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研究所“十三五”重点培育方向之“太阳能热利用方向”介绍
发稿时间:2016-10-10         作者:文/郝勇          来源:     【字号:

  一、太阳能热利用方向简介 

  太阳能热利用作为重要的可再生能源技术,是我国新兴能源发展的重要战略目标之一。太阳能热利用方向以发展创新的聚光太阳能热利用为重点,以太阳能的高效、稳定、低成本、规模化利用为目标注重原始性创新和系统集成,解决太阳能热利用所面临的重大技术难题,为节能减排的国家重大需求提供关键技术。 

  主要研究内容包括:结合中国煤电占主导地位的特点,开展基于槽式集热的大规模高效光煤互补发电技术研究;针对单一光热发电效率低、成本高、供能与用能协同性差的瓶颈,开展槽式太阳能聚光集热与燃料热化学相结合的中低温、中温热化学蓄能、发电一体化技术研究;基于对太阳能最大作功能力的理论探索,开展光伏、光热(化学)高效互补利用技术研究;面向高密度太阳能蓄能发展方向,开展高温热化学分解水、二氧化碳合成燃料的基础研究;面向工业用能需求,开展中低温太阳能大规模热利用技术研究。 

  二、“十三五”期间的发展方向和工作设想 

  1. 光煤互补技术 

  根据多能互补、品位匹配的原则,将太阳能与燃煤电站互补集成,通过抛物槽集热器聚集300℃以下中低温太阳能,替代燃煤机组高压给水加热器加热锅炉给水。中低温太阳热能借助大规模燃煤机组,与高参数蒸汽朗肯循环相结合,实现太阳能高效热转功。“十三五”期间,全面推进光煤互补示范工程建设,提出最优改造方案,研发可满足电站实际运行需求、太阳能热发电效率最优的全工况系统调控方法。推进宁夏60MW槽式太阳能与燃煤机组互补发电示范工程成为国家“十三五”规划1000万千瓦光热发电装机中投建的示范电站,为后续规模化开发低成本高效的太阳能热发电技术提供重要技术支持。 

  2. 中低温太阳能热化学蓄能、发电一体化技术 

  集蓄能、发电于一体的中低温太阳能燃料转换技术是工程热物理研究所自主知识产权的太阳能热利用技术,有效聚集中低温太阳能,通过太阳能与化石燃料品位互补,降低燃料化学能释放品位,提升中低温太阳热能为高品位燃料,大幅降低了太阳能热化学过程所需温度,缓解了高温热化学方法集热效率低、投资成本高、太阳跟踪困难与反应器材料等问题。在“十二五”研究基础上,研发具有自主知识产权的MW级太阳能热化学互补的分布式能源技术,实现工程示范。 

  3. 光伏、光热高效互补利用技术 

  针对单一形式的光伏光热发电效率低、成本高的难题,在光学、电学、热力学等交叉学科层面,以全光谱转化过程不可逆性理论研究为主线,探索能够实现太阳能梯级利用的原理与方法,研发太阳能光伏光热综合高效利用技术;阐明全光谱利用转换不可逆性原理,研究光伏与光热发电互补、光伏与光热化学反应互补的全光谱利用增效新方法,形成太阳能全光谱梯级利用的原始创新方法;解决聚光太阳能全光谱热力学属性、太阳能全光谱利用转化过程不可逆性发生机理、太阳能全光谱利用增效机制与方法等重要科学问题。 

  4. 太阳能高温热化学合成燃料技术 

  高温热化学在高聚光比产生的高温下以化学循环的形式分解水或二氧化碳以获得氢、合成气、甲烷等燃料,并在不借助于化石能源的条件下将太阳能直接转换为化学能,是高效和高密度太阳能储能方式。针对该领域目前存在的反应温度高、集热损失大、能量转换效率低的瓶颈,从聚光太阳能、化学反应、热力循环的交叉层面,揭示从太阳能到化学能转换过程中主要不可逆性的产生规律和能量梯级利用规律,研究具有较高载氧量和较低反应温度的氧载体材料,研究温压协同驱动的高效热力学循环,研制具有较高能效的热化学反应器。 

  5. 中低温太阳能大规模热利用技术 

  太阳能中低温热利用方向以主动调控线聚焦集热技术为基础,借助导热油、水等介质获得200 – 400°C的热量并针对动力发电、工业蒸汽、热泵技术等热利用形式加以综合利用,形成符合原始性创新的太阳能系统集成理论与技术。该方向对三种槽式集热器主动调控技术(主动散焦、变面积及广角跟踪)进行自主研发并耦合获得复合式主动调控技术,针对该技术结合应用场合特点进行深入而系统的研究。该研究对于推广无蓄热槽式集热系统的广泛应用以及提高和完善我国抛物槽式聚焦太阳能热利用技术均具有重要意义。 

  三、近期工作进展和重要成果 

  2015年以来,太阳能热利用方向已争取到国家基金委重大项目课题1项、国家重点研发计划课题1项、国家自然基金委面上项目1项。 

  “十二五”光煤互补发电863重点项目顺利结题,提出了国内首座10MW级太阳能与燃煤互补发电示范电站系统方案,已完成并向华电集团交付了热力系统的工程设计方案;自主研发了300kW槽式广角跟踪聚光集热场技术和实验平台,成功运行近400个小时,冬季实测聚光集热日均效率达到55%,高于现有国际水平,形成了聚光跟踪、混联集热流程的互补原始创新技术,为下阶段应用于我国首座MW 级光煤互补示范电站和工业应用奠定了重要基础。 

  研制了国际首套中低温太阳能热化学互补发电原理样机(100 kWe),实现太阳能净发电效率25%以上;自行研制了70 kWe室内定常模拟太阳光光源,可提供辐照面积为12平方米的均匀平行光场,为各种聚光方式和规律的研究提供理想的光源条件。 

  拓展了太阳能热化学互补研究,创新地提出了太阳能与生物质能热化学互补的多联产系统,实现了二氧化碳的零排放,并开展原理性实验验证,为我国西部丰富的太阳能与生物质能资源的高效利用提供了新途径。 

  提出了聚光太阳能热利用性能测试与调控新方法。从系统创新思路出发,发明了槽式太阳能集热器光学效率测试方法,解决了集热器实际运行过程中多参数难以准确测量和耦合的难题。 

  

    

 
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