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国家973计划课题“太阳能与化石能源互补系统理论与方法”简介(下)
发稿时间:2014-02-20         作者:赵雅文 刘启斌 隋军          来源:     【字号:

  、分布式供能系统研究的科学意义 

  总能系统理论是开拓先进供能系统的重要理论基础。近20年来,总能系统理论已经从简单循环、联合循环,向多学科交叉,以及能源与环境相容方向拓展,推动着能源利用技术不断推陈出新。分布式供能系统的基础研究将进一步丰富和发展总能系统理论。分布式供能系统实现节能减排的关键,在于能源综合梯级利用以及系统集成。燃料化学能释放过程是能源综合梯级利用的重要环节。本项目打破了传统直接燃烧、简单粗放的燃料化学能释放方式,寻求新的燃料化学能释放机理,进一步发展与之相应的微小型动力循环、动力余热利用等能的梯级利用方法,实现燃料化学能与热能的综合梯级利用,丰富和发展了当前以热能梯级利用为核心的“分配得当,各得其所,温度对口,梯级利用”学术思想。 

  本项目将建立分布式供能系统关键过程技术的理论基础。分布式供能系统的技术创新源于相关基础研究的新进展。例如,揭示燃料化学能释放机理,从热能梯级利用拓展到能源综合梯级利用,将建立能源动力系统创新设计的理论基础;热力循环耦合的研究将为多能源互补输入、冷热电联供的分布式供能技术提供理论方法;热声发电、蓄能等关键单元的能量转换新方法将为系统集成创新提供技术支撑。因此,开展分布式供能系统的基础研究,将为分布式供能核心技术突破、构建新一代分布式供能系统提供理论基石。 

  本项目将为分布式供能技术的自主创新提供理论和方法。综上所述,针对新一代分布式供能系统对系统理论和关键过程技术方面的需求,本项目在燃料化学能与热能的综合梯级利用、多能源互补利用和系统全工况调控等方面寻求突破,进而形成能的综合梯级利用理论;同时,也将建立微小型燃气轮机、动力余热利用新技术、蓄能等关键技术的理论基础,引领我国分布式供能技术相关基础研究跨越式发展。 

  二、拟解决的关键科学问题和主要研究内容 

  

    本项目的两个关键科学问题是: 

  1.燃料化学能与热能综合梯级利用原理。基于能的品位高低,逐级、有序地转化和释放燃料化学能,进行燃烧以及热能梯级利用;对各个能量转化和利用过程进行品位关联;耦合燃烧前热化学反应与燃烧后热力循环,能量品位“无缝”接续地转化,综合梯级利用的原理。具体阐明高品位燃料化学能释放的品位有序化机理,高、中品位热能的热动与热声转换机理,低品位热驱动制冷循环机理;阐明燃料化学能释放,冷热电联供系统的热力过程以及循环之间的品位关联规律与能量耦合机制。 

  2.多能源互补机理与全工况性能调控机制。可再生能源、环境能源与化石能源实现有机结合,减少单一高品位化石能源转化不可逆的损失,揭示多能源品位互补机理;探索多能源输入、冷热电输出的系统动态关联规律,建立系统全工况性能的主动调控机制。主要在于阐明可再生能源、环境能源与燃料化学能释放、热能转换的品位互补机理,多能源输入与系统冷热电动态输出特性的关联机理;阐明蓄能与燃料热功转换的相互作用规律,系统全工况性能的“品位互补,全时调控”机制。 

  围绕第一个关键科学问题“燃料化学能与热能综合梯级利用原理”,本项目从高品位的燃料化学能释放,以及热转功过程的梯级利用,到中低温动力余热的热声发电、吸收式制冷的梯级利用开展研究。主要内容有:研究燃料化学能作功能力逐级、定向转化机制,以及燃烧前热化学反应与燃烧后热力循环的品位关联规律,以揭示燃料化学能释放的品位有序化机理;研究微小型径向叶轮内的流动分离机制,对转冲压叶轮机械流动规律,以阐明微小型燃气轮机内的流动机理;研究大振幅行波热声效应,热声发动机的热功转换规律,以揭示中温变温热源驱动的热声动力转换机理;研究正逆循环耦合与低品位热驱动的功/冷转换规律,多热源驱动的吸收式循环耦合机制,以论证正逆循环间以及逆循环间的能量耦合机理。整体上,从冷热电联供系统的热力过程以及循环之间能量耦合层面,研究燃料化学能释放、热动与热声转换、余热驱动制冷(热泵)循环之间的品位关联规律。 

  围绕第二个关键科学问题“多能源互补机理与全工况性能调控机制”,主要内容有:研究可再生能源、环境能源与燃料化学能释放、热能转换的品位互补机制,分布式供能系统中制冷(热泵)循环的多能源互补机制,以阐明多能源品位互补机理;研究太阳能等可再生能源动态变化与燃料化学能释放的作用机制,以及多能源互补与热驱动吸收式循环动态特性,以揭示多能源输入、冷热电输出的系统动态关联规律;研究蓄能/释能机理,分布式供能系统变工况特性、冷热电联供目标下的主动蓄能与燃料热功转换的作用规律,以阐明系统全工况性能的主动调控机制。下图为关键科学问题的凝练。 

  围绕拟解决的关键科学问题,本项目设置了六个课题,包括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、动力余热驱动的热声发电、动力余热驱动的循环耦合和功冷并供、蓄能/释能过程与主动蓄能,以及多能源互补的全工况系统集成。 

  三、项目的创新点与特色 

  主要创新之处在于: 

  能源梯级利用理论创新。拓展了传统热力循环理论框架,突破仅考虑燃料燃烧后热能利用的传统学术思路,在国内外首次揭示燃料化学能释放的品位有序化机理,燃料化学能与热能综合梯级利用原理,燃料化学能与可再生能源、环境能源的品位互补机理,创建能的综合梯级利用理论。 

  分布式供能技术方法与系统的创新。提出化石燃料与中低温太阳热能品位互补方法,在国际上首次建立抛物槽式太阳能燃料转换一体化吸收/反应器;发明适合分布式供能的新型发动机,提出对转冲压发动机的理论和设计方法,有望形成动力机械的一次革新;阐明变温余热驱动的热声动力转换方法,建立国际上首套利用中温动力余热驱动的热声发电装置;提出基于能源综合梯级利用和全工况系统集成方法的新一代分布式供能系统。 

  主要特色在于: 

  1.突破热能利用的学科领域,研究“源头节能”。国际上现有的分布式供能系统局限于燃烧后热能的利用范畴,以热力循环为核心仅仅考虑燃料燃烧后的热能的能量利用模式,尚未有效利用燃料燃烧前化学能作功能力。本项目拓展学科领域界限和研究方法的约束,借助化学热力学方法研究燃料化学能有序释放,拓展热能利用研究的学科领域,实现系统源头节能。 

  2.注重能的“质量”,研究能的品位分析方法论。传统研究关注分布式供能系统热能“数量”的有效利用。从高品位的燃烧料化学能释放开始,依次到中低品位的动力排热和低品位的可再生能源,本项目注重能的品位概念和品位关联分析的研究方法,研究能的作功能力的转化机理和不同品位能之间的关联规律。 

  3.互补利用化石能源与可再生能源。不同于通常的单一化石燃料的能量输入模式,本项目将能源利用与环境资源利用相结合,研究低品位的可再生能源、环境能源与化石能源的多能源互补机制;研究输入与输出的能源形式以及内部能量转换形式多样性的条件下,能的综合梯级利用问题。 

  四、项目阶段性成果 

  截至目前,围绕该项目,已发表论文66篇,其中国际期刊26篇,国内核心期刊20篇,国际会议20篇。国际会议特邀报告5次。申请国际专利3项,授权国家发明专利11项,申请国家发明专利25项。出版分布式供能系统著作1部,合著英文专著1(Woodhead Publishing Limited) 。项目期间,金红光研究员获 “何梁何利科学与技术进步奖。张娜研究员获“ASME Edward F. Obert Award 2010 

  共培养博士研究生15名,硕士研究生14名,多人次获中科院院长奖、吴仲华优秀学生奖等。1人获中国科学院卢嘉锡青年奖(刘启斌)。2人次获“中国科学院优秀博士论文”(刘启斌,张筱松)。2人次获“中科院院长优秀奖”(韩涛,李元媛)。6人次获“吴仲华优秀学生奖”(徐玉杰、张筱松、韩涛、李胜、赵雅文、孙流莉)。 

 
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