太陽(yáng)能熱化學(xué)分布式供能關(guān)鍵技術(shù)取得新進(jìn)展

分布式能源系統(tǒng)具有高效、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、可靠和靈活等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)清潔能源的就地利用和消納，對(duì)于節(jié)能減排具有重要意義。分布式能源系統(tǒng)直接面向用戶需求，與大電網(wǎng)配合，可有效降低電力負(fù)荷波動(dòng)對(duì)大電網(wǎng)的影響，減少發(fā)生停電事故對(duì)用戶的影響;對(duì)于邊防、海島等能源供應(yīng)困難地區(qū)，多能源互補(bǔ)的分布式能源是解決其能源保障問(wèn)題的重要手段。可再生能源作為未來(lái)能源系統(tǒng)的重要構(gòu)成，適合通過(guò)多能互補(bǔ)分布式供能系統(tǒng)進(jìn)行利用，可以克服可再生能源分散、不穩(wěn)定等利用難點(diǎn)。多能源互補(bǔ)的分布式能源系統(tǒng)滿足國(guó)家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整與節(jié)能減排的戰(zhàn)略需求，也是集中式供能系統(tǒng)的有益補(bǔ)充。

中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所分布式供能與可再生能源實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)針對(duì)多能互補(bǔ)分布式供能開(kāi)展了系統(tǒng)高效集成、太陽(yáng)能熱化學(xué)燃料轉(zhuǎn)化、富氫燃料動(dòng)力發(fā)電、儲(chǔ)能與系統(tǒng)調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，先后取得一系列重要成果?；?ldquo;品位對(duì)口、梯級(jí)利用”科學(xué)用能思想，開(kāi)展了太陽(yáng)能與清潔燃料熱化學(xué)互補(bǔ)系統(tǒng)的高效集成關(guān)鍵技術(shù)研究，發(fā)展了基于中低溫太陽(yáng)能熱化學(xué)轉(zhuǎn)化耦合化學(xué)回?zé)岬姆植际焦┠芟到y(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能及動(dòng)力余熱的高效互補(bǔ)利用。針對(duì)太陽(yáng)能熱化學(xué)燃料轉(zhuǎn)化過(guò)程，構(gòu)建了多物理場(chǎng)耦合模型，開(kāi)展了太陽(yáng)能熱化學(xué)吸收/反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及運(yùn)行調(diào)控策略的優(yōu)化分析，旨在提升太陽(yáng)能熱化學(xué)吸收/反應(yīng)器的運(yùn)行性能。針對(duì)太陽(yáng)能燃料(富氫燃料)的高效利用，開(kāi)展了富氫燃料發(fā)電技術(shù)研究，研究富氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的變工況性能，提升了太陽(yáng)能燃料動(dòng)力發(fā)電的安全可靠性。針對(duì)現(xiàn)有分布式供能技術(shù)中動(dòng)力排煙余熱驅(qū)動(dòng)吸收式制冷利用過(guò)程中存在的溫度斷層，提出了基于化學(xué)回?zé)岬母咝в酂峄厥招问剑瑢?shí)現(xiàn)動(dòng)力余熱到高品位燃料化學(xué)能的轉(zhuǎn)化，減小余熱回收過(guò)程中的不可逆損失。針對(duì)太陽(yáng)能輸入與用戶負(fù)荷不匹配的問(wèn)題，構(gòu)建了儲(chǔ)能與系統(tǒng)變工況調(diào)控模型，研究太陽(yáng)能輻照強(qiáng)度和負(fù)荷變化條件下系統(tǒng)的調(diào)控方法，分析了化學(xué)儲(chǔ)能與物理儲(chǔ)能方式對(duì)系統(tǒng)變工況性能的調(diào)控效果及性能提升機(jī)理，優(yōu)化雙儲(chǔ)能單元的調(diào)控及互補(bǔ)運(yùn)行策略，旨在提升集成太陽(yáng)能分布式供能系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性及可靠性。研究團(tuán)隊(duì)在廊坊研發(fā)中心太陽(yáng)能熱化學(xué)發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中開(kāi)展了熱化學(xué)轉(zhuǎn)化、動(dòng)力發(fā)電及變工況調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究工作，對(duì)相關(guān)模型及調(diào)控策略進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，均達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

研究團(tuán)隊(duì)提出的太陽(yáng)能熱化學(xué)分布式供能系統(tǒng)，集成太陽(yáng)能熱化學(xué)燃料轉(zhuǎn)化、化學(xué)回?zé)帷⒏粴鋭?dòng)力與儲(chǔ)能等關(guān)鍵過(guò)程。聚光太陽(yáng)熱能及動(dòng)力余熱分別經(jīng)由一體化太陽(yáng)能熱化學(xué)/吸收反應(yīng)器和固定床反應(yīng)器驅(qū)動(dòng)熱化學(xué)燃料轉(zhuǎn)化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為高品位富氫燃料化學(xué)能，并進(jìn)行高密度、穩(wěn)定存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能及動(dòng)力余熱的高效利用。其中，太陽(yáng)能凈發(fā)電效率達(dá)20%以上，系統(tǒng)能源利用率達(dá)80%以上。通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能熱化學(xué)分布式供能關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，克服太陽(yáng)能低密度、間歇性、不穩(wěn)定的固有缺點(diǎn)，突破動(dòng)力余熱回收溫度斷層、不可逆損失大的局限，攻克太陽(yáng)能熱化學(xué)燃料轉(zhuǎn)化、富氫動(dòng)力發(fā)電及變工況調(diào)控等一系列從設(shè)計(jì)到優(yōu)化、從理論到應(yīng)用的技術(shù)難關(guān)，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的太陽(yáng)能熱化學(xué)分布式供能集成方法與關(guān)鍵技術(shù)，獲得20余項(xiàng)國(guó)際和國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利，并獲中國(guó)優(yōu)秀專(zhuān)利獎(jiǎng)，還發(fā)表多篇高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文。

圖1. 太陽(yáng)能熱化學(xué)燃料轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)形式與其熱力學(xué)性能(劉泰秀，劉啟斌等，Applied Energy, 2018

圖2. 化學(xué)回?zé)徇^(guò)程T-Q分析及分布式供能系統(tǒng)變工況性能(白章，劉啟斌等，Applied Energy, 2018)