织了ECOS会议专题研讨会,香港科技大学专题研讨会及多场所内报告会,促进了研究所内各研究方向的交流以及与国际领域前沿方向的交流与合作。创新团队建设围绕研究所“一三五”的战略方向,将为研究所“引智”工作和国际合作带来新的活力,将大力促进研究所分布式能源的研发工作。 

    鉴于多能源互补的分布式供能方向在“十二五”期间的快速发展,“十三五”期间研究所将分布式供能与储能作为三个重大突破方向之一。研究团队将继续努力,在基础研究、技术研发、示范应用与成果转化方面取得更大的进步。
 
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