太陽能與甲醇熱化學互補的分散式能源系統研究論文
摘要：本文提出一種基於中低溫太陽能與甲醇熱化學互補的分散式冷熱電供能系統。基於熱力學基本定律，對系統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的熱力效能和儲氣蓄能的變化特性規律。結果表明：設計工況下，系統的一次能源效率達89.36%,擁效率達到47.10%,太陽直射輻照強度從500W/m2變化到900W/m2時，系統一次能源效率和冷、熱、電功率輸出保持穩定。本文的研究成果為高效利用中低溫太陽能熱化學技術與分散式冷熱電能源系統整合技術提供了新途徑。
關鍵詞：中低溫太陽能；太陽能熱化學；甲醇分解；分散式供能系統；儲能
太陽能具有資源總量大、可再生、清潔的特點，開發和利用太陽能對於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、不穩定、不連續等特點，單獨太陽能熱發電利用技術存在不穩定、成本高、系統熱效率低等問題。太陽能熱化學技術通過吸熱化學反應過程，將所聚集的太陽能轉化為燃料的化學能，從而實現太陽能的蓄存和高效發電。目前?爰噬隙蘊?裟莧然?У難芯考?杏詵從ξ露?00°C以上的高溫熱化學I1-氣但高溫熱化學過程存在集熱效率低、投資成本高、太陽跟蹤困難、反應器材料要求高等難點與瓶頸。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的能源系統，為中低溫太陽能高效利用開闢了新方向[5_氣本文研究提出了一種基於中低溫太陽能與甲醇熱化學互補的分散式冷熱電供能系統，在滿足太陽能變輻照執行條件下，進行了系統整合，對系統熱力效能進行了模擬分析，並結合太陽能輻照的變化反應所需的熱量匹配，反應過程的損失較小；通過化學反應，中低溫太陽能轉化為燃料的化學能。
提出了一種中低溫太陽能與甲醇熱化學互補的分散式冷熱電聯產系統。
1）甲醇經預熱氣化進入太陽能吸收/反應器，拋物槽式太陽能聚光器聚集太陽能，由吸收/反應器吸收轉化為熱能，甲醇在催化劑作用下發生吸熱分解反應；
2）高溫合成氣經換熱器預熱甲醇後進入內燃機燃燒作功；
3）過量的合成氣儲存在合成氣儲罐中；
4）內燃機排煙餘熱驅動雙效溴化鋰吸收式製冷機，製冷機出口煙氣預熱甲醇；
5）預熱甲醇後的煙氣和內燃機缸套水經換熱器供熱或提供生活熱水。
系統性能模擬太陽直射輻射條件模擬太陽能是系統輸入的重要組成部分，太陽輻射主要受幾何因素、地形因素以及雲量和其他非均質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度的模擬程式。
系統設計思路甲醇作為清潔液體燃料，具有便於儲存運輸等優勢。但同時甲醇的熱值較低，其低位熱值20.26MJ/kg低於汽油（低位熱值43.97MJ/kg）等燃料，利用太陽能分解甲醇產生成分為氫氣和一氧化碳的合成氣能夠增加燃料熱值。
由以上反應方程可知，由於有太陽能的'輸入，燃料熱值提高約20%.系統選用拋物槽式太陽能聚光裝置，甲醇的吸熱分解反應在一體化太陽能吸收/反應器中進行。利用AspenPlus軟體的平衡反應器模組，不同反應溫度、壓力下甲醇分解的轉化率如圖1所示。
根據圖1,綜合考慮反應速率與轉化率，設計反應壓力為0.3MPa;此時當反應溫度達到250°C,甲醇平衡轉化率超過99%.在太陽熱能向化學能轉化過程中，250°C以下的中低溫太陽熱能與甲醇分解。0.110.2MPa0.3MPa0.4MPa0.5MPa‘採用拋物槽式聚光太陽能集熱方式，計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。取北京地區晴天典型日進行研究，模擬結果如圖3所示。
由圖3可見，北京地區全年太陽直接垂直輻射強度為最大值900W/m2左右；對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於東西水平軸跟蹤。
系統設定採用內燃機作為動力裝置。燃料在內燃機氣缸內燃燒、膨脹做功，其中35%-45%的能量轉化為電能，內燃機排氣帶走25%-40%左右的能量，冷卻系統帶走將近10%-22%的能量，約6%-12%的能量通過潤滑油冷卻、發動機熱輻射等方式損失。可回收利用的能量包括兩部分：排氣和冷卻水的餘熱。內燃機排氣溫度為400~600°C,採用餘熱鍋爐或餘熱型溴化鋰機組回收排氣中的熱量，用於製冷或供熱；用於冷卻的缸套水出口溫度為80-100°C,進出口溫差約為10-15°C.系統設定內燃機效率35%,排氣餘熱佔輸入的40%,冷卻水帶走16%能量，另有9%能量損失；內燃機過量空氣係數為1.8.
甲醇分兩股預熱氣化，進入太陽能吸收反應器繼續加熱，經過催化劑床層，發生分解反應。高溫合成氣通過換熱器預熱甲醇，冷卻後進入內燃機燃燒作功；過量的合成氣加壓並預熱甲醇後進入合成氣儲罐；內燃機排出的煙氣驅動雙效溴化鋰吸收式製冷機組製冷；經過製冷機組後的煙氣與內燃機缸套水經過換熱器提供生活用水。
對系統進行模擬，假設環境溫度為25°C,甲醇分解反應溫度為250°C,反應壓力為0.3MPa;吸收式製冷機排煙溫度為170.C,COP為1.3;環境溫度為25°C,太陽輻射強度為700W/m2.
系統模擬結果及分析設計工況模擬結果及分析為使系統在變輻照條件下穩定執行，採用主動蓄能的方法，蓄存多生產的合成氣。將蓄存的合成氣折算成為電功、製冷與供熱加入輸出中，結果如表1所示。
由表1中可見，系統太陽能輸入佔總輸入的14.13%,太陽能的輸入降低了化石能源在系統中的輸入份額，使系統具有節約化石能源、降低二氧化碳排放的特性；系統遵循能的梯級利用原則，對各部分餘熱進行有效利用，提供有冷、熱、電三種形式的能量輸出，太陽能的發電效率為28.98%,遠高於傳統的單獨太陽能熱發電效率10%-17%叭一次能源效率也高達89.16%.為進一步研究系統的能量利用情況，指出系統裝置和過程的不完善程度和改進潛力所在，對系統進行擁分析。結果如表2所示。
從表2中可以得到，在設計工況下，系統擁效率可以達到47.10%,在系統各部件中內燃機的擁損失最大，佔輸入的41.19%,其次是製冷機，其擁損失為輸入的8.24%.系統的擁損失主要出現在高品位燃料在內燃機中的燃燒及作功過程。
在變太陽輻照條件下，通過調控主動化學蓄能實現系統的穩定執行。計算結果如表3所示。在接收直射輻射強度從500W/m2變化到900W/m2的範圍內，系統一次能源利用率穩定在89%-90%;內燃機與製冷機維持在額定工況，對外供熱為73-79kW,系統具有穩定的冷、熱、電輸出。
變福射強度條件下產生合成氣的速率如圖4所示。可以看出，系統在接收太陽輻射強度600W/m2開始儲氣，輻射強度較低時儲氣速率小於0,即儲氣罐中的合成氣補充進入內燃機作功，在接收直射輻射強度為500W/m2時，系統每小時消耗儲氣罐中1MPa的合成氣2.19m3;輻射強度較高時，系統多產生的合成氣進入儲罐中實現蓄能，當接收直射輻射達到900W/m2時，每小時可以向合成氣儲罐中儲存1MPa的合成氣5.72m3.
結論：本文提出一種基於中低溫太陽能與甲醇熱化學互補的適合變輻照強度條件下的分散式冷熱電供能系統，利用中低溫太陽熱能驅動甲醇分解，產生的太陽能燃料合成氣作為燃料，集成了新型的分散式冷熱電聯產系統。對新系統進行了能量平衡分析和傭平衡分析。研究結果表明：在設計工況下，系統的一次能源效率達89.36%,擁效率達到47.10%,直射輻照強度從500W/m2變化到900W/m2時，系統一次能源效率及二次能源輸出保持穩定。本文的研究成果為高效利用中低溫太陽能熱化學技術與分散式冷熱電聯產系統整合技術提供了新途徑。
