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北京大学:高温CO₂混合工质太阳能热发电探索

2018-1-30 17:30| 发布者: crystal| 查看: 1579| 评论: 0|来自: 光热联盟

  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。

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