太阳能热化学与燃料电池联合的发电系统
发布时间：2021-11-29 15:36
本文提出了一种新型的太阳能与燃料热化学互补的发电系统,集成了太阳能热化学燃料转化过程与固体氧化物燃料电池（SOFC）单元。200～300℃中低温太阳能驱动甲醇热分解反应,将太阳能转化为富氢燃料（H2、CO）的化学能,产生的太阳能燃料用于驱动SOFC燃料电池进行发电,实现了太阳能及甲醇燃料的高效发电利用。同时,采用微型燃气轮机（MGT）对SOFC余热及未反应燃料进行回收,实现动力余热的高效梯级利用,进一步提升了系统的发电效率及能源利用率。设计工况下,系统发电效率达到58.24%,太阳能净发电效率为41.1%。该研究为太阳能和清洁燃料的高效利用提供了新途径。
【文章来源】：工程热物理学报. 2020,41(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
图２太阳能反应器??Ｆｉｇ．?２?Ｓｏｌａｒ?ｔｈｅｒｍｏｃｈｅｍｉｃａｌ?ｒｅｃｅｉｖｅｒ／ｒｅａｃｔ?ｏｒ??
ｎｇａｓ?ａｎｄ?ｓｏｌａｒ?ｐｏｗｅｒ??ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ?ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ??３．３典型日系统性能??太阳辐照随时间、季节变化明显，且与地理位??率的变化，ＳＯＦＣ的效率随着燃料利用率的増大而??不断提高。而燃料利用率提高导致后燃室中未利用??的燃料量减少，降低了?ＭＧＴ透平的入口温度，通??过ＳＯＦＣ阴极的气体温度也随之降低，系统中的空??气量随之减少。随着空气流量的减少，压缩机耗功??逐渐降低，随着透平入口温度的降低和烟气量的减??少，ＭＧＴ的功率降低。??图６部件效率与燃料利用率的关系??Ｆｉｇ．?６?Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ?ｂｅｔｗｅｅｎ?ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ?ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ?ａｎｄ??ｆｕｅｌ?ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ??燃料利用率对系统效率的影响如图７所示，随??着燃料利用率的提高，ＳＯＦＣ－ＭＧＴ系统发电效率不??断提高。设计工况下，系统的燃料利用率为８５％，由??于未燃部分在后燃室燃烧后，通过ＭＧＴ透平做功，??当燃料利用率降低时，输出功率有所下降，但范围??有限，效率变化范围在３个百分点。??００：００?０４：００?０８：００?１２：００?１６：００?２０：００?２４：００??时间／ｈｈ：ｍｍ??图９夏至日系统输出功率随时间的变化??Ｆｉｇ．?９?Ｓｙｓｔｅｍ?ｏｕｔｐｕｔ?ｃｈａｎｇｅｓ?ｏｎ?ｓｕｍｍｅｒ?ｓｏｌｓｔｉｃｅ?ｗｉｔｈ?ｔｉｍｅ??００??ｏ?ｏ??ｏ?ｏ??６?４??１／麗?Ｓ－Ｋ??褂衮＃驷赍较韶医－Ｋ??４?２?０?８?６??．４．４．４．３．３??５２??
２６３２??工程热物理学报??４１卷??置、周围环境等息息相关，选取冬至和夏至两个典??型日，对系统性能进行变辐照分析，得到典型日下??系统能董输入与储能之间的关系。典型日下太阳直??射辐照强度变化如图８所示，由于太阳入射方向与??镜面法线方向存在夹角，产生余弦损失．不同时刻、??不同季节余弦损失也各不相同。研究中太阳能集热??器南北布置，受到太阳方位角的影响，冬季太阳余??弦损失较大。与此同时，测试地点位于北半球，冬季??太阳辐照时间短且辐照强度弱，导致太阳能热化学??反应产物不能满足ＳＯＦＣ－ＭＧＴ的需求，需要对合??成气先储存再利用。夏季太阳辐照充足时，产生的??合成气量过量，能够满足ＳＯＦＣ需求，多余部分进??行储存。??００：００?０４：００?０８：００?１２：００?１６：００?２０：００?２４：００??时间／ｈｈ：ｍｍ??图８典型日太阳辐照特性??Ｆｉｇ．?８?Ｓｏｌａｒ?ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ?ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ?ｏｎ?ｔｗｏ?ｔｙｐｉｃａｌ?ｄａｙｓ??夏至日，一天内系统发电量与太阳能净发电效??率随时间的变化如图９所示，在夏至，７：００－１５：００期??间太阳辐照充足，太阳能热化学甲醇分解产生的合??成气能够满足ＳＯＦＣ的满负荷运行，同时会有合成??０．５０１￣１￣￣１￣￣１￣■￣１￣■￣￣Ｉ—??０．５?０．６?０．７?０．８?０．９?１．０??燃料利用率ｔ／ｆ??图７燃料利用率对合成气发电效率和太阳能发电效率的影响??Ｆｉｇ．?７?Ｅｆｆｅｃｔ?ｏｆ?ｆｕｅｌ?ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ?ｒａｔｅ?ｏｎ?ｓｙｎｇａｓ?ａｎｄ?ｓｏｌａｒ?ｐｏｗｅｒ??ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ?
【参考文献】：
期刊论文
[1]太阳能热化学与化学回热联合的冷热电系统[J]. 刘泰秀,隋军,刘启斌,刘锋. 工程热物理学报. 2017(09)
[2]SOFC—联合循环系统性能分析[J]. 赵洪滨,杨倩,江婷,杨微. 工程热物理学报. 2014(05)
本文编号：3526761
【文章来源】：工程热物理学报. 2020,41(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
图２太阳能反应器??Ｆｉｇ．?２?Ｓｏｌａｒ?ｔｈｅｒｍｏｃｈｅｍｉｃａｌ?ｒｅｃｅｉｖｅｒ／ｒｅａｃｔ?ｏｒ??
ｎｇａｓ?ａｎｄ?ｓｏｌａｒ?ｐｏｗｅｒ??ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ?ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ??３．３典型日系统性能??太阳辐照随时间、季节变化明显，且与地理位??率的变化，ＳＯＦＣ的效率随着燃料利用率的増大而??不断提高。而燃料利用率提高导致后燃室中未利用??的燃料量减少，降低了?ＭＧＴ透平的入口温度，通??过ＳＯＦＣ阴极的气体温度也随之降低，系统中的空??气量随之减少。随着空气流量的减少，压缩机耗功??逐渐降低，随着透平入口温度的降低和烟气量的减??少，ＭＧＴ的功率降低。??图６部件效率与燃料利用率的关系??Ｆｉｇ．?６?Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ?ｂｅｔｗｅｅｎ?ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ?ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ?ａｎｄ??ｆｕｅｌ?ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ??燃料利用率对系统效率的影响如图７所示，随??着燃料利用率的提高，ＳＯＦＣ－ＭＧＴ系统发电效率不??断提高。设计工况下，系统的燃料利用率为８５％，由??于未燃部分在后燃室燃烧后，通过ＭＧＴ透平做功，??当燃料利用率降低时，输出功率有所下降，但范围??有限，效率变化范围在３个百分点。??００：００?０４：００?０８：００?１２：００?１６：００?２０：００?２４：００??时间／ｈｈ：ｍｍ??图９夏至日系统输出功率随时间的变化??Ｆｉｇ．?９?Ｓｙｓｔｅｍ?ｏｕｔｐｕｔ?ｃｈａｎｇｅｓ?ｏｎ?ｓｕｍｍｅｒ?ｓｏｌｓｔｉｃｅ?ｗｉｔｈ?ｔｉｍｅ??００??ｏ?ｏ??ｏ?ｏ??６?４??１／麗?Ｓ－Ｋ??褂衮＃驷赍较韶医－Ｋ??４?２?０?８?６??．４．４．４．３．３??５２??
２６３２??工程热物理学报??４１卷??置、周围环境等息息相关，选取冬至和夏至两个典??型日，对系统性能进行变辐照分析，得到典型日下??系统能董输入与储能之间的关系。典型日下太阳直??射辐照强度变化如图８所示，由于太阳入射方向与??镜面法线方向存在夹角，产生余弦损失．不同时刻、??不同季节余弦损失也各不相同。研究中太阳能集热??器南北布置，受到太阳方位角的影响，冬季太阳余??弦损失较大。与此同时，测试地点位于北半球，冬季??太阳辐照时间短且辐照强度弱，导致太阳能热化学??反应产物不能满足ＳＯＦＣ－ＭＧＴ的需求，需要对合??成气先储存再利用。夏季太阳辐照充足时，产生的??合成气量过量，能够满足ＳＯＦＣ需求，多余部分进??行储存。??００：００?０４：００?０８：００?１２：００?１６：００?２０：００?２４：００??时间／ｈｈ：ｍｍ??图８典型日太阳辐照特性??Ｆｉｇ．?８?Ｓｏｌａｒ?ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ?ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ?ｏｎ?ｔｗｏ?ｔｙｐｉｃａｌ?ｄａｙｓ??夏至日，一天内系统发电量与太阳能净发电效??率随时间的变化如图９所示，在夏至，７：００－１５：００期??间太阳辐照充足，太阳能热化学甲醇分解产生的合??成气能够满足ＳＯＦＣ的满负荷运行，同时会有合成??０．５０１￣１￣￣１￣￣１￣■￣１￣■￣￣Ｉ—??０．５?０．６?０．７?０．８?０．９?１．０??燃料利用率ｔ／ｆ??图７燃料利用率对合成气发电效率和太阳能发电效率的影响??Ｆｉｇ．?７?Ｅｆｆｅｃｔ?ｏｆ?ｆｕｅｌ?ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ?ｒａｔｅ?ｏｎ?ｓｙｎｇａｓ?ａｎｄ?ｓｏｌａｒ?ｐｏｗｅｒ??ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ?
【参考文献】：
期刊论文
[1]太阳能热化学与化学回热联合的冷热电系统[J]. 刘泰秀,隋军,刘启斌,刘锋. 工程热物理学报. 2017(09)
[2]SOFC—联合循环系统性能分析[J]. 赵洪滨,杨倩,江婷,杨微. 工程热物理学报. 2014(05)
本文编号：3526761
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