多能互补的分布式能源系统理论和技术的研究进展总结及发展趋势探讨
发布时间：2021-11-22 18:13
基于第233期双清论坛的学术研讨,本文围绕能源动力系统高效清洁低碳和环境能效相容发展等内容,梳理了我国当前能源利用所存在的主要问题,指出分布式能源系统和大规模集中供能的有机结合是未来能源系统发展的方向。探讨了多能互补的分布式能源系统发展的原理与方法,进一步凝练了发展多能互补分布式能源系统亟待解决的关键科学问题和重要研究方向,为国家自然科学基金委员会在未来5～10年对该方向的研究资助提供了政策建议。
【文章来源】：中国科学基金. 2020,34(03)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
图１能的梯级利用及分布式冷热电联产体系
２９２中国科学基金２０２０年图３燃料化学能梯级利用原理示意图与物理能的品位差，品位差由直接燃烧时的Ａｃｈ１－Ａｔｈ１降低至Ａｃｈ２－Ａｔｈ１；另一方面，充分利用燃烧反应较高的作功能力来提升中低品位反应热的作功能力（品位）Ａｔｈ２→Ａｃｈ１，并在合成气燃烧中能够以高品位热能形式予以释放，有效提高了中低温热能的作功能力。通过此类反应途径，也实现了燃料化学能间接释放，改变了传统燃料化学能直接通过燃烧转化的利用形式，有效降低了燃料的化学能释放品位，达到减少燃烧过程不可逆损失的目的，并实现燃料燃烧反应作功能力品位的有效利用与中低温热能品位提升的有机结合。ＣｘＨｙＯｚ＋ＣＯ２→?ＣＯ＋Ｈ２＋Ｈ２Ｏ（２）ＣｘＨｙＯｚ＋Ｈ２Ｏ→?ＣＯ＋Ｈ２＋ＣＯ２（３）另外，在化学链等无火焰燃烧反应中，通过相互关联气体燃料与含氧固体氧化剂的还原与再生化学反应，将有序释放燃料化学能，如式（４）和式（５）所示［６］。空气中的氧气组分通过含氧固体氧化剂进行传递，避免了燃料与空气的直接接触，在采用天然气、合成煤气等含碳燃料时，也将实现ＣＯ２产物的富集与无能耗分离回收，协同了能源转换利用与污染物控制过程，也从根本上改变传统的污染物分离理念。为此，通过进一步揭示能源转换系统中ＣＯ２的形成、反应、迁移、转化机理，将实现清洁能源生产和ＣＯ２分离一体化以及燃烧过程革新等。燃料侧：ＣｎＨ２ｍ
Ｏｙ－１＋Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２（４）空气侧：２ＭｘＯｙ－１＋Ｏ２→?２ＭｘＯｙ（５）２．２能的综合梯级利用原理长期以来，热力循环的研究主要关注于卡诺循环效率曲线的下方，即物理能的综合利用部分，然而热力系统中损失最大之处并非发生在物理能的传递与转化过程，而是发生在化学能转化为物理能的燃料燃烧过程，同时也是污染物和ＣＯ２生成的源头。通过高温加热的布雷顿循环与低温排热的朗肯循环相结合，实现了物理能梯级利用，如图４所示，其联合循环热效率能达到６０％以上，然而在高温区卡诺循环效率随温度的上升空间变窄，即便进一步提高循环初温，对于提高物理能利用效率和减少燃烧过程损失的效果将越来越微弱。图４广义总能系统中能的综合梯级利用概念图随着能源科学的不断发展，起始于经典热力学理论，能量在“量”、“质”和“势”等多个层面的理解逐渐深入，对能量其本质的认识也更加深刻，由此进一步发展了能量转化利用新理论，也将为实现能源的高效综合梯级利用奠定了理论基础［２５］。能的最大作功能力的有效转化涉及与吉布斯自由能变化紧密联系的化学反应和与热利用相关的热力循环，如式（６）所示。ｄＥ＝ｄＧ＋ＴｄＳηｃ（６）通过控制燃料品位的热化学反应逐级利用了燃料化学能，改变了燃料化学能通过直接燃烧方式单纯转化为物理能的传统利用模式，例如燃料重整和化学链无火焰燃烧等，将降低化学能与最终要转化的能量之间的品位损失，也成为提升循环性能潜力的关键所在。在能源转化源头实现燃料化学
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国分布式可再生能源发电发展现状与挑战[J]. 韩雪,任东明,胡润青. 中国能源. 2019(06)
[2]百万等级超超临界二次再热机组整体经济性研究[J]. 姚啸林,付昶,施延洲,孟桂祥,王安庆. 热力发电. 2017(08)
[3]中国新能源弃风弃光原因分析及前景探究[J]. 周强,汪宁渤,冉亮,沈荟云,吕清泉,王明松. 中国电力. 2016(09)
[4]多能源互补的分布式冷热电联产系统理论与方法研究[J]. 金红光,隋军,徐聪,郑丹星,史琳. 中国电机工程学报. 2016(12)
[5]可再生能源的热利用与综合利用[J]. 金红光,隋军. 中国科学院院刊. 2016(02)
[6]能源互联网“源–网–荷–储”协调优化运营模式及关键技术[J]. 曾鸣,杨雍琦,刘敦楠,曾博,欧阳邵杰,林海英,韩旭. 电网技术. 2016(01)
[7]能源互联网动态协调优化控制体系构建[J]. 孙秋野,滕菲,张化光,马大中. 中国电机工程学报. 2015(14)
[8]科学认识煤化工 大力推进煤的清洁高效利用[J]. 谢克昌. 能源与节能. 2011(02)
[9]科学用能与分布式能源系统[J]. 徐建中. 中国能源. 2005(08)
[10]化学能与物理能综合梯级利用原理[J]. 金红光,洪慧,王宝群,韩巍,林汝谋. 中国科学E辑:工程科学 材料科学. 2005(03)
本文编号：3512209
【文章来源】：中国科学基金. 2020,34(03)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
图１能的梯级利用及分布式冷热电联产体系
２９２中国科学基金２０２０年图３燃料化学能梯级利用原理示意图与物理能的品位差，品位差由直接燃烧时的Ａｃｈ１－Ａｔｈ１降低至Ａｃｈ２－Ａｔｈ１；另一方面，充分利用燃烧反应较高的作功能力来提升中低品位反应热的作功能力（品位）Ａｔｈ２→Ａｃｈ１，并在合成气燃烧中能够以高品位热能形式予以释放，有效提高了中低温热能的作功能力。通过此类反应途径，也实现了燃料化学能间接释放，改变了传统燃料化学能直接通过燃烧转化的利用形式，有效降低了燃料的化学能释放品位，达到减少燃烧过程不可逆损失的目的，并实现燃料燃烧反应作功能力品位的有效利用与中低温热能品位提升的有机结合。ＣｘＨｙＯｚ＋ＣＯ２→?ＣＯ＋Ｈ２＋Ｈ２Ｏ（２）ＣｘＨｙＯｚ＋Ｈ２Ｏ→?ＣＯ＋Ｈ２＋ＣＯ２（３）另外，在化学链等无火焰燃烧反应中，通过相互关联气体燃料与含氧固体氧化剂的还原与再生化学反应，将有序释放燃料化学能，如式（４）和式（５）所示［６］。空气中的氧气组分通过含氧固体氧化剂进行传递，避免了燃料与空气的直接接触，在采用天然气、合成煤气等含碳燃料时，也将实现ＣＯ２产物的富集与无能耗分离回收，协同了能源转换利用与污染物控制过程，也从根本上改变传统的污染物分离理念。为此，通过进一步揭示能源转换系统中ＣＯ２的形成、反应、迁移、转化机理，将实现清洁能源生产和ＣＯ２分离一体化以及燃烧过程革新等。燃料侧：ＣｎＨ２ｍ
Ｏｙ－１＋Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２（４）空气侧：２ＭｘＯｙ－１＋Ｏ２→?２ＭｘＯｙ（５）２．２能的综合梯级利用原理长期以来，热力循环的研究主要关注于卡诺循环效率曲线的下方，即物理能的综合利用部分，然而热力系统中损失最大之处并非发生在物理能的传递与转化过程，而是发生在化学能转化为物理能的燃料燃烧过程，同时也是污染物和ＣＯ２生成的源头。通过高温加热的布雷顿循环与低温排热的朗肯循环相结合，实现了物理能梯级利用，如图４所示，其联合循环热效率能达到６０％以上，然而在高温区卡诺循环效率随温度的上升空间变窄，即便进一步提高循环初温，对于提高物理能利用效率和减少燃烧过程损失的效果将越来越微弱。图４广义总能系统中能的综合梯级利用概念图随着能源科学的不断发展，起始于经典热力学理论，能量在“量”、“质”和“势”等多个层面的理解逐渐深入，对能量其本质的认识也更加深刻，由此进一步发展了能量转化利用新理论，也将为实现能源的高效综合梯级利用奠定了理论基础［２５］。能的最大作功能力的有效转化涉及与吉布斯自由能变化紧密联系的化学反应和与热利用相关的热力循环，如式（６）所示。ｄＥ＝ｄＧ＋ＴｄＳηｃ（６）通过控制燃料品位的热化学反应逐级利用了燃料化学能，改变了燃料化学能通过直接燃烧方式单纯转化为物理能的传统利用模式，例如燃料重整和化学链无火焰燃烧等，将降低化学能与最终要转化的能量之间的品位损失，也成为提升循环性能潜力的关键所在。在能源转化源头实现燃料化学
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国分布式可再生能源发电发展现状与挑战[J]. 韩雪,任东明,胡润青. 中国能源. 2019(06)
[2]百万等级超超临界二次再热机组整体经济性研究[J]. 姚啸林,付昶,施延洲,孟桂祥,王安庆. 热力发电. 2017(08)
[3]中国新能源弃风弃光原因分析及前景探究[J]. 周强,汪宁渤,冉亮,沈荟云,吕清泉,王明松. 中国电力. 2016(09)
[4]多能源互补的分布式冷热电联产系统理论与方法研究[J]. 金红光,隋军,徐聪,郑丹星,史琳. 中国电机工程学报. 2016(12)
[5]可再生能源的热利用与综合利用[J]. 金红光,隋军. 中国科学院院刊. 2016(02)
[6]能源互联网“源–网–荷–储”协调优化运营模式及关键技术[J]. 曾鸣,杨雍琦,刘敦楠,曾博,欧阳邵杰,林海英,韩旭. 电网技术. 2016(01)
[7]能源互联网动态协调优化控制体系构建[J]. 孙秋野,滕菲,张化光,马大中. 中国电机工程学报. 2015(14)
[8]科学认识煤化工 大力推进煤的清洁高效利用[J]. 谢克昌. 能源与节能. 2011(02)
[9]科学用能与分布式能源系统[J]. 徐建中. 中国能源. 2005(08)
[10]化学能与物理能综合梯级利用原理[J]. 金红光,洪慧,王宝群,韩巍,林汝谋. 中国科学E辑:工程科学 材料科学. 2005(03)
本文编号：3512209
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