基于太陽能熱化學(xué)的分布式供能系統(tǒng)熱力學(xué)性能及碳排放分析

劉泰秀，劉啟斌，隋軍，張鐵寅

基于太陽能熱化學(xué)的分布式供能系統(tǒng)熱力學(xué)性能及碳排放分析

劉泰秀1,2，劉啟斌1,2，隋軍1,2，張鐵寅3

（1．中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京市 海淀區(qū) 100190；2．中國科學(xué)院大學(xué)，北京市 海淀區(qū) 100049；3．達(dá)華工程管理(集團(tuán))有限公司，北京市 東城區(qū) 100005）

分布式供能系統(tǒng)臨近用戶，具有靈活消納可再生能源的優(yōu)勢。集成太陽能與清潔燃料互補(bǔ)的分布式供能系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)太陽能與燃料的高效互補(bǔ)利用。提出了基于太陽能熱化學(xué)的分布式供能系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了太陽能熱化學(xué)轉(zhuǎn)化與分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，將太陽能與甲醇以熱化學(xué)的形式進(jìn)行源頭互補(bǔ)，把太陽能轉(zhuǎn)化為合成氣燃料化學(xué)能，進(jìn)而通過內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組和余熱回收單元輸出冷、熱、電產(chǎn)品，以滿足用戶的負(fù)荷需求。通過數(shù)值計(jì)算的方法，對所集成的系統(tǒng)開展了熱力學(xué)性能及CO2排放性能分析，研究了設(shè)計(jì)工況及變工況下運(yùn)行性能，結(jié)果表明所集成的太陽能與燃料熱化學(xué)互補(bǔ)供能系統(tǒng)具有顯著的節(jié)能減排優(yōu)勢。

太陽能熱化學(xué)；分布式供能系統(tǒng)；甲醇分解；碳排放

0 引言

相對于集中式供能，分布式供能系統(tǒng)面向臨近用戶直接供能，受集中供能調(diào)度、輸配影響較小，具有可靠、節(jié)能減排、靈活消納可再生能源的特點(diǎn)[1]。目前，研究者[2-6]已針對集成可再生能源利用的分布式供能開展了大量研究工作，并在多能互補(bǔ)分布式供能方面取得了顯著進(jìn)展。太陽能作為一種清潔、分布廣泛的可再生能源，對其進(jìn)行轉(zhuǎn)化利用對促進(jìn)可再生能源的大力開發(fā)具有重大意義，對節(jié)約傳統(tǒng)能源供給結(jié)構(gòu)中化石能源消耗起到積極作用[7]。

針對太陽能的利用技術(shù)，現(xiàn)已開展了太陽能光伏發(fā)電[8]、光熱發(fā)電[9]以及太陽能制冷[10]等方面的研究工作。文獻(xiàn)[9]研究了太陽能驅(qū)動有機(jī)朗肯循環(huán)(organic Rankine cycle，ORC)發(fā)電系統(tǒng)，將其應(yīng)用于分布式供能系統(tǒng)中并進(jìn)行了熱力學(xué)性能分析。文獻(xiàn)[10]對太陽能驅(qū)動吸收式制冷循環(huán)進(jìn)行集成分析，研究了不同氣候條件下系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。不同于利用太陽能驅(qū)動熱力循環(huán)的利用方式，太陽能可通過熱化學(xué)轉(zhuǎn)化的形式進(jìn)行利用，即利用聚光太陽熱能驅(qū)動熱化學(xué)反應(yīng)，將間歇、不穩(wěn)定的太陽能轉(zhuǎn)化為高能量密度、穩(wěn)定的燃料化學(xué)能。研究者針對太陽能驅(qū)動H2O/CO2分解、甲烷干/濕重整等方面開展了大量的研究工作[11-16]。文獻(xiàn)[11-12]研制了4 kW太陽能熱化學(xué)腔體式反應(yīng)器，在室內(nèi)太陽能聚光模擬光源驅(qū)動下開展CO2分解及H2O/CO2混合介質(zhì)熱分解的實(shí)驗(yàn)測試研究。針對基于甲烷重整反應(yīng)的太陽能熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過程，研究者進(jìn)行了反應(yīng)動力學(xué)[13]、催化劑制備[14]、反應(yīng)器研制[15]及原理樣機(jī)[16]等方面的研究，在950 ℃時甲烷重整轉(zhuǎn)化率達(dá)80%[17]。

然而，上述研究所開展的太陽能熱化學(xué)反應(yīng)所需反應(yīng)溫度均在800 ℃以上，較高的反應(yīng)溫度需要較高聚光比的太陽能聚光集熱裝置，導(dǎo)致裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行條件苛刻。為此，研究者[18-21]提出集成商業(yè)化拋物型槽式太陽能集熱器的中低溫太陽能熱化學(xué)利用方法，較低的反應(yīng)溫度一方面降低了太陽能聚光集熱過程的復(fù)雜度，另一方面增大了太陽能熱能的做功潛力。Jin等[18]提出基于甲醇分解/重整反應(yīng)的太陽能熱化學(xué)利用方法，即利用200~300℃的聚光太陽熱能驅(qū)動吸熱的甲醇分解/重整反應(yīng)，將太陽能升級轉(zhuǎn)化為合成氣燃料化學(xué)能。針對基于甲醇分解/重整反應(yīng)的中低溫太陽能熱化學(xué)轉(zhuǎn)化，目前已開展了反應(yīng)器研制[19]、數(shù)值仿真分析[20]、原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)[21]等方面的研究。

鑒于中低溫太陽能熱化學(xué)利用方法中太陽能熱能具有做功潛力大、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，本文提出了基于太陽能熱化學(xué)的分布式供能系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了中低溫太陽能熱化學(xué)轉(zhuǎn)化與分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，以太陽能和甲醇為能源輸入，通過熱化學(xué)反應(yīng)過程，將太陽能轉(zhuǎn)化為合成氣燃料化學(xué)能，進(jìn)而通過內(nèi)燃機(jī)(internal combustion engine，ICE)發(fā)電機(jī)組及余熱回收裝置，面向用戶輸出冷、熱、電產(chǎn)品，從而實(shí)現(xiàn)太陽能和燃料的高效互補(bǔ)利用。

1 基于太陽能熱化學(xué)的分布式供能系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)介紹

基于太陽能熱化學(xué)的分布式供能系統(tǒng)流程如圖1所示。該系統(tǒng)主要集成太陽能熱化學(xué)轉(zhuǎn)化、動力發(fā)電、余熱回收及輔助供能等關(guān)鍵過程，主要以太陽能和甲醇燃料為系統(tǒng)能源輸入，面向用戶負(fù)荷需求實(shí)時供給冷、熱、電負(fù)荷。該系統(tǒng)主要包括太陽能熱化學(xué)單元、合成氣儲存單元、內(nèi)燃機(jī)發(fā)電單元、動力余熱回收單元(吸收式制冷機(jī)組及供熱換熱器等)及輔助供能單元。各主要單元的功能如下：

圖1 基于太陽能熱化學(xué)的分布式供能系統(tǒng)流程

1）在太陽能熱化學(xué)單元中，通過拋物型槽式聚光集熱器聚焦太陽熱能，用于驅(qū)動甲醇分解熱化學(xué)反應(yīng)，將聚光太陽熱能轉(zhuǎn)化為合成氣(H2和CO)化學(xué)能，實(shí)現(xiàn)聚光太陽熱能的品位提升及穩(wěn)定儲存。

2）產(chǎn)生的合成氣作為內(nèi)燃機(jī)的燃料，用于驅(qū)動內(nèi)燃機(jī)發(fā)電單元，太陽能以燃料的形式做功，實(shí)現(xiàn)了太陽能到電的轉(zhuǎn)化利用。

3）通過動力余熱回收單元，對內(nèi)燃機(jī)排煙余熱及缸套水余熱進(jìn)行回收利用，用于向用戶輸出冷和熱。

4）受用戶負(fù)荷需求和太陽能輻照強(qiáng)度實(shí)時波動的影響，系統(tǒng)中集成了輔助供能單元，其包括電網(wǎng)供電、電壓縮制冷機(jī)組及補(bǔ)燃鍋爐，旨在提升系統(tǒng)的供能可靠性及運(yùn)行穩(wěn)定性。

該系統(tǒng)面向用戶負(fù)荷需求，其運(yùn)行策略及性能受太陽能輻照強(qiáng)度及用戶冷、熱、電負(fù)荷需求等方面的影響，具體如下：

1）當(dāng)太陽輻照強(qiáng)度充足時，聚光太陽熱能驅(qū)動甲醇分解轉(zhuǎn)化為合成氣燃料，進(jìn)而通過內(nèi)燃機(jī)發(fā)電單元滿足用戶電負(fù)荷需求。過量的合成氣將儲存于合成氣儲存單元中，實(shí)現(xiàn)了太陽能的源頭蓄能。

2）當(dāng)太陽能輻照強(qiáng)度不足時，太陽能熱化學(xué)單元所產(chǎn)生的合成氣不能滿足內(nèi)燃機(jī)耗氣需求。此時，合成氣儲存單元將釋放所蓄存的合成氣，以使內(nèi)燃機(jī)發(fā)電功率滿足用戶電負(fù)荷需求。

3）當(dāng)合成氣儲存單元儲氣量超過儲能上限時，內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組將滿負(fù)荷運(yùn)行，過量的電將上傳電網(wǎng)或用于驅(qū)動電壓縮制冷機(jī)組。

4）當(dāng)太陽能熱化學(xué)單元實(shí)時產(chǎn)氣量不能滿足內(nèi)燃機(jī)耗氣需求，且當(dāng)合成氣儲存單元儲氣量低于儲能下限時，內(nèi)燃機(jī)將逐步降低發(fā)電負(fù)荷，直至達(dá)到運(yùn)行最低負(fù)荷(20%負(fù)荷)而執(zhí)行停機(jī)。

5）當(dāng)內(nèi)燃機(jī)發(fā)電單元無法滿足用戶電負(fù)荷需求時，將調(diào)用電網(wǎng)電作為補(bǔ)充。

6）當(dāng)余熱回收單元制冷量或供熱量不能實(shí)時滿足用戶冷、熱負(fù)荷需求時，啟動電壓縮制冷機(jī)組或補(bǔ)燃鍋爐進(jìn)行補(bǔ)充，從而實(shí)時滿足用戶冷或熱的負(fù)荷需求。

表1為基于太陽能熱化學(xué)的分布式供能系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)。其中，太陽能熱化學(xué)單元聚光集熱器開口面積為806.40 m2，內(nèi)燃機(jī)額定發(fā)電功率達(dá)767.00 kW，額定工況下發(fā)電效率為37.30%，LiBr/H2O吸收式制冷機(jī)組能效系數(shù)(coefficient of performance，COP)為1.26[22]。

表1 系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)

1.2 太陽能熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過程

太陽能熱化學(xué)單元作為系統(tǒng)核心單元之一，具有太陽能與燃料源頭互補(bǔ)的功能，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。該過程利用聚光太陽熱能驅(qū)動甲醇分解熱化學(xué)反應(yīng)，將聚光太陽熱能吸收并轉(zhuǎn)化為燃料化學(xué)能。太陽能熱化學(xué)單元采用商業(yè)化的拋物型槽式集熱器，其焦線位置處布置有太陽能熱化學(xué)吸收/反應(yīng)器。太陽能熱化學(xué)吸收/反應(yīng)器采用真空層隔熱的直通管結(jié)構(gòu)形式，透明石英玻璃管與鍍膜吸收管之間環(huán)形空間維持真空狀態(tài)，以減小太陽能熱化學(xué)吸收/反應(yīng)器對環(huán)境的散熱損失；催化劑顆粒填充于鍍膜吸收管內(nèi)部，用于催化甲醇分解轉(zhuǎn)化為合成氣。采用Cu/ZnO/Al2O3作為甲醇裂解催化劑，在該催化劑作用下甲醇蒸汽在180~300 ℃吸收聚光太陽熱能，分解轉(zhuǎn)化為合成氣，將中溫聚光太陽熱能轉(zhuǎn)化為高品位的合成氣燃料化學(xué)能，進(jìn)而以燃料化學(xué)能的形式驅(qū)動動力循環(huán)進(jìn)行熱功轉(zhuǎn)化。

圖2 太陽能熱化學(xué)單元結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)建模及性能評價指標(biāo)

2.1 系統(tǒng)建模

2.1.1 太陽能熱化學(xué)過程建模

太陽能熱化學(xué)轉(zhuǎn)化涉及到太陽能聚光集熱、傳熱傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)過程，甲醇蒸汽沿程吸收太陽熱能，發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)進(jìn)程主要受能量傳輸特性和反應(yīng)動力學(xué)特性的影響。圖3為太陽能熱化學(xué)轉(zhuǎn)化模型示意圖。將太陽能熱化學(xué)吸收/反應(yīng)器沿程方向劃分為個反應(yīng)微元，每個反應(yīng)微元都近似看作等溫反應(yīng)域，并對各個反應(yīng)微元進(jìn)行迭代計(jì)算，進(jìn)而得出太陽能熱化學(xué)單元的運(yùn)行性能。筆者在文獻(xiàn)[23]的研究工作中已對該模型進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖3 太陽能熱化學(xué)轉(zhuǎn)化模型示意圖

2.1.2 內(nèi)燃機(jī)變工況性能

2.2 評價指標(biāo)

通過太陽能凈發(fā)電效率、系統(tǒng)能源利用率、燃料節(jié)省率及CO2減排率等對系統(tǒng)熱力性能進(jìn)行評價。

3 系統(tǒng)熱力學(xué)性能及排放性能分析

3.1 設(shè)計(jì)工況性能分析

表2為設(shè)計(jì)工況系統(tǒng)熱力學(xué)及碳排放性能。所集成系統(tǒng)對燃料化學(xué)能及余熱進(jìn)行梯級利用，其能源綜合利用效率達(dá)83.86%。采用太陽能熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過程，太陽能以高品位燃料熱化學(xué)能的形式驅(qū)動熱力循環(huán)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)太陽能到電的高效轉(zhuǎn)化，太陽能凈發(fā)電效率達(dá)24.66%。通過太陽能與燃料源頭互補(bǔ)，所集成系統(tǒng)相對于分產(chǎn)系統(tǒng)在節(jié)省燃料和減小排放方面具有顯著的優(yōu)勢，其燃料節(jié)省率達(dá)40.91%，CO2減排率達(dá)51.47%。

表2 設(shè)計(jì)工況系統(tǒng)熱力學(xué)及碳排放性能

3.2 變工況性能分析

受太陽能輻照強(qiáng)度和用戶負(fù)荷需求實(shí)時波動的影響，系統(tǒng)常偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行。不同的運(yùn)行狀態(tài)下，系統(tǒng)的運(yùn)行模式及運(yùn)行性能將發(fā)生變化。為此，選取我國華北地區(qū)某一辦公樓為供能目標(biāo)用戶，開展典型日及全年的運(yùn)行性能分析。

針對實(shí)時波動的太陽能輻照強(qiáng)度和辦公樓目標(biāo)用戶負(fù)荷需求，系統(tǒng)通過太陽能與燃料源頭互補(bǔ)，合成氣儲存單元及內(nèi)燃機(jī)發(fā)電、吸收式制冷、集中電網(wǎng)供電、壓縮式制冷及補(bǔ)燃供熱等的協(xié)同運(yùn)行，高效、穩(wěn)定、實(shí)時地滿足用戶的電、熱、冷負(fù)荷需求。系統(tǒng)以太陽能熱化學(xué)互補(bǔ)供能為核心，通過太陽能熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過程及余熱回收過程，實(shí)現(xiàn)了太陽能和燃料的高效利用。以集中電網(wǎng)供電、電壓縮制冷及直燃供熱為補(bǔ)充，調(diào)節(jié)系統(tǒng)能源輸出以滿足用戶負(fù)荷需求。

3.2.1 典型日運(yùn)行模式分析

由于太陽能輻照強(qiáng)度和用戶負(fù)荷需求隨季節(jié)性變化顯著，在此選取四季典型日對供能系統(tǒng)運(yùn)行策略進(jìn)行闡述。

圖4為四季典型日電負(fù)荷供需特性曲線，顯示了典型日中各時刻電負(fù)荷需求、內(nèi)燃機(jī)發(fā)電功率及電網(wǎng)輸配電情況。按照所提出的系統(tǒng)運(yùn)行策略，內(nèi)燃機(jī)發(fā)電功率一方面受用戶電負(fù)荷需求的影響，另一方面也受太陽能輻照強(qiáng)度和合成氣儲存容量的影響。夏季典型日(6月12日)中，由于太陽能輻照資源充足，因此合成氣產(chǎn)氣充足，致使合成氣儲存容量超過上限預(yù)警值，內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組將滿負(fù)荷運(yùn)行，產(chǎn)生的多余電量將實(shí)時輸送上網(wǎng)或者用于驅(qū)動電壓縮制冷機(jī)組。冬季典型日(12月15日)中，受太陽能輻照強(qiáng)度較弱的影響，在白天輻照充足的時間段，內(nèi)燃機(jī)跟隨用戶電負(fù)荷需求實(shí)時供電，在輻照不足的時間段將由電網(wǎng)補(bǔ)充供電。

圖4 四季典型日電負(fù)荷供需特性曲線

受季節(jié)性影響，用戶冷/熱負(fù)荷需求呈現(xiàn)顯著的季節(jié)性變化，分別選取夏季和冬季典型日對冷和熱供需特性進(jìn)行說明。夏季，為了滿足用戶的冷負(fù)荷需求，優(yōu)先利用內(nèi)燃機(jī)排煙余熱驅(qū)動吸收式制冷機(jī)組制冷，不足的冷量將由電壓縮制冷補(bǔ)充，夏季典型日冷負(fù)荷供需匹配特性如圖5(a)所示。冬季，為了滿足用戶熱負(fù)荷需求，優(yōu)先利用內(nèi)燃機(jī)缸套水余熱和排煙余熱供熱，不足的熱量將由補(bǔ)燃鍋爐補(bǔ)充，圖5(b)為冬季典型日熱負(fù)荷供需匹配特性曲線。

圖5 典型日冷/熱負(fù)荷供需匹配特性曲線

3.2.2 系統(tǒng)年運(yùn)行性能分析

由于內(nèi)燃機(jī)動力余熱所驅(qū)動的吸收式制冷循環(huán)不能實(shí)時滿足用戶冷負(fù)荷需求，需由電壓縮制冷作為補(bǔ)充，因此，用戶電力需求主要可分為基本耗電和電壓縮制冷耗電2部分。用戶所需電能主要由內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行供電，不足的電負(fù)荷將由集中電網(wǎng)供電滿足，內(nèi)燃機(jī)所產(chǎn)生的過量電將輸送上網(wǎng)。圖7為各月份電負(fù)荷供需情況，用戶所需電力供應(yīng)主要由內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組供給，少部分由集中電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)充，同時會向電網(wǎng)上傳少量電。

圖6 各月份太陽能輸入及合成氣產(chǎn)氣量

圖7 各月份電負(fù)荷供需量

為進(jìn)一步說明系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢，在給定的用戶負(fù)荷案例下，分別從系統(tǒng)年均熱力學(xué)性能和CO2減排性能2方面開展性能分析。系統(tǒng)年運(yùn)行性能如表3所示。系統(tǒng)通過太陽能與燃料以熱化學(xué)形式進(jìn)行源頭互補(bǔ)，并對系統(tǒng)余熱進(jìn)行梯級回收，實(shí)現(xiàn)了太陽能的高效利用，節(jié)約了燃料的消耗。能源綜合利用效率達(dá)到68.14%，相對于分產(chǎn)系統(tǒng)，年燃料節(jié)省率達(dá)到30.71%，年CO2排放率降低了38.06%，具有顯著的節(jié)能減排優(yōu)勢。

表3 系統(tǒng)年運(yùn)行性能

4 結(jié)論

提出了基于太陽能熱化學(xué)的分布式供能系統(tǒng)，該系統(tǒng)將太陽能與燃料進(jìn)行源頭互補(bǔ)，進(jìn)而通過聯(lián)供系統(tǒng)面向用戶供給冷、熱、電；以集中電網(wǎng)、電壓縮制冷機(jī)和補(bǔ)燃鍋爐為補(bǔ)充，保障太陽輻照和用戶負(fù)荷實(shí)施波動下系統(tǒng)與用戶之間的供需匹配。針對所提出的系統(tǒng)，分別從熱力學(xué)性能及CO2排放性能2方面開展了性能分析與評估。在設(shè)計(jì)工況下，系統(tǒng)太陽能凈發(fā)電效率達(dá)24.66%，能源綜合利用效率達(dá)83.86%，實(shí)現(xiàn)了太陽能和燃料的高效利用。通過系統(tǒng)變工況性能分析可知，系統(tǒng)年燃料節(jié)省率達(dá)30.71%，年CO2減排率達(dá)38.06%，體現(xiàn)出顯著的節(jié)能減排優(yōu)勢。

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Thermodynamic Performance and Carbon Emission Analysis of Distributed Energy Supply System Based on Solar Thermochemistry

LIU Taixiu1,2, LIU Qibin1,2, SUI Jun1,2, ZHANG Tieyin3

(1. Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, Haidian District, Beijing 100190, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Haidian District, Beijing 100049, China;3. Dahua Engineering Management (Group) Co., Ltd., Dongcheng District, Beijing 100005, China)

Distributed energy supplysystem is installed close to end-users with advantages of flexible consumption of renewable energy. Distributed energy supply system with integrating solar energy and clean fuel was conducted to achieve efficient utilization of solar energy and fuel. A distributed energy supply system based on the solar thermochemistry was proposed. The system integrated solar thermochemistry conversion and distributed energy system combined cooling, heating and power. The solar and methanolwere complemented at the source in a thermochemical form, and the solar was converted into chemical energy of syngas, the cold, heat and power products were then exported through the internal combustion engine electric generator and waste heat recovery units to meet the load demand of users. Through numerical calculation method, the thermodynamic performance and CO2emission performance of the integrated system were analyzed, and the performance under design and variable operating conditions was studied. The results show that the integrated solar energy and fuel thermochemical complementary energy supply system has significant advantages of energy saving and emission reduction.

solar thermochemistry; distributed energy supply system; methanol decomposition; carbon emission

10.12096/j.2096-4528.pgt.20013

TK121

2020-04-01。

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFB0905102)。

Project Supported by National Key Research and Development Program of China (2018YFB0905102).

(責(zé)任編輯 尚彩娟)