分布式能源系統具有高效, 環保, 經濟, 可靠和靈活等特點, 能夠實現清潔能源的就地利用和消納, 對於節能減排具有重要意義. 分布式能源系統直接面向用戶需求, 與大電網配合, 可有效降低電力負荷波動對大電網的影響, 減少發生停電事故對用戶的影響; 對於邊防, 海島等能源供應困難地區, 多能源互補的分布式能源是解決其能源保障問題的重要手段. 可再生能源作為未來能源系統的重要構成, 適合通過多能互補分布式供能系統進行利用, 可以克服可再生能源分散, 不穩定等利用難點. 多能源互補的分布式能源系統滿足國家能源結構調整與節能減排的戰略需求, 也是集中式供能系統的有益補充.
中國科學院工程熱物理研究所分布式供能與可再生能源實驗室團隊針對多能互補分布式供能開展了系統高效整合, 太陽能熱化學燃料轉化, 富氫燃料動力發電, 儲能與系統調控等關鍵技術攻關, 先後取得一系列重要成果. 基於 '品位對口, 梯級利用' 科學用能思想, 開展了太陽能與清潔燃料熱化學互補系統的高效整合關鍵技術研究, 發展了基於中低溫太陽能熱化學轉化耦合化學回熱的分布式供能系統, 實現了太陽能及動力餘熱的高效互補利用. 針對太陽能熱化學燃料轉化過程, 構建了多物理場耦合模型, 開展了太陽能熱化學吸收/反應器結構及運行調控策略的優化分析, 旨在提升太陽能熱化學吸收/反應器的運行性能. 針對太陽能燃料 (富氫燃料) 的高效利用, 開展了富氫燃料發電技術研究, 研究富氫燃料發動機的變工況性能, 提升了太陽能燃料動力發電的安全可靠性. 針對現有分布式供能技術中動力排煙餘熱驅動吸收式製冷利用過程中存在的溫度斷層, 提出了基於化學回熱的高效餘熱回收形式, 實現動力餘熱到高品位燃料化學能的轉化, 減小餘熱回收過程中的不可逆損失. 針對太陽能輸入與用戶負荷不匹配的問題, 構建了儲能與系統變工況調控模型, 研究太陽能輻照強度和負荷變化條件下系統的調控方法, 分析了化學儲能與物理儲能方式對系統變工況性能的調控效果及性能提升機理, 優化雙儲能單元的調控及互補運行策略, 旨在提升整合太陽能分布式供能系統的運行穩定性及可靠性. 研究團隊在廊坊研發中心太陽能熱化學發電實驗平台中開展了熱化學轉化, 動力發電及變工況調控等關鍵技術的實驗研究工作, 對相關模型及調控策略進行了實驗驗證, 均達到了預期目標.
研究團隊提出的太陽能熱化學分布式供能系統, 整合太陽能熱化學燃料轉化, 化學回熱, 富氫動力與儲能等關鍵過程. 聚光太陽熱能及動力餘熱分別經由一體化太陽能熱化學/吸收反應器和固定床反應器驅動熱化學燃料轉化反應, 轉化為高品位富氫燃料化學能, 並進行高密度, 穩定存儲, 實現了太陽能及動力餘熱的高效利用. 其中, 太陽能淨髮電效率達20%以上, 系統能源利用率達80%以上. 通過對太陽能熱化學分布式供能關鍵技術的研發, 克服太陽能低密度, 間歇性, 不穩定的固有缺點, 突破動力餘熱回收溫度斷層, 不可逆損失大的局限, 攻克太陽能熱化學燃料轉化, 富氫動力發電及變工況調控等一系列從設計到優化, 從理論到應用的技術難關, 形成了具有自主智慧財產權的太陽能熱化學分布式供能整合方法與關鍵技術, 獲得20餘項國際和國家發明專利, 並獲中國優秀專利獎, 還發表多篇高質量學術論文.
圖1. 太陽能熱化學燃料轉化結構形式與其熱力學性能
圖2. 化學回熱過程T-Q分析及分布式供能系統變工況性能
