中低温太阳能与甲醇热化学互补的分布式能源系统集成

发布时间：2017-12-28 16:10

  本文关键词：中低温太阳能与甲醇热化学互补的分布式能源系统集成　出处：《中国科学院工程热物理研究所》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：能源是人类社会赖以存在和发展的物质基础,非可再生化石能源的大量消耗带来能源供应不可持续性、环境污染问题和温室气体排放问题威胁人类的生存和发展,发展以太阳能为代表清洁可再生能源是实现人类发展与环境协调相融的必由之路。本学位论文依托国家自然科学基金等国家重要科研项目,对中低温太阳能热化学互补发电系统集成开展了深入的研究。针对中低温太阳能与燃料热化学"能量互补、品位耦合"关键问题,开展了多能源互补系统能量转化机理、系统集成的方法与实验研究。基于热力学基本定律和基本关系式,推导了太阳能与化石燃料热化学互补的品位关联式。以中低温太阳能驱动的甲醇重整反应过程为例,开展了抛物槽式太阳能集热的太阳能热化学吸收/反应器的能量转换与化学反应耦合的研究。构造了基于槽式集热能量传递与Cu/ZnO/Al2O3催化剂复杂的重整反应动力学耦合模型,建立了甲醇重整制氢的非等温型太阳能热化学吸收/反应器模型,揭示了太阳能热化学过程太阳能辐照强度、物料流量与温度、水碳比等关键参数对太阳能燃料转换的影响规律。基于上述机理研究与化学能与物理能综合梯级利用原理,集成了具有化学回热和化学蓄能功能的中低温太阳能与甲醇互补的分布式能源系统,对系统的热力性能和变工况性能展开研究,提出变辐照条件下系统调控方法,使系统在宽的太阳辐射强度条件下具有稳定的多功能冷热电输出。开发了低聚光比抛物槽式太阳能聚光集热跟踪模拟程序,研究了槽式太阳能集热器南北基准部分旋转跟踪方式特性,通过模拟研究了不同纬度下四季典型日南北基准部分旋转跟踪方式在不同极限旋转角度时的跟踪性能和全年跟踪性能,获得了部分旋转跟踪方式的特性规律,为太阳能热化学发电系统的镜场布置提供参考。设计并搭建了 100 kW中低温太阳能热化学发电实验平台,实验平台包括甲醇存储与给料系统、内燃机烟气余热回收与甲醇蒸发系统、甲醇管路伴热保温系统、中低温太阳能热化学燃料转化系统、合成气冷凝与甲醇分离回收系统、化学蓄能系统、合成气增压系统、富氢燃料内燃机发电系统、气象数据采集平台,以及数据采集及控制系统。开展了初步的实验的实验验证,为中低温太阳能与甲醇热化学互补发电技术的研究工作和工程化推广提供数据基础与支撑。
[Abstract]:Energy is the material basis for human existence and development, large consumption of non renewable fossil energy to bring energy supply sustainable, environmental pollution and greenhouse gas emissions threat to human survival and development, the development of clean and renewable energy represented by solar energy is the only way which must be passed of human development and environmental harmony. Based on the National Natural Science Foundation and other important national research projects, this dissertation has carried out in-depth research on the integration of mid low temperature solar thermal chemical complementary power generation system. Aiming at the key problems of solar energy and fuel thermochemistry "energy complementarity and grade coupling" at middle and low temperature, the energy conversion mechanism and system integration method and experimental research of multi energy complementarity system were carried out. Based on the basic laws of thermodynamics and basic relations, the grade correlation of the thermochemistry of solar energy and fossil fuels is derived. Taking the methanol reforming process driven by medium and low temperature solar energy as an example, the energy conversion and chemical reaction coupling of solar energy thermochemical absorption / reactor with parabolic trough solar collector were studied. Constructed trough type solar energy transfer reforming reaction kinetics model coupled with Cu/ZnO/Al2O3 catalyst was established based on complex / non isothermal absorption type solar thermochemical methanol reforming reactor model, reveals the solar thermochemical process solar radiation intensity, the material flow and temperature, ratio of water to carbon and other key parameters influencing solar fuel conversion the. The mechanism of chemical energy and physical energy based on the principle of cascade utilization, integrated with distributed energy system in low temperature methanol and solar complementary chemical thermal and chemical storage function, study on the thermal performance of the system and variable working conditions, put forward the irradiation condition system control method, the system has many functions cold and heat stable output in the solar radiation intensity under the condition of wide. The development of the low concentration ratio of parabolic trough solar concentration tracking simulation program of the trough solar collector north-south reference part rotation tracking mode characteristic, different latitudes throughout the north and south part of the typical daily reference tracking mode in different rotation limit rotation angle tracking performance and the tracking performance is studied through simulation, obtained the characteristics of rotating tracking mode, provide a reference for the mirror field arrangement of solar thermochemical power generation system. Design and build the low-temperature solar thermochemical generation experimental platform of the 100 kW experimental platform including methanol storage and feeding system, waste heat recovery of flue gas and methanol diesel methanol evaporation system, pipeline heat insulation system, low-temperature solar thermochemical fuel conversion system, synthetic gas and methanol separation condensate recovery system, energy storage system, chemical synthesis gas pressurization system, hydrogen rich fuel power generation system of internal combustion engine, meteorological data acquisition platform, and data acquisition and control system. Preliminary experimental verification is carried out, providing data basis and support for research and engineering promotion of mid low temperature solar and methanol thermochemical hybrid power generation technology.
【学位授予单位】：中国科学院工程热物理研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TK01;TK51

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