北京大学:高温CO₂混合工质太阳能热发电探索
发布者:walt | 来源:光热联盟 | 0评论 | 7636查看 | 2018-01-30 17:30:48    
  2012年,美国国家可再生能源实验室NREL获得美国能源部SunShot计划800万美元资助,进行采用超临界CO₂作为工作介质的多元兆瓦级发电循环研发。其负责人Craig Turchi表示,经过此前的一系列研究,我们认为超临界CO₂作为工质的太阳能热发电系统在高达600-700℃的温度范围内运行都可以有良好表现。超临界CO₂发电可以在500℃以上,20MPa的大气压下实现高效率的热能利用,效率可以达到45%左右,具有提高整体发电量的巨大潜力。

  在我国,北京大学工学院张信荣教授课题组自2003年开始从事超临界CO₂中低温(200℃-500℃)朗肯发电热力学循环研究;自2015年起,也开始研究超临界CO₂高温(600℃以上)布雷顿发电热力学循环。以下就北京大学工学院孙家琦同学的研究报告进行分享。

  一、CO₂太阳能热力学循环建立与应用

  北京大学工学院在超临界CO₂流体动力学与传热稳定性做了大量的工作,包括临界区域的流动稳定性,传热多峰现象,热松弛与临界不稳定性,临界边界热机械效应等,构建了超/近临界CO₂太阳能集热器及发电机组。这一突破性成果得到美国、西班牙、挪威等多国研究者的高度评价与引用。

  图:超/近临界CO₂流体动力学与传热研究

  图:超临界CO₂热机械效应及其稳定性

  图:超临界CO₂集热器及发电机组设计

  课题组还在构建实验机组的基础上,对循环热效率进行了实验上的实测,为进一步的工业运用积累了大量的经验数据。

  图:太阳能超临界CO₂发电机组性能测试成果

  图:多种超临界CO₂发电热力学循环结构设计

  图:太阳能超临界CO₂发电采暖联供技术对比

  2003年,课题组设计搭建了一个10kW利用太阳能的超临界二氧化碳发电样机;同时通过实验与理论摸索,提出了多种基于太阳能的新型循环结构,比如布雷顿循环和朗肯耦合发电的结构;并且针对不同热源温度为布雷顿循环和朗肯提供不同发热温度。如,热源温度是500℃,布雷顿循环是比较合适的,供热温度能够达到200℃,因为考虑到是热电联产,就没有采用再压缩结构来提高了供热的温度。

  二、CO₂跨临界热泵


  CO₂热泵在低品质热利用上有了广泛的应用。使用传统工质的热泵存在环境问题(含氟、含氯工质)、能源问题(能效比低)及功能问题(出水温度低等),近年来,北京大学工学院从理论到实验,从实验到样机,最终成功研制出系列产品,而且能够保证商用的一致性。

  图:北大工学院张信荣团队研制的CO₂热泵样机

  比如,课题组正在开展的传统燃煤电场的废热回收项目,预期每年能够减排12万吨,针对各种不同规模,不同用途的需求都有成熟的方案,CO₂在日本有广泛的商业应用,包括民用、工业领域,环境友好特性得到了认可,在国际上正处在快速市场化推广阶段。2014年完成了兆瓦级样机的中试,并成功运用于大型工业项目。

  总结发现,兆瓦级CO₂商用热泵技术具备如下优势:

  1、市场前景广阔

  1)采用常规制冷剂的兆瓦级热泵空调机组面临着淘汰和替换;

  2)兆瓦级跨临界CO₂热泵机组在国际上正处在快速市场化推广阶段,只有日本全面掌握其工艺,在日本已开始应用于民用、工业和能源资源领域。

       2、市场竞争力高

  1)大型城市(如北京)有许多大型办公楼、商场和企业厂房,属建筑耗能大户,需降低耗能降,降低运行成本;

  2)如果北京10%的大型建筑采用兆瓦级CO₂热泵机组进行制冷和供暖,每年节约电费超过39亿元,减排氟利昂量超20000吨;建筑物能耗降低约25%。

  3)应用领域广泛:可广泛应用于民用、工业、农林水产等领域。

  民用:超市、商场、酒店、影剧院、学校、办公楼、医院、地铁等;

  工业:电力、制药、废水处理、纺织、橡胶、冶金、玻璃等行业;

  农林水产:种子加工、水产品加工、木材加工、牛奶加工、啤酒行业等。

  图:CO₂自然循环热回收机组

  三、高温混合工质发电循环分析

  超临界CO₂在中低温热源研究中有出众的表现,作为天然环保的工质在高温区同样有广阔的应用前景。北京大学张信荣教授课题组做的工作是,通过建立CO₂跨临界布雷顿循环系统,衡量900k到1300k的热循环效率,理论临界点会发生变化。

  针对跨临界循环选择适当的比例,合适种类的工质,是否可提高其循环热效率,只是现在还没有定论。本次报告主要探究降低临界点,相同程度时,不同混合工质的种类对于循环效率的影响是否有差异。

  图:高温超临界CO₂及其混合工质发电循环

  由于主要探究不同混合工质的差异,为降低临界点的温度,选取了CO、N2作为混合工质。左边是两种循环热效率分析,右边是损失的分布图,朗肯循环因其出口温度较低,冷却阶段平均温度更低,冷却因损失更小。

  图:CO₂二元混合物理论临界点随混合比变化(介质:从至右依次为:Xe、CO、N2)

  图:高温CO₂朗肯与布雷顿循环对比


  总体而言,布雷顿循环在高温热源情况下,CO₂其实是更有优势的。所以,采用布雷顿循环与第四代作对比,压缩机出口定为40MP的情况下,在相同工况下,CO₂在高温段的发热效率比较平稳,而且是优于He。


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图:各应用类型参数对比(来源:CO₂  Power Cycle Technology Road mapping Workshop, February 2013, SWRI San Antonio, TX)

 

而混合工质临界点降低至293.15k,压缩机入口压力为临界压力入口温度为临界点下10k的工况时理论效率对比。比较推荐使用氮气的混合工质。


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图:聚光蒸汽动力解决方案


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图:聚光热电结构


目前的聚光太阳能热发电项目一般采用蒸汽动力机组,其效率相对较低。在不改变太阳能热发电系统架构的前提下,CO₂作为极具潜力的工质,其工业运用有极高的价值,在不同热源温度下呈现出更高的效率。

 

附:张信荣教授简介

  

北京大学新型能源系统研究中心主任、北京市城市热管理工程技术研究中心主任、北京能源学会会长。国家太阳能光热产业技术创新战略联盟专家委员会委员。

  

是多项天然工质CO₂发电、制冷和制热热力学循环的创始人,天然工质热力学循环及其传热传质领域著名的研究者。在包括超/近临界流体动力学及传热、微纳米粒子相变传热、新型功能型流体材料等领域都有开创性研究成果。近年来技术研究开发主要集中在可再生式热能源的生产、传输、储存、转换和利用;建筑、工业过程中的冷热能高效利用等。

  

在国际期刊发表论文180余篇,授权和申请专利60余项。担任International Journal of Energy Research, International Journal of Global Warming等四个国际期刊编委。获得北京市科技新星、Elsevier能源领域中国高被引学者等多个荣誉称号。

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