清華大學(xué)電機(jī)系教授梅生偉：第四代​發(fā)電技術(shù) 新型碟式熱聲發(fā)電系統(tǒng)效率已達(dá)32%

:“我們的碟式熱聲發(fā)電，本質(zhì)上屬于光熱，把它叫第四代發(fā)電技術(shù)，我們可以看基本的原理，它的原理簡(jiǎn)單的講是用光熱，相當(dāng)于聚焦、制造一個(gè)熱端，經(jīng)過熱到聲壓力波到機(jī)械能最后到電能，效率能達(dá)到32%。這是我們?cè)谇嗪４髮W(xué)裝的碟式發(fā)電系統(tǒng)，外表非常的美觀，效率很高，沒有任何污染，完全靜聲的系統(tǒng)?！?/p>

——清華大學(xué)電機(jī)系教授、長江學(xué)者、杰青、IEEE電子工程師協(xié)會(huì)會(huì)士、IET英國工程技術(shù)學(xué)會(huì)會(huì)士 梅生偉

以“變革·創(chuàng)新·突破”為主題，集中展示分布式光伏、儲(chǔ)能、分散式風(fēng)電、新能源汽車及充電樁、工業(yè)園區(qū)綜合用能、氫能、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域的新產(chǎn)品和新技術(shù)。由中國貿(mào)促會(huì)、江蘇省人民政府主辦的“第十一屆中國（無錫）國際新能源大會(huì)暨展覽會(huì)”于2019年11月7-9日在無錫太湖國際博覽中心和無錫君來世尊酒店隆重舉行。北極星太陽能光伏網(wǎng)作為戰(zhàn)略合作媒體將對(duì)大會(huì)進(jìn)行全程直播。

清華大學(xué)電機(jī)系教授、長江學(xué)者、杰青、IEEE電子工程師協(xié)會(huì)會(huì)士、IET英國工程技術(shù)學(xué)會(huì)會(huì)士 梅生偉

尊敬的各位領(lǐng)導(dǎo)、各位同仁，大家上午好。我非常容幸有這個(gè)機(jī)會(huì)跟大家交流一下智慧微能源網(wǎng)與太陽能高效利用方面我們做的一些工作。

我本人從2014年開始在青海大學(xué)兼職新能源學(xué)院院長，所以今天這個(gè)工作實(shí)際上也是我在青海大學(xué)工作的一個(gè)總結(jié)。

我主要內(nèi)容分幾個(gè)部分，一個(gè)是提出技術(shù)的背景，第二是簡(jiǎn)述一下我們對(duì)于智慧微能源網(wǎng)內(nèi)涵的理解，第三是核心技術(shù)，要組成微能源網(wǎng)，核心是能源樞紐我們提出清潔能源網(wǎng)路由器，第四是我們做的實(shí)踐。

我們面臨的能源發(fā)展形勢(shì)還是比較嚴(yán)峻的，我們國家的能耗總量和能耗強(qiáng)度都應(yīng)該說是世界之最，所以發(fā)展清潔能源，提升清潔能源的占比應(yīng)該說是我們戰(zhàn)略性的選擇。

我們看一下電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，我們從左邊可以看到，從傳統(tǒng)的互聯(lián)電網(wǎng)到十年前的智能電網(wǎng)到今天的智慧能源互聯(lián)網(wǎng)是走過三個(gè)階段。傳統(tǒng)的互聯(lián)電網(wǎng)一次能源比如說我們常規(guī)電廠水電、火電，風(fēng)光走向發(fā)電這一側(cè)，還有電力電網(wǎng)變壓器，現(xiàn)在涉及了智慧微能源網(wǎng)，以電能為核心把多能源進(jìn)行傳輸存儲(chǔ)。在供給側(cè)是多種形式能量綜合利用，包括冷熱電，這里面我們看到有核心的環(huán)節(jié)就是儲(chǔ)能和綜合能源系統(tǒng)，相當(dāng)于我們過去傳統(tǒng)電網(wǎng)的變壓器，這么一個(gè)層次。尤其今天要涉及的是能源互聯(lián)網(wǎng)分布式一個(gè)形態(tài)，我們叫智慧的微能源網(wǎng)，它也能夠提高我們能源的綜合利用效率，尤其是太陽能作為利用的重點(diǎn)。

儲(chǔ)能定位應(yīng)該是戰(zhàn)略性的，美國的前能源部長朱里文（音譯）先生說儲(chǔ)能技術(shù)與太陽能技術(shù)相結(jié)合其對(duì)配電和發(fā)電領(lǐng)域的影響可與當(dāng)年互聯(lián)網(wǎng)造成的顛覆性沖擊相媲美，把儲(chǔ)能定位成非常高的戰(zhàn)略性位置。

微網(wǎng)實(shí)際上是區(qū)域電網(wǎng)，我們講有幾個(gè)要素，一定要有清潔能源，一定要有儲(chǔ)能，嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)碳排甚至零排放。以自用電為主，裝機(jī)容量一般小于兩位兆瓦級(jí)，這是微網(wǎng)。怎么叫智能？滿足三方面的指標(biāo)，安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保，在我們傳統(tǒng)的物理系統(tǒng)加智能智慧的智慧控制系統(tǒng)，我們可以建立區(qū)域化的控制中心，如果實(shí)現(xiàn)安全、環(huán)保、自趨優(yōu)的能力我們就稱為智能的微電網(wǎng)。

我們把這個(gè)概念從微電網(wǎng)擴(kuò)充到微能源網(wǎng)，它是能源互聯(lián)網(wǎng)的分布式表現(xiàn)形態(tài)，由微網(wǎng)、區(qū)域熱網(wǎng)、區(qū)域共能網(wǎng)組成，關(guān)鍵是有能量的樞紐，把冷熱電無論是電源還是供給側(cè)能夠結(jié)合起來，同樣也是一樣，如果你要在前面加上智慧兩個(gè)字，從我們系統(tǒng)科學(xué)控制的角度來講你必須具有安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保多指標(biāo)自趨優(yōu)能力，有這樣的系統(tǒng)就稱之為智慧的微能源網(wǎng)。

我們看五大特征，分布式是區(qū)域的綜合能源系統(tǒng)，多能互補(bǔ)，通過能量樞紐能夠耦合熱電、氣、交通等網(wǎng)絡(luò)，核心當(dāng)然是我們的區(qū)域電網(wǎng)，并網(wǎng)、離網(wǎng)能夠平滑運(yùn)行，滿足熱、電、氣需求，最大程度消耗可再生資源，就是安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保多指標(biāo)趨優(yōu)。

最關(guān)鍵的是能量的樞紐能夠把冷熱電集成起來。一般的冷熱樞紐傳統(tǒng)做比如說電器熱到電冷熱可以看到可以直聯(lián)、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)，功能上也有不同的技術(shù)，熱電聯(lián)產(chǎn)、電熱水泵，通過樞紐進(jìn)行連接，這個(gè)過程是單向的耦合，冷熱電到電器熱雙向?qū)崿F(xiàn)耦合還要做工作。我們?cè)趺醋?？我們提出一種基于壓縮空氣的清潔能源路由器，可以看到輸入可以是風(fēng)電、光伏，也可以是光熱，也可以說是余熱。我的壓縮機(jī)可以制造產(chǎn)生壓縮空氣，我也可以存儲(chǔ)壓縮熱，我的蓄熱單位可以直接壓縮空氣，最終輸出端可以用空氣投屏（音），用蓄熱單元可以共熱，今天講的能量樞紐實(shí)際上是用壓縮空氣這種技術(shù)完成的。

我們看看壓縮空氣的三代史，1978年德國第一代常規(guī)壓縮空氣儲(chǔ)能，第二代提出的壓縮空氣儲(chǔ)能，第三代是復(fù)合式壓縮空氣儲(chǔ)能，今天講的重點(diǎn)是第三代的復(fù)合式壓縮空氣儲(chǔ)能用它來做能量的樞紐。

第一代是這樣的，我們可以從這邊看，德國的補(bǔ)燃式電站，有排放還要依賴天然氣。2011年當(dāng)時(shí)清華大學(xué)提出非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能技術(shù)，我們把高壓空氣存到儲(chǔ)存室，把壓縮熱存到儲(chǔ)熱室，電力向壓縮熱能解耦存儲(chǔ)。這是一個(gè)全部的物理過程沒有任何排放，工作介質(zhì)就是空氣，末端可以輸出電，因?yàn)槲沂强諝馔钙?，我還可以輸出冷量，我存在儲(chǔ)熱室高端可以發(fā)電低端還要發(fā)熱，可以取代燃?xì)廨啓C(jī)的冷熱電三聯(lián)供，我們想拿它來做能量的樞紐。這是在安徽蕪湖做的工業(yè)試驗(yàn)電站，能量就以高壓氣體和熱能的形式分別存儲(chǔ)，發(fā)電的時(shí)候高壓加上高溫的空氣驅(qū)動(dòng)空氣透平發(fā)電，完全清潔綠色的冷熱電安全系統(tǒng)。

我們第三代復(fù)合式壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)就把這個(gè)概念大大擴(kuò)展了。輸入側(cè)不光可以輸入風(fēng)電、光伏和低谷電，還可以輸入光熱也可以進(jìn)來，我可以儲(chǔ)氣，可以有熔融焰對(duì)應(yīng)500度的高溫，水可以對(duì)應(yīng)100多度的高溫，成梯度的工作可以形成梯度趨熱系統(tǒng)，我可以供電不同的熱，比如說熱蒸汽、熱水等等還可以輸入冷量，實(shí)現(xiàn)能量梯級(jí)利用，形成新一代的能量樞紐，把這個(gè)叫做清潔能源路由器。

它的核心就是復(fù)合式的壓縮空氣儲(chǔ)能，所謂復(fù)合不光是光伏和風(fēng)電，還有光熱等等也可以進(jìn)入，主要的功能八個(gè)字，多能聯(lián)儲(chǔ)、多能聯(lián)供。

我們下面看一看我們?cè)谇嗪４髮W(xué)做的工作。青海位于青藏高原面積是72萬平方公里，國家把青海定為清潔能源綠色能源的輸出基地，太陽能利用實(shí)際上關(guān)乎我們國家能源戰(zhàn)略安全和可持續(xù)發(fā)展。

我們講的是集中開發(fā)，還有一種利用是分布式這個(gè)系統(tǒng)的利用。我們?cè)谇嗪４髮W(xué)嘗試這幾年做了一個(gè)工作，就是校園我基于太陽能搭建了微能源網(wǎng)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)有十個(gè)子系統(tǒng)加上人工智能的調(diào)控系統(tǒng)，就是安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保多指標(biāo)的自趨優(yōu)，大家看到我有多功能電站，我有光熱系統(tǒng)，我有屋頂光伏、太陽池、熱氣流、全光譜，今天國內(nèi)外四代太陽能技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)、光熱技術(shù)等等在我這個(gè)微能源網(wǎng)里面全部都有體現(xiàn)。

從內(nèi)往外看我這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，電、熱、冷三個(gè)網(wǎng)絡(luò)，要實(shí)現(xiàn)冷熱電的綜合供給，綜合的生產(chǎn)，我靠什么把它集結(jié)起來，就靠下側(cè)的復(fù)合式壓縮空氣儲(chǔ)能集結(jié)起來形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，最后達(dá)到智慧多指標(biāo)自趨優(yōu)的層次。

要引入在壓縮空氣儲(chǔ)能在輸入端引入熱源提供熱量我們就瞄準(zhǔn)了光熱這樣一個(gè)技術(shù)途徑。實(shí)際上給儲(chǔ)熱系統(tǒng)加上光源。我們做性能比較槽式、塔式和碟式我們最后在經(jīng)濟(jì)比較來看選擇了槽式作為主要來源。中間有一個(gè)吸熱管，這個(gè)原理我就不說了。把這樣一個(gè)槽式系統(tǒng)輸入到儲(chǔ)熱單元里面，提供高溫的熱量，就在青海大學(xué)的校園里面首先建設(shè)了這樣一個(gè)能量的樞紐，我們叫Energy Hub我有壓縮機(jī)我利用光伏把空氣壓倒儲(chǔ)氣室里面，工業(yè)四個(gè)鋼罐。我壓縮熱還有后面的儲(chǔ)熱器，我用的高溫導(dǎo)熱油有320的溫度，完成了太陽能向壓力勢(shì)能高壓氣體還有壓縮光熱能量存儲(chǔ)，現(xiàn)在是可控的原來是波動(dòng)的我輸出的時(shí)候可以輸出電力和不同的熱量包括冷量，實(shí)現(xiàn)多能聯(lián)供、多能聯(lián)儲(chǔ)。

我們做的這個(gè)測(cè)試系統(tǒng)有三種逆變器，微逆、智能優(yōu)化和組串式，我們可以維尼十種組合方式，這是組建類型齊全測(cè)試功能完備的試驗(yàn)電站，服務(wù)于青海大學(xué)乃至青海的光伏電站科研包括教學(xué)的工作。

第二個(gè)系統(tǒng)我們搭建了50千瓦的光熱系統(tǒng)，地日鏡、反視鏡形成600度的光斑，本來是飛機(jī)的碳纖維回收的，實(shí)際上就是光熱電站的流程。大家看到我有地日鏡、反射鏡，實(shí)際上也可以作為鍋爐發(fā)電的。

第三個(gè)我們開發(fā)了高原的熱氣流系統(tǒng)，這實(shí)際上就太陽能煙囪，我有一個(gè)煙囪，用玻璃鋼搭一個(gè)溫室，溫室的四周是開放式的，底下用鵝卵石或者水泥混凝土搭一個(gè)平臺(tái)，相當(dāng)于溫室效應(yīng)，用溫室燥濕空氣，然后溫度升高密度降低，與外界環(huán)境形成氣壓差，通過煙囪引導(dǎo)空氣產(chǎn)生上升氣流，從而驅(qū)動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)電?；炷潦俏鼰岬牟牧?，到晚上太陽落山仍然可以發(fā)熱，這是國外做的這樣一個(gè)系統(tǒng)，100千瓦的。我們?cè)谇嗪４髮W(xué)搭建國內(nèi)第一個(gè)能夠發(fā)電的太陽能熱氣流系統(tǒng)，唯一需要的資源就是土地和陽光再加上熱空氣，所以對(duì)青海這樣一個(gè)地域廣闊加上太陽能豐富的地方這是一個(gè)完全有推廣前景的一個(gè)系統(tǒng)。

這是第四代太陽能電池技術(shù)，我們現(xiàn)在光伏電站用的光伏能量只是紫外和可見光，只占太陽能全光譜的58%的能量，紅外這一塊是沒有利用的。我們開展了全光譜發(fā)電技術(shù)，把可見光和紅外分開了，一旦紅外分出來以后它就能夠形成一個(gè)熱端，我再加一個(gè)冷端，冷熱端有溫差。再一個(gè)是BITV，我們?cè)谇嗪４髮W(xué)圖書館有五種發(fā)電單元，屋頂、門口欄桿、光頂?shù)哪緣€有相當(dāng)于溫室實(shí)際上是用來發(fā)電的，也是光伏建筑一體化的創(chuàng)新研究平臺(tái)，我們說形成了現(xiàn)代建筑藝術(shù)美和技術(shù)美的統(tǒng)一。

我們做了基于太陽能人居環(huán)境，主要用太陽能這個(gè)能量可以發(fā)熱、供電，尤其是熱，我有蒸汽發(fā)射器可以做飯，有蒸飯柜和冷藏臺(tái)，還可以淋浴，實(shí)現(xiàn)熱的梯級(jí)利用，這是系統(tǒng)具體指標(biāo)，有辦公環(huán)境、人居環(huán)境，還可以發(fā)展農(nóng)業(yè)，這是不同品類熱量供給的情況。

再一個(gè)研究的是利用青海的豐富鹽湖資源，實(shí)際上是修鹽水池，兩米深，因?yàn)橹亓Φ脑驎?huì)形成上層是低密度的鹽水，下面是高密度。分層以后上層就吸收紅外長波的太陽光，低層就吸收短波，就是紫外和可見光，中間形成了一個(gè)隔絕層，上下層的對(duì)流被阻擋住了，所以下層的高鹽分就可以大量吸收熱量，僅僅兩米深的鹽水池就可以產(chǎn)生將近100度的溫度，所以是一個(gè)聚熱器。青海鹽湖資源非常豐富的，修建這樣一個(gè)池子成本也很低，太陽能的輻照強(qiáng)度也是全國最好的。

我們看國外，看以色列的太陽池，七千平米，發(fā)電功率可以達(dá)到150千瓦，巨大的熱容量能夠每天產(chǎn)生將近上千噸的開水。所以它可以拿去供熱也可以做制冷。所以我們?cè)谇嗪４髮W(xué)也做了這樣的系統(tǒng)，我們對(duì)于長波、短波、上下分層吸收不同，用這個(gè)原理。

再一個(gè)就是我們的碟式熱聲發(fā)電，本質(zhì)上屬于光熱，把它叫第四代發(fā)電技術(shù)，我們可以看基本的原理，它的原理我簡(jiǎn)單的講可以從這里看見，是用光熱，相當(dāng)于聚焦，制造一個(gè)熱端，這里面是一個(gè)封閉的腔體，里面裝上惰性氣體，受熱以后會(huì)膨脹，膨脹到冷端，冷了以后又會(huì)回流到熱端，冷端膨脹的時(shí)候產(chǎn)生一個(gè)前向的波，回去又產(chǎn)生反向的，就形成一個(gè)聲波，我們從太陽能、光熱到熱端，然后產(chǎn)生聲波前后向的聲波，中間裝一個(gè)連感，我用斯特林機(jī)就可以發(fā)電。經(jīng)過熱到聲壓力波到機(jī)械能最后到電能，效率能達(dá)到32%。這是我們?cè)谇嗪４髮W(xué)裝的碟式發(fā)電系統(tǒng)，外表非常的美觀，效率很高，沒有任何污染，完全靜聲的系統(tǒng)。

那幾種主要系統(tǒng)裝了以后我最后通過壓縮空氣儲(chǔ)能樞紐集成在一塊兒再裝上監(jiān)控系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)多指標(biāo)，也就是安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保綜合優(yōu)化運(yùn)行。可以觀測(cè)到整個(gè)冷熱電從生產(chǎn)、存儲(chǔ)到供給過程，實(shí)現(xiàn)全過程的優(yōu)化。這是我們這個(gè)系統(tǒng)裝設(shè)三年以來指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)，主要給校園用，今天高校系統(tǒng)，雖然我們起步比較晚，1.7萬平米，是國內(nèi)高校應(yīng)該講設(shè)備最全、功能最完整也是技術(shù)最先進(jìn)的一個(gè)微能源網(wǎng)的試驗(yàn)平臺(tái)。

接下來有一個(gè)五分鐘的視頻。百聞不如一見，我們看一下現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)的情況。

我最后簡(jiǎn)短總結(jié)一下，智慧微能源網(wǎng)是一種高效的多能互補(bǔ)能源系統(tǒng)，我們講智慧還是安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保，今天講的復(fù)合式壓縮空氣儲(chǔ)能是一種非常理想的清潔能源路由器，可以構(gòu)成微能源網(wǎng)的一個(gè)中堅(jiān)。最后講太陽能的利用其實(shí)包括光伏、光熱、微電網(wǎng)、太陽能建筑一體化BITV等多種技術(shù)，總之是希望實(shí)現(xiàn)太陽能的高效利用。

謝謝大家。

（發(fā)言根據(jù)速記整理，未經(jīng)本人審核）