太阳能与甲醇热化学互补的分布式能源系统研究

    摘要：本文提出一种基于中低温太阳能与甲醇热化学互补的分布式冷热电供能系统。基于热力学基本定律，对系统作了能量平衡分析和拥平衡分析，探讨了变太阳辐照下系统的热力性能和储气蓄能的变化特性规律。结果表明：设计工况下，系统的一次能源效率达89.36%,拥效率达到47.10%,太阳直射辐照强度从500W/m2变化到900W/m2时，系统一次能源效率和冷、热、电功率输出保持稳定。本文的研究成果为高效利用中低温太阳能热化学技术与分布式冷热电能源系统集成技术提供了新途径。
   
    关键词：中低温太阳能；太阳能热化学；甲醇分解；分布式供能系统；储能
   
    太阳能具有资源总量大、可再生、清洁的特点，开发和利用太阳能对于满足人类日益增长的能源需求、减少温室气体排放具有重要意义。太阳能有能量密度低、不稳定、不连续等特点，单独太阳能热发电利用技术存在不稳定、成本高、系统热效率低等问题。太阳能热化学技术通过吸热化学反应过程，将所聚集的太阳能转化为燃料的化学能，从而实现太阳能的蓄存和高效发电。目前囯际上对太阳能热化学的研究集中于反应温度600°C以上的高温热化学I1-气但高温热化学过程存在集热效率低、投资成本高、太阳跟踪困难、反应器材料要求高等难点与瓶颈。中科院工程热物理研究所提出了利用100~350°C中低温太阳能与化石燃料互补的能源系统，为中低温太阳能高效利用开辟了新方向[5_气本文研究提出了一种基于中低温太阳能与甲醇热化学互补的分布式冷热电供能系统，在满足太阳能变辐照运行条件下，进行了系统集成，对系统热力性能进行了模拟分析，并结合太阳能辐照的变化反应所需的热量匹配，反应过程的损失较小；通过化学反应，中低温太阳能转化为燃料的化学能。
   
    提出了一种中低温太阳能与甲醇热化学互补的分布式冷热电联产系统。1）甲醇经预热气化进入太阳能吸收/反应器，抛物槽式太阳能聚光器聚集太阳能，由吸收/反应器吸收转化为热能，甲醇在催化剂作用下发生吸热分解反应；2）高温合成气经换热器预热甲醇后进入内燃机燃烧作功；3）过量的合成气储存在合成气储罐中；4）内燃机排烟余热驱动双效溴化锂吸收式制冷机，制冷机出口烟气预热甲醇；5）预热甲醇后的烟气和内燃机缸套水经换热器供热或提供生活热水。
   
    系统性能模拟太阳直射辐射条件模拟太阳能是系统输入的重要组成部分，太阳辐射主要受几何因素、地形因素以及云量和其他非均质性大气影响因素的影响。建立了晴朗天气条件下太阳直射辐射强度与南北水平轴跟踪、东西水平轴跟踪两种形式的抛物槽式太阳能集热器接收直射辐射强度的模拟程序。
   
    系统设计思路甲醇作为清洁液体燃料，具有便于储存运输等优势。但同时甲醇的热值较低，其低位热值20.26MJ/kg低于汽油（低位热值43.97MJ/kg）等燃料，利用太阳能分解甲醇产生成分为氢气和一氧化碳的合成气能够增加燃料热值。
   
    由以上反应方程可知，由于有太阳能的输入，燃料热值提高约20%.系统选用抛物槽式太阳能聚光装置，甲醇的吸热分解反应在一体化太阳能吸收/反应器中进行。利用AspenPlus软件的平衡反应器模块，不同反应温度、压力下甲醇分解的转化率如图1所示。
   
    根据图1,综合考虑反应速率与转化率，设计反应压力为0.3MPa;此时当反应温度达到250°C,甲醇平衡转化率超过99%.在太阳热能向化学能转化过程中，250°C以下的中低温太阳热能与甲醇分解。0.110.2MPa0.3MPa0.4MPa0.5MPa‘采用抛物槽式聚光太阳能集热方式，计算南北轴跟踪与东西轴跟踪两种跟踪方式的抛物槽式集热器单位面积接收的太阳直射辐射。取北京地区晴天典型日进行研究，模拟结果如图3所示。
   
    由图3可见，北京地区全年太阳直接垂直辐射强度为最大值900W/m2左右；对比南北水平轴跟踪与东西水平轴跟踪两种跟踪方式，南北轴水平轴跟踪总体优于东西水平轴跟踪。
   
    系统设定采用内燃机作为动力设备。燃料在内燃机气缸内燃烧、膨胀做功，其中35%-45%的能量转化为电能，内燃机排气带走25%-40%左右的能量，冷却系统带走将近10%-22%的能量，约6%-12%的能量通过润滑油冷却、发动机热辐射等方式损失。可回收利用的能量包括两部分：排气和冷却水的余热。内燃机排气温度为400~600°C,采用余热锅炉或余热型溴化锂机组回收排气中的热量，用于制冷或供热；用于冷却的缸套水出口温度为80-100°C,进出口温差约为10-15°C.系统设定内燃机效率35%,排气余热占输入的40%,冷却水带走16%能量，另有9%能量损失；内燃机过量空气系数为1.8.
   
    甲醇分两股预热气化，进入太阳能吸收反应器继续加热，经过催化剂床层，发生分解反应。高温合成气通过换热器预热甲醇，冷却后进入内燃机燃烧作功；过量的合成气加压并预热甲醇后进入合成气储罐；内燃机排出的烟气驱动双效溴化锂吸收式制冷机组制冷；经过制冷机组后的烟气与内燃机缸套水经过换热器提供生活用水。
   
    对系统进行模拟，假设环境温度为25°C,甲醇分解反应温度为250°C,反应压力为0.3MPa;吸收式制冷机排烟温度为170.C,COP为1.3;环境温度为25°C,太阳辐射强度为700W/m2.
   
    系统模拟结果及分析设计工况模拟结果及分析为使系统在变辐照条件下稳定运行，采用主动蓄能的方法，蓄存多生产的合成气。将蓄存的合成气折算成为电功、制冷与供热加入输出中，结果如表1所示。
   
    由表1中可见，系统太阳能输入占总输入的14.13%,太阳能的输入降低了化石能源在系统中的输入份额，使系统具有节约化石能源、降低二氧化碳排放的特性；系统遵循能的梯级利用原则，对各部分余热进行有效利用，提供有冷、热、电三种形式的能量输出，太阳能的发电效率为28.98%,远高于传统的单独太阳能热发电效率10%-17%叭一次能源效率也高达89.16%.为进一步研究系统的能量利用情况，指出系统设备和过程的不完善程度和改进潜力所在，对系统进行拥分析。结果如表2所示。
   
    从表2中可以得到，在设计工况下，系统拥效率可以达到47.10%,在系统各部件中内燃机的拥损失最大，占输入的41.19%,其次是制冷机，其拥损失为输入的8.24%.系统的拥损失主要出现在高品位燃料在内燃机中的燃烧及作功过程。
   
    在变太阳辐照条件下，通过调控主动化学蓄能实现系统的稳定运行。计算结果如表3所示。在接收直射辐射强度从500W/m2变化到900W/m2的范围内，系统一次能源利用率稳定在89%-90%;内燃机与制冷机维持在额定工况，对外供热为73-79kW,系统具有稳定的冷、热、电输出。
   
    变福射强度条件下产生合成气的速率如图4所示。可以看出，系统在接收太阳辐射强度600W/m2开始储气，辐射强度较低时储气速率小于0,即储气罐中的合成气补充进入内燃机作功，在接收直射辐射强度为500W/m2时，系统每小时消耗储气罐中1MPa的合成气2.19m3;辐射强度较高时，系统多产生的合成气进入储罐中实现蓄能，当接收直射辐射达到900W/m2时，每小时可以向合成气储罐中存储1MPa的合成气5.72m3.
   
    结论：本文提出一种基于中低温太阳能与甲醇热化学互补的适合变辐照强度条件下的分布式冷热电供能系统，利用中低温太阳热能驱动甲醇分解，产生的太阳能燃料合成气作为燃料，集成了新型的分布式冷热电联产系统。对新系统进行了能量平衡分析和佣平衡分析。研究结果表明：在设计工况下，系统的一次能源效率达89.36%,拥效率达到47.10%,直射辐照强度从500W/m2变化到900W/m2时，系统一次能源效率及二次能源输出保持稳定。本文的研究成果为高效利用中低温太阳能热化学技术与分布式冷热电联产系统集成技术提供了新途径。