太阳能-制冷剂集成混合动力系统

太阳能制冷剂集成混合动力系统 太阳能-制冷剂集成混合动力系统摘要这篇文章报道了太阳能-制冷剂集成的新型混合动力系统，该系统使用太阳能热能和制冷剂作为原料。该系统由制冷剂直接膨胀的开式循环组成，其中单一介质的制冷剂从压力不断增加的状态，经过闭环布雷顿循环运转到低压状态。膨胀过程使用太阳能热能作为过热源，有序地发生在涡轮机的高压，中压和低压三个阶段中。开式循环中含有涡轮机运转的三个阶段，而闭式循环只有涡轮机运转的中等和低压两个阶段。用太阳能热发电系统和制冷剂燃料动力系统作为基准，来评定新提出的混合动力系统的性能，三个系统都使用序列二次规划（SQP）的方法来优化。结果表明，集成混合动力系统能提供更好的整体系统效率，并且能够提供高于其他两个系统输出功率之和的百分之三十的输出功率。关键词：低温储能；混合动力系统；系统优化；太阳能；制冷剂。Abstract This paper reports a new integrated solar-cryogen hybrid power system that uses solar thermal energy and cryogen as the feedstocks. The system consists of a direct expansion (open cycle) of cryogen from an elevated pressure and a closed-loop Brayton cycle operated at a medium to low pressure. The expansion occurs sequentially in three stages (high pressure, medium and low pressure turbines) using solar heat as the superheating source. The open cycle uses all the three turbines, whereas the closed cycle only uses the medium and low pressure turbines. A solar thermal power system and a cryogen fuelled power system are used as the benchmarks to evaluate the performance of the newly proposed hybrid system and the three systems are optimised using a sequential quadratic programming (SQP) method. The results show that the integrated hybrid system gives a far better overall system efficiency and provides over 30% more power output that the summation of the power outputs of the two other systems.1引言在当今世界，能源和环境是人们最关心的两个问题。一个多世纪以来，廉价并且丰富的化石能源一直支撑着工业发展和生活水平的日益增长。然而，尤其是在发展中国家，不断增长的能源需求意味着化石燃料能源在以一个很快的速度枯竭。在此期间，化石燃料的使用不断给环境带来伤害。所有这些难题，都需要使用新的可再生能源来解决。目前，可再生能源的利用在世界主体能源的利用中仅占百分之十一，到2070年预计能增长到百分之六十。太阳能是最有前途的清洁并且不会枯竭的能源之一，能够满足日益增长的能源需求。除了直接加热应用，太阳能可以以两种主要的途径转变为电能。一种是通过太阳能电池的光伏发电技术，直接将散射辐射转变为电能。另一种是通过间接的太阳能热能光热路线，依靠太阳能集热器或集中器将太阳辐射转变为热能，然后经过常规的热能循环进行发电。对于小规模低功耗的需求来说太阳能电池是最合适的，然而对于大规模和电网连接系统的需求来说太阳能热电站往往是一个更好的选择。在太阳能热发电站（STPP）里，通过太阳能光热路线，提高间接发电。太阳能热发电站是一个常规的发电站，通过收集太阳辐射能从而获得所有或者绝大部分的热负荷，产生高温太阳热能来激活郎肯电力循环。在此过程中，密集的太阳辐射不能直接加热用于动力循环中的工作流体，但可以使用太阳能载体，把太阳辐射能运输到储存器中并将热量传递给工作流体。热载体的使用有一个好处，根据需要更加准确地控制工作流体蒸发的数量和质量。此外，对于负载和太阳辐射之一或者两者，储存器和热载体的使用，还可以优化工作流体质量流动速率的波动。所储存的热能，在蒸汽循环发电厂可以用于预加热水或者蒸汽，或在联合循环发电厂加热过热蒸汽，甚至在直接蒸汽发电厂中产生直接生产蒸汽。一般来说，在这些循环中，选取水或者蒸汽或其他有机液体作为工作液体，并且太阳能以高温显热的形式储存起来。由于太阳能热能载体和工作流体之间存在因温度滑移带来的不相匹配，因此认为太阳热能载体是低效的。这项工作还与从制冷剂中高效提取冷量相关。通常定义制冷剂为一种液体，沸点低于零下150度并且包含相当多的深冷火用（超低温下的热能）。伴随着快速发展的天然气（LNG）产业，过去几十年里在制冷剂（液化天然气）生产过程方面已经做出了很多努力。例如，据估计，截止到2010年底中国进口的液化天然气的数量达到2000万吨。然而，在不提供热量来加大温度差异的蒸发过程中，高效回收低温能源就成了一个挑战。这就成为了致力于集成太阳能制冷剂动力系统的主要原因。正如后面将要看到的那样，这种集成系统将提供一种高的总体利用效率，并且减轻制冷剂再汽化过程对环境的影响。此外，最近提出了一个方案，用液态氮或者空气作为燃料，以及高峰电力和可再生能源的能源载体。这导致了，在使用直接膨胀法或者联合循环法提取低温能量方面，进行各种各样的理论和实践的研究。这些研究表明，在提取热量方面，制冷剂是一种比水或者蒸汽更有效的工作液体。在这项工作中，提出并分析了一种集成的太阳能制冷剂混合动力系统。用太阳能热发电系统和制冷剂燃料动力系统作为基准，来评价新提出的集成系统并且使用二次规划的方法优化三个系统的性能。正如下文所示，集成太阳能制冷剂的混合动力系统将提供更高的整体系统效率。2热力学系统和建模方法在这一节中，将对三个电力系统进行分析（1）太阳能热发电系统；（2）制冷剂燃料动力系统；（3）太阳能制冷剂混合动力系统。用太阳能热发电系统和制冷剂燃料动力系统作为基准，来评估这项工作中提出的集成动力系统。2.1太阳能热发电系统一个太阳能热发电系统包含着集中太阳光，这样使某些小区域成为了高温热源。热能运载体通常用来传送热量，通过一个热交换系统把热量传递给工作流体。表1展示了一系列通常使用的高温热能运载体，它们要么是纯的要么是混合的热流体。图1是太阳能热发电系统的示意图。在郎肯循环中，该系统使用水作为工作流体，并且该系统已经有了实际的应用。该系统工作如下：通过抛物槽或者其他类型集热器来加热热能运载体的方法，收集太阳辐射能。在高压水进入高压蒸汽涡轮机（HP）之前，在热交换器（HX1）里高温运载体将其过热。在蒸汽涡轮机中提取出一部分中等压力下的蒸汽，在热交换器2(HX2)中，高温热能运载体将其从新加热，然后将其送到低压蒸汽涡轮机进行进一步膨胀。排出的蒸汽在冷凝器（CD）中冷凝，然后送至再生器（RG），在那它与蒸汽涡轮机出口的蒸汽混合。最后，压缩到高压状态来完成整个能量循环。在这一方法中，在两个阶段中使用太阳能热能，并且冷能载体分别储存在MC和LC中。太阳能集热器的能效如下：（1）其中Q是运行过程中的热量，E是搜集总的辐射能，和是吸收体的吸收率，是盖子的透射率，是盖子的反射率。在集成系统中，从状态一到状态二，可以得到集热器的总辐射能为：（2） 太阳辐射释放的能量为：（3）对于一个恒定比热的热流体，,然后，（4）太阳能热载体运输的热量如下：（5）最后，太阳能集热器的效率如下：（6）该系统其他部件的热力学性质的计算如下所示。状态i的定义如下：（7）在这里，h表示焓，s是熵，下标0表示在压力为p温度为t时的物性参数。泵消耗能量如下：（8）涡轮机输出功如下：（9）和各自分别代表泵效率和涡轮机效率。表1 贮存高温显热常用的流体图1 太阳能热发电系统流程图2.2制冷剂燃料动力系统如果周围热能是唯一的热源，那么在制冷剂燃料动力系统中最简单最适用提取冷能的方法是直接膨胀循环。图2展示了这样一个系统，直接膨胀过程带有两个阶段。首先通过低温泵（CP），把储存在储存罐（CP）的制冷剂抽到高压力状态,然后在高压（HP）和低压（LP）蒸汽涡轮机内部加热区(RH2)进行两级膨胀过程之前，在热交换器（HX）和加热区（RH1）逐渐加热。回收在热交换器HX的制冷剂，可以直接使用，例如空气液化，乙烯分离，液体二氧化碳的生产，冷藏库，冷冻食品等等，或者进行二次循环来进一步发电。用于评估这一系统组件的热性能的数学公式跟用于太阳能热发电系统的数学公式相似，在这里将不再重复。图2制冷剂燃料动力系统流程图2.3太阳能制冷剂混合动力系统在这项工作中所提出的混合动力系统，集成了太阳能热发电系统和制冷剂燃料动力系统，并且制冷剂本身作为普通的工作流体来使用。图3揭示了这样一个系统。我们可以看见，混合动力系统有三部分组成：（1）制冷剂直接膨胀的开式循环；（2）一个用于充分提取低温冷能的闭式布雷顿循环；（3）一个收集太阳能并且给以上两个循环提供热源的太阳能搜集储存循环。在这个系统中，为了简化装置，闭式的布雷顿循环和直接膨胀循环共用着中压（IP）和低压(LP)蒸汽涡轮机，并且制冷剂同时也作为布雷顿循环的工作流体。制冷剂直接膨胀释放的冷能，通过布雷顿循环，在热交换器HX1里的一个热传递过程得到回收。类似于太阳能热发电系统，通过两个阶段提取太阳能热能（热源）：状态14和状态16之间的过热过程分别对应于在高温和低温运载体，状态14和状态15之间的内部加热过程分别对应于高温和中等温度运载体。与太阳能热发电系统相比较，在混合动力系统中增加了一个额外的压缩机。额外压缩机消耗能量如下：（10）其中表示压缩机效率。图3太阳能制冷剂混合动力系统流程图3参数优化和系统分析基于第二节描述的动力系统，采用二次规划（SQP）的方法进行参数优化。以下选择制冷系数作为目标函数进行优化：（11）（12）（13），和对应着分别代表太阳能热发电系统效率，制冷剂燃料动力系统效率和太阳能制冷剂混合动力系统效率。表示净输出功。（等于涡轮机的输出功减去由压缩机和抽送过程所消耗的功），是由制冷剂运转过程所消耗的。在参数优化方面，举一个例子，液态氮作为工作液体的，并且认为太阳能热载体具有恒定明确的热能。在模拟系统中运用的其他数据在表2中总结出来。三个系统的整体优化性能列于表3中。从表中我们可以看到，混合动力系统的效率比太阳能热发电系统和制冷剂燃料动力系统高很多，在给出相同能量源时，混合动力系统的净输出功率是1.0118MW，比太阳能热发电系统和制冷剂燃料动力系统输出功率的总和高出近百分之三十一。混合动力系统性能的提升来源于热能传递过程的高效。这可以，使用称作能源利用图（EUD）的图形替代法，通过能源储存过程的参数分析来证明。在能源利用图EUD中，引用可用参数或者能级密集度参数，作为过程（27）中贡献和接受能量潜能的一个指标。 （14）把释放能量的过程定义为能量供体，把接受能量过程定义为能量受体，有效能的损失过程可以表示如下：（15）通过绘制能量输入和能量运输过程的可用参数，在系统中有效能的损失值可以通过两条曲线间的区域获得。图4表示显示了代表混合动力系统EDU的效率值。我们可以看到，在混合动力系统的热交换中有效能损失，比动力传递组件如涡轮机或者压缩机的有效能损失要显著降低。对此原因有两个。第一，在混合动力系统中使用布雷顿循环，由于在热能吸收和热能排除之间存在的温度变化与之更相匹配，实现了更高效的热能传送，高位冷能的恢复。第二，由于太阳能把进入涡轮机之前压缩的气体过热，膨胀气体的输出温度在增加。因此，排出气体有效能损失在减少。同时，作为工作流体，制冷剂的使用对太阳能的利用是有利的。从表4中可以得到这些，它表明氮气的临界温度和压力比水蒸汽小很多。因此，使用制冷剂可以很容易进行超临界循环，列于表4中还包括甲烷的临界性质，作为工作流体，它的使用比蒸汽拥有更好的性能，有关应用方面将在以下部分中讨论。表2 参数优化的主要假设表3 三个系统的整体优化性能图4混合动力系统EDU的效率值4混合动力系统的进一步讨论在这一节中，对（1）热载体的选择；（2）太阳能供热的热载体优化温度；（3）混合动力系统可能拥有的商业地位进行讨论。4.1热载体的选择优化的混合动力系统的状态参数在表5中陈列出来，它表明了最高的工作温度约为600K。与表1相比较，说明了热油66可以用作载热流体，并且根据流体的性质在表5中得到流体质量流动速率。表5中的数据同时表明，热载体的质量流动速率是液氮的3.6倍，实际上这应该是可能存在的。此外，在混合动力系统的情况下，热油66有447千焦耳每公斤的能量密度，这比材料相变潜热的甚至还要高。这使得热油66在同类型应用当中，成为有竞争力的热能储存介质。当然这是公认的，热油66具有较低的热导率，这可以通过使用纳米流体的方法来增强。表4水、氮和甲烷各自的临界温度和压力表5优化的混合动力系统的状态参数4.2太阳能供热的热载体优化温度优化结果还表明，对于混合动力系统，太阳能集热器供热的热载体优化温度大约是600K.由于大多数聚光太阳能发电厂都可以提供达到600K700K的温度,因此该要求可以很容易就达到。4.3混合动力系统商业方面的潜能所提出的混合动力系统，最适合用于有制冷剂如液化天然气并且有阳光的地方。许多地方都可以达到这些标准，包括如在日本和中国的东南沿海港口都有大型液化天然气进口。然而，根据优化结果分析，新系统需要一个达到15兆帕入口压力的高压燃气轮机，据我们所知这在商业市场里无法找到。由于工作压力比当前使用的蒸汽涡轮机的工作压力低，并且工作温度比燃气轮机的燃烧温度低很多，因此我们的观点是它并不一定是一个必要的技术挑战。影响商业采用该混合动力系统的另一重要因素是经济。尽管这已经超过了工作范围，但是我们预计，用于混合动力系统的资金和运行花费应比太阳能热发电系统和制冷剂燃料动力系统所需的资金和运行花费显著降低。请记住，混合动力系统提供的电能是这两个系统所能提供电能之和的近1.3倍。因此，提出的混合动力系统的商业前景是有理由是乐观的。5总结提出了一个新的太阳能制冷剂混合动力系统，并与太阳能热发电系统和制冷剂燃料动力系统相比较。对这些系统进行热力学分析和优化。该结果表明，该混合动力系统提供功率比其他两个系统的输出功率的总和的1.3倍还多。结果还表明，对于这个混合动力系统，太阳能集热器加热的热载体最合适的温度大约是600K。致谢笔者将感谢以下代理商最终支持这项工作：（1）英国工程与自然科学研究理事会所承办的霍奇金奖（2）英国工程与自然科学研究理事会的拨款资助；（3）有合作能源研究计划的中国科学院过程工程研究所。参考文献1 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