太阳能冷热电联供分布式能源系统的研究
日期：2008-11-5 23:11:17 来源：中国自动化网
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摘 要：以太阳能应用为背景，讨论了能够实现独立建筑冷热电联供的两种分布式能源系统的原理。以太阳能作为唯一热源，用于加热气体工质，进行闭式Brayton循环发电。其透平释放的余热通过余热制冷方式供冷或通过换热器直接供热，可实现独立建筑的冷热电联供。当把燃料电池系统和该热动力系统组合起来，则可实现白天和夜间连续的独立建筑冷热电联供。该系 统不消耗化石能源，无污染，能源利用效
关键词：太阳能；冷热电联供;分布式能源系统
Investigation on the distributed energy system for coolingheatingpower combined cycle driven by solar energy
Abstract: Based on the application of solar energy, the principle of a distributed energy system for coolingheatingpower cogeneration for a single building was discussed. Solar energy was used as the only heat source to drive a closed Bra yton cycle to generate power. The waste heat dissipated by the turbine was utilized by a recovery refrigeration cycle to provide cooling or was directly transferred by heat exchangers for heating. When the system was further combined with a fuelcell system, the whole system can provide coolingheatingpower continu ously in day and night. The system did not consume fossil fuel and dissipate no pollutant with a high energy efficiency. Its worthy further study and introduce to practical application to solve the power crisis in summer.
Keywords: solar energy; coolingheatingpower cogeneration; distributed energy system
0 前言
随着经济的发展，人们对公共建筑的环境舒适性要求越来越高，大型建筑的暖通空调设计成为必需。无论中央空调系统还是集中供暖系统，它们必须依赖于某种能源方式才能运行。通常，这种能源来自区域锅炉或电网，其一次能源消耗主要是化石燃料。化石燃料不可再生，而且在燃烧过程中释放出大量的污染性排放物。此外，化石燃料的供应紧张日益严重，世界各国都深感到存在着制约其经济发展的潜在能源危机。因此，开发研究各种可再生新能源成为各国高度重视的研究课题。其中太阳能是一种取之不尽、用之不竭的绿色能源，对太阳能的研究和开发也是目前各国研究者和工程技术界所关注的热点课题。
分布式能源系统能够独立于集中能源（如电网、热电厂等），它可以单独为一独立大型建筑供应能源，而不受集中能源系统的影响，具有很大的灵活性和独立性。近年来，随着我国经济的快速发展和人民生活水平的提高，用电危机日趋严重，特别是到了夏季，电的短缺成为北京、上海等大城市以及很多省份所面临的一个很严重的问题，到了不得不拉闸限电的程度。其中很大一部分电能是用于建筑物（包括民居和公共建筑）的空调上。如果能够开发出一种分布式电力供应系统以满足独立建筑或小区的电力供应，那么就可以在很大程度上缓解用电高峰问题。
本文将以太阳能、燃料电池等新能源为研究对象，针对建筑物的分布式能源系统，就冷热电联供技术进行讨论。
1 太阳能利用概况
目前对太阳能的利用主要是通过两条途径：光热利用和光电利用。其中光热利用包括太阳能热水器和热水工程以及太阳能的吸附式制冷等；光电利用现阶段主要是直接利用，即采用太阳能电池进行光电的直接转换。按现在太阳能电池的效率计算，一次性投资安装太阳能电池也能够获得相当可观的电能。以上海为例，根据上海的光照情况，如果安装目前通常使用的光伏发电系统的话，每1m2的平屋顶，每小时可以获得130～180W的电能。按照上海地区每年平均标准日照1300h的话，那么就可以获得169～234kWh电。再若以上海将现有2亿m2的屋顶的十分之一，即2000万m2用作并网光伏发电的话，每年就可以获得30亿～47亿kWh电[2>。
利用太阳能加热工质，驱动热力机械循环做功发电，是太阳能光电转换的第二种方式。与光伏发电相比，热动力发电系统结构紧凑，转换效率较高，而且循环过程的余热利用可以实 现电热冷的联供。
2 太阳能热动力循环电热冷联供系统
2.1 太阳能热动力发电系统
太阳能热动力发电系统是利用太阳能做热源的热机循环系统，它利用相变材料加热气体工质而无需电化学电池储能就能够提供连续电源。热动力系统包括Rankine循环、Brayton循环和Stirling循环三种形式。其中闭式Brayton循环（CBC）太阳能热动力系统被美国航空航天局（NASA）作为“自由号”空间站增容，电力需求从75kW增至300kW后的动力系统重点加以研究[3>，研制出25kW的CBC空间电源系统[3>，并进行了地面2kW实验论证[5>，表明闭式Brayton循环（CBC）太阳能热动力系统已经达到了实用阶段，热机循环效率高达27%以上[6，7>，系统总的光电转换效率超过17%[7,8>。一个25kW的系统总质量大约7400kg。
基于闭式Brayton循环（CBC）的太阳能热动力系统包括聚能器、带蓄热的吸热器、电力转换设备、散热设备以及控制和电力调节设备等组成，如图1所示。
太阳能动力系统的工作原理是闭式Brayton热力循环。通过一个反射聚能器把入射的太阳辐 射能聚集在一个空腔式吸热器内，该吸热器内有许多换热管，闭式Brayton循环（CBC）热机所需的气态工质从这些换热管中通过，在换热管外的封壳内含有一定量的氟化锂—氟化钙（Li FCaF2）混合物，被聚能器浓聚的太阳光进入吸热器后使氟化盐融化，加热气态工质，并利用它们的融解热来储存部分能量。Brayton热力循环是单相气体循环。在该循环闭路形式中，压缩机使气态工质增压，之后高压气体流入回热器，并在那里由循环其他部分的热量传递增高温度。气态工质从回热器流向吸热器，在那里吸收热量，气态工质在此达到整个循环中的最高温度。之后，高温高压气体流入涡轮机，膨胀产生机械功，一部分机械功驱动压缩机，其余部分驱动发电机产生电能。温度和压力都已降低的气体离开涡轮机后流经回热器的低压侧，并将其很大一部分余热传给从压缩机出来的高压气体。从回热器出来后气体流经一个散热系统，将多余的热量散掉。然后冷气体再进入压缩机进行下一次循环。
在使用中，太阳能的收集量很难进行调节和控制，而所聚集的太阳能将全部被太阳能热动力系统转换为电能。因此，太阳辐照率的变化和电力输出需求的变化之间的矛盾必须要解决。方法是通过控制闭路中的总循环气体量和一个可控的寄生性的电力负载来调节该系统的电力输出，满足空间设备的电功率要求。循环气体由压缩机和一个存储气体的缓冲罐通过阀门控制。
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关键词：太阳能；冷热电联供;分布式能源系统
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Investigation on the distributed energy system for coolingheatingpower combined cycle driven by solar energy
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Abstract: Based on the application of solar energy, the principle of a distributed energy system for coolingheatingpower cogeneration for a single building was discussed. Solar energy was used as the only heat source to drive a closed Bra yton cycle to generate power. The waste heat dissipated by the turbine was utilized by a recovery refrigeration cycle to provide cooling or was directly transferred by heat exchangers for heating. When the system was further combined with a fuelcell system, the whole system can provide coolingheatingpower continu ously in day and night. The system did not consume fossil fuel and dissipate no pollutant with a high energy efficiency. Its worthy further study and introduce to practical application to solve the power crisis in summer.
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Keywords: solar energy; coolingheatingpower cogeneration; distributed energy system
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0 前言
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随着经济的发展，人们对公共建筑的环境舒适性要求越来越高，大型建筑的暖通空调设计成为必需。无论中央空调系统还是集中供暖系统，它们必须依赖于某种能源方式才能运行。通常，这种能源来自区域锅炉或电网，其一次能源消耗主要是化石燃料。化石燃料不可再生，而且在燃烧过程中释放出大量的污染性排放物。此外，化石燃料的供应紧张日益严重，世界各国都深感到存在着制约其经济发展的潜在能源危机。因此，开发研究各种可再生新能源成为各国高度重视的研究课题。其中太阳能是一种取之不尽、用之不竭的绿色能源，对太阳能的研究和开发也是目前各国研究者和工程技术界所关注的热点课题。
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分布式能源系统能够独立于集中能源（如电网、热电厂等），它可以单独为一独立大型建筑供应能源，而不受集中能源系统的影响，具有很大的灵活性和独立性。近年来，随着我国经济的快速发展和人民生活水平的提高，用电危机日趋严重，特别是到了夏季，电的短缺成为北京、上海等大城市以及很多省份所面临的一个很严重的问题，到了不得不拉闸限电的程度。其中很大一部分电能是用于建筑物（包括民居和公共建筑）的空调上。如果能够开发出一种分布式电力供应系统以满足独立建筑或小区的电力供应，那么就可以在很大程度上缓解用电高峰问题。
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本文将以太阳能、燃料电池等新能源为研究对象，针对建筑物的分布式能源系统，就冷热电联供技术进行讨论。
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
1 太阳能利用概况
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目前对太阳能的利用主要是通过两条途径：光热利用和光电利用。其中光热利用包括太阳能热水器和热水工程以及太阳能的吸附式制冷等；光电利用现阶段主要是直接利用，即采用太阳能电池进行光电的直接转换。按现在太阳能电池的效率计算，一次性投资安装太阳能电池也能够获得相当可观的电能。以上海为例，根据上海的光照情况，如果安装目前通常使用的光伏发电系统的话，每1m2的平屋顶，每小时可以获得130～180W的电能。按照上海地区每年平均标准日照1300h的话，那么就可以获得169～234kWh电。再若以上海将现有2亿m2的屋顶的十分之一，即2000万m2用作并网光伏发电的话，每年就可以获得30亿～47亿kWh电[2>。
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利用太阳能加热工质，驱动热力机械循环做功发电，是太阳能光电转换的第二种方式。与光伏发电相比，热动力发电系统结构紧凑，转换效率较高，而且循环过程的余热利用可以实 现电热冷的联供。
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2 太阳能热动力循环电热冷联供系统
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2.1 太阳能热动力发电系统
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太阳能热动力发电系统是利用太阳能做热源的热机循环系统，它利用相变材料加热气体工质而无需电化学电池储能就能够提供连续电源。热动力系统包括Rankine循环、Brayton循环和Stirling循环三种形式。其中闭式Brayton循环（CBC）太阳能热动力系统被美国航空航天局（NASA）作为“自由号”空间站增容，电力需求从75kW增至300kW后的动力系统重点加以研究[3>，研制出25kW的CBC空间电源系统[3>，并进行了地面2kW实验论证[5>，表明闭式Brayton循环（CBC）太阳能热动力系统已经达到了实用阶段，热机循环效率高达27%以上[6，7>，系统总的光电转换效率超过17%[7,8>。一个25kW的系统总质量大约7400kg。
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基于闭式Brayton循环（CBC）的太阳能热动力系统包括聚能器、带蓄热的吸热器、电力转换设备、散热设备以及控制和电力调节设备等组成，如图1所示。
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——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
太阳能动力系统的工作原理是闭式Brayton热力循环。通过一个反射聚能器把入射的太阳辐 射能聚集在一个空腔式吸热器内，该吸热器内有许多换热管，闭式Brayton循环（CBC）热机所需的气态工质从这些换热管中通过，在换热管外的封壳内含有一定量的氟化锂—氟化钙（Li FCaF2）混合物，被聚能器浓聚的太阳光进入吸热器后使氟化盐融化，加热气态工质，并利用它们的融解热来储存部分能量。Brayton热力循环是单相气体循环。在该循环闭路形式中，压缩机使气态工质增压，之后高压气体流入回热器，并在那里由循环其他部分的热量传递增高温度。气态工质从回热器流向吸热器，在那里吸收热量，气态工质在此达到整个循环中的最高温度。之后，高温高压气体流入涡轮机，膨胀产生机械功，一部分机械功驱动压缩机，其余部分驱动发电机产生电能。温度和压力都已降低的气体离开涡轮机后流经回热器的低压侧，并将其很大一部分余热传给从压缩机出来的高压气体。从回热器出来后气体流经一个散热系统，将多余的热量散掉。然后冷气体再进入压缩机进行下一次循环。
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在使用中，太阳能的收集量很难进行调节和控制，而所聚集的太阳能将全部被太阳能热动力系统转换为电能。因此，太阳辐照率的变化和电力输出需求的变化之间的矛盾必须要解决。方法是通过控制闭路中的总循环气体量和一个可控的寄生性的电力负载来调节该系统的电力输出，满足空间设备的电功率要求。循环气体由压缩机和一个存储气体的缓冲罐通过阀门控制。
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