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应用斯特灵引擎的颗粒锅炉对M-CHP在国内应用的发展摘要：布鲁诺凯斯勒基金会通过其子公司的可再生能源和环境技术已设计出一种新的可持续发展技术。这一技术被集成在单个系统中实现。（1）AllanJ.Organ预工程设计中的一种斯特林发动机（MRT-1K）; （2）微型换热器的技术，以减少对热机的热侧的净转移单位赤字; (3) 一个能够提取电和热功率的定制锅炉； （4）一个连接斯特灵发动机的冷侧和在颗粒锅炉第二部分产生的热量的定制的液压回路。 本文的目的是提出了一种在一个分布式的水平上的能量的微热电联产技术，并且这种技术能集成在国内的住宅中。可用的生物量的大部分是用于室内取暖的热发电的，在少数情况下，用于加热卫生用水。在特伦托省，生物量的88%是用为了这个目的。这整个系统实际上是为了测设阶段整合出来的，还没有进行实际的测试。斯特林发动机上单个原件的对于公差、压力、发电机的驱动控制系统的集成第一次测试结果已经证实。颗粒锅炉已分别测试，确定一个总的热效率为90。关键词：微型热电联产，斯特灵机，锅炉，可再生能源背景水平分布式能源热电联产是一个在大部分有关可再生能源资源和系统的能源政策中主要的观点。实际市场中国内的太阳能系统的分布应用（光伏PV和太阳能热）有明显的局限性：（1）光伏系统从一个小的可用空间创建收集能量的总体（电）效率偏低，有时限制在表面几平方米；（2）实际上太阳能集热器停滞的温度限制了太阳能热系统的扩散;（3）固定和非可更新的系统可能以与国内汽车消费的空间分布不一致的方式间歇产生能量。另一方面，分布式能源发电的增长远远高于一切的关系，不仅在新能源市场，但即使在高度工业化的国家也一样。在德国，所有太阳能，风能，生物质能的技术部门，在2009年43吉瓦的装机功率的50以上是在个人和农民的手中1。在分布式的水平，越来越多的技术正在接近市场，如新型高效光伏聚光光伏技术2。基于太阳能3，燃料电池4，或生物量的微型热电m-chp 的解决方案。热能源的高效生产技术，如地源热泵，空气热泵，和太阳能热。基于非间歇性的来源，可以连接并最终与其他可持续技术新的热电联产系统的发展是十分必要的。紧凑的微型热电联产系统集成与斯特林发动机颗粒锅炉，实现与市场层次的能源成本的兼容。本文第一次提出，这样的m-chp生物技术发展的不同阶段。这样的系统（见图1）将斯特灵发动机（mrt-1k）在一个定制的锅炉产生热功率的加热和最终冷却，电力，水和热的卫生的合理实现。四个主要的主题已经导致了该方案的发展：图1 工艺布局的微型热电联产锅炉- 燃烧技术的改进允许适应的一个改型的燃烧室与斯特林热交换器在一个新的有效的解决方案，优化发电，从系统的不同部分在不同温度下的热去除的整体效率。- 优化的斯特林发动机和新的紧凑式换热器技术，可降低成本和提高性能小热引擎，因此它们可以与较高比例的卡诺效率的燃烧器的工作温度（600）。-成本高，gasfuelled m-chp系统的低功率效率，结合天然气价格上涨，电力价格的绝对和相对，可以破坏的气体燃料m-chp财务可行性。有选择的m-chp系统的迫切需要，其中太阳能和生物质m-chp，无论是单独或混合，是高潜力的选项。该系统可在两种不同的操作模式下工作：热能只在建筑物有需求的时候供给。建筑物不需要额外电功率耗散的热能。首先将应用在大部分可以电网连接的地区，第二把远程位置（别墅）电网不能连接的位置。电能存储与最终用户的需求的能量，将被要求符合能源发电。在这两种情况下，颗粒锅炉将被提供与颗粒的体积的控制，以使燃烧器工作在低功耗（5 kWth）。材料与方法经济方面介绍生物质燃烧系统（生物质锅炉和火炉）是在高寒地区最分散的和具有成本效益的采暖系统之一。媲美最好的和最先进的来获得整体的天然气或化石燃料锅炉效率的技术，效率高于80%。从一个颗粒或木材燃烧器的m-CHP发电基地技术是一种潜在的附加值。A股市场的分析表明，意大利是第一个将球团炉放到特定的市场部门的欧洲国家在，在国内在2008年安装了800,000个系统，在2006年生产了38万台。在过去的5年中（2003-2008年）颗粒锅炉的消费和使用，增加了300。有一个比较数据，在欧洲，有2006年生产了.4.4万吨，到了2010年增长到了8.8万吨5。在欧洲能源市场，生物质能可再生能源，其中85来自国内工厂和大约15来自工厂（多级燃烧，气化，热解过程）产生的能量有51的份额。此外，来自可再生能源的热能直接生产，约97，来自生物质燃烧6。此外，所有直接热能源来自可再生能源的97来自生物质的燃烧。弗罗斯特和沙利文7从最近的一份报告表明，生物质可以在欧洲范围内的可再生能源提供了强有力的支持。此源提供目前三分之二的具体部门，并有很强的幅度越来越大，因为欧盟25国的领土增加原料producedin。同一份报告还强调了生物质的情况下，错误地认为过去的能源资源，技术发展的融资支持，可以提供一个先进的系统，降低成本（转换比率/千瓦是一个更有利的解决方案市场，成本低于2,000/ KWE），环境的可持续性，和较低水平的影响。本项目的目的是实现一个系统，该系统能够覆盖的一部分电能和热能用于加热的需求，卫生热水的目的的需求以下是国内热电联产系统的一些注意事项：- 这是一个很好的电能生产和需求之间的匹配，因为颗粒炉主要用于在的一天，也有电力需求的一部分。出于这个原因，大多数的电能被消耗在本地。-块化的发电系统：该系统可以支持不同需求的电气性能和热功耗。电转换比和热输出可通过改变在燃烧室内的负荷调节。- 燃烧引擎提供了一个沉默，清洁，可靠的系统管理和有限的成本维护。从满负荷到约10的部分负荷平均化电效率，电位生产3 TWhe制造的粒料在欧洲每年840万吨/年。由于木材生产是高至少一个量级，整个潜在的电器生产35亿千瓦时/年，这是在欧盟的电器生产核电厂的十分之一左右。颗粒锅炉M-CHP系统斯特林发动机之间的整合和生物质颗粒锅炉是基于颗粒热电联产锅炉。具体技术正在整合。他们包括斯特林发动机，MRT-1K，Allan J.Organ的前期工程 8。如图所示，整个系统的设计斯特林发动机的燃烧室内直接集成。本热交换器是紧接在燃烧器上方。斯特林发动机可以从一个短暂的时间后，使发动机保持在适当的工作条件下（高温和低温下，通过换热器的能量流）操作，并产生电和热的功率。的驱动控制电子系统激活的斯特林发动机控制发电机和它作为电动机工作。螺旋螺丝，电子控制，推进颗粒。该燃烧器的设计，以提供化学计量的一次空气，实现了火焰18 kWth的颗粒锅炉主要由（1）连接到内部使用的强制流动系统吹出的一次空气，燃烧腔（2）内部的水回路的斯特林发动机后除去热的功率和保持的范围内的排气温度为80;及（3）外部水锅炉存储的热能用于加热的室内环境和卫生热水生产。来自液压系统的锅炉水被泵斯特林发动机的冷端内，冷却并维持约45-50的温度下锅炉热器和可以追溯到在温度约75的热水锅炉将校准的颗粒和水的质量流量，作为一个功能能够保持在稳态热条件的系统的能量平衡。电力来自适应电网连接的具体情况，并通过负荷管理系统由发动机。测量系统集成的技术将提供一个集中的测量和控制系统（参见图2）。将直接连接到不同的子组件。控制器监视温度和缩小从锅炉水套，斯特林发动机内，在膨胀机的气缸，在压缩汽缸中，在输入和输出的水电路，锅炉排气的体积流虽然斯特林，颗粒锅炉内的水电路通过。此外，压力传感器，动态和绝对值，被定位在热交换器上之前压缩汽缸内的斯特林发动机，颗粒质量流量传感器位于燃烧器的输入端。在这样的方式中，能量和质量平衡将被监控。该系统已提供高温恒温控制激活控制燃烧室，燃烧器在报警的情况下停止生物质流。该系统首先通过激活水循环斯特灵和水套，其次，启动燃烧器。直到某一阈值温度控制系统将监视的瞬态。在该条件下，斯特林发动机被激活，由发电机作为电动机使用随着发动机转速的控制，驱动控制。将达到额定功率。图2米热电联产技术的测量和控制系统。结果热电联产引擎捷运-1K引擎是一个1千瓦风电（14杆往复计）斯特林发动机。预计可升级（最多5千瓦和）由（1）采用较高的压力，他作为电荷的气体，（2）增加发动机的转速，和/或（3）的尺寸的扩大。的的初始发动机，如图3中所示，是一个两缸，90发动机。还给车型的发动机额定功率在1,500 rpm输出1 kWpick的。它的特点是紧凑的设计与标称位移，VMAX - VMIN175立方厘米（VE= 72立方厘米，VC= 162厘米3;热力学体积比= 2.25）。它有一个比模量，对发动机的效率和有效性的一个指标，BN，在公式1给出，利用符号表1说明。Bn=WoPVF=0.148 (1)这是一个适度的值，超越一些既定的设计。但它应该是可能超过该值，从而提高了对目标的1千瓦评分。图3 预工程的mrt-1k引擎。图4 MRT-1K发动机下制造和实现FBK图 5 实现微热交换器的斯特林发动机模型在图3和图4中，预工程设计和先进的制造阶段发动机。不同的关键组成部分的热电联产技术已建模和优化的热传递，流体动力学，并从系统中提取的总效率。具体地讲，MRT每千片已被优化中的主要部件的斯特林发动机，其中包括：1、再生器的引擎：提高性能（在专利申请过程中的一项新技术）。2、热交换器：微热交换器的流体动力学的应用程序，并且实现了通过一个选择性激光熔化SLM的过程（参见图5为一个预先设计的热交换器）。颗粒锅炉技术的整合必须尊重一些制约因素，如：-设计能够实现一个明确的表面条件有限粉末沉积问题。-设计能够提供一个易于维护的系统。-高的外表面暴露于火焰辐射度。-有效的热传递，以高的内表面内部的加压气体的斯特林已经采取了上述限制到微流体动力学，通过交换器传送的能量密度提高，同时保持了较低的雷诺数，并随后相对于有限的压力降，以对流传热的热交换器的基础上提出的解决方案传热系数。已熵产生最小化的基础上，位于发动机的工作流体的热交换器的内部流换热器的设计。减少熵代中的一个组成部分，相当于现有工作的损失降到最低。目标是增加壁流体传热，而不会造成破坏性的要求由强制对流安排的抽运功率增加。该方法从一开始结合最基本的热力学，传热和流体力学原则。910 表1列出的符号q Heat transfer per unit length (W/m)D Inside diameter (mk_ Thermal conductivity W/(K m)T Temperature (K)r Density (kg/m3) Dynamic viscosity (Pa s)P Mean average gas pressure (Pa)VS Swept volume - expansion space (m3)F Engine cycle frequency (Hz)V Nominal Displacement (m3)Wo Power output of the engine (W)f Friction factorM Mass flow (kg/s)Nu Nusselt numberPr Prandtl numberRe Reynolds numberNS Entropy generation numberSgen Entropy generation per unit length W/(K m)B0 Fluid flow duty parameterVE Volume of expansion (m3)VC Volume of compression (m3)对于热交换器，熵产生由公式2。表1的解释中使用的符号为下面的一组方程组。Sgen = q2/T2Nu + 32m3f/22TD5 (2)努塞尔数是因取自传热领域（方程3）：Nu = 0.023ReD0.8Pr0.4. (3)摩擦系数是从流体力学（公式4）的结果：f = 0.046ReD0.2. (4)熵产生最小的最佳值相关的压降通过一个热力学系统的传热最大化，方程（5）中所报Ns = Sgen/Sgenmin=0.856（Red/Redopt）-0.8+ 0.144（Red/Redopt）4.8 （5）右手边的第一项是由传热作出的贡献，而在第二个任期内的贡献是由于流体摩擦。可以导出下面的公式（公式（6）的内部流的最佳管道尺寸。平均超过一个完整的周期的斯特林发动机的最佳直径，并且被发现在一个迭代的方式。Dopt = 4m/(2.023Bo0.358Pr0.071) (6)如图6所示，歧管的换热器的顶的视图图7 热交换器的侧视图。对于拟采用的技术，获得最佳的直径为1.03毫米的已取得的内部强制流动的模型化的解决方案是基于一种设计，它包括612平行的流体管道的内部直径为1毫米600的热的热交换器侧。通过使用相同的方法，该方法可以被扩展到外部的燃烧产物的流，以取得整体优化的热交换器。微热交换器已经实现了通过从微AISI316L不锈钢粉末SLM过程。在图6和图7中示出的原型。空间分辨率的过程中可达到的值，约为0.2毫米。颗粒锅炉将被制造的颗粒锅炉，从一个最初的原型实现的最终市场技术。图8示出了用于锅炉的第一个设计，这将产生下面的斯特林热交换器下一个专用的燃烧器（图9）。沉淀被插入由一个自动的，可控制相对于输入的热量，通过改变其速度的螺旋形螺杆。一次空气喷射燃烧器，并控制燃烧过程中，火焰的温度，电源的一部分，它能够在燃烧时释放剂，以提供正确的金额。根据工艺的散热要求，功率范围可以从18到5 kWth，这是所需的最低功率斯特林发动机产生1 KWE在输出。虽然峰值功率将用于系统的工作条件，保持稳定状态将通过的最小功率保持在发动机运转产生电能，在额定功率输出。在这样的方式中，系统将联产能在更大范围内的量小时，每年，从系统中增加的经济利益。在目前的时间，它不是一直未能开发一个完整的热值锅炉，由于在排气系统所造成的潜在危险浓度内的生物质颗粒的微粒，硫和其他污染物的潜在的腐蚀作用。图8 颗粒锅炉渲染图9 颗粒锅炉燃烧器电动发电机和负载管理系统MRT-1K的斯特林，产生电力，接口与一台发电机和一控制驱动器的是发电机的三相永久磁铁发电机，穆格Italiana的定制的，能够产生1 kWel的汇率以1500 rpm的速度（参见图10）。图 10 穆格发电机将生成的电能的控制，通过监测颗粒燃烧器所产生的热能，并转移里面的斯特林发动机。驱动控制（参见图11）将在一个最佳的速度在最大的整体效率，发动机制动产生的电功率与发动机的旋转速度的耦合。在同一时间，所产生的电力需要稳定到一个固定的电压电平转换为交流电压的第二个阶段之前。必须继续按照标准设定的能源管理机构（即，50赫兹的频率值在230 ACV的电压和直流电流分量的承认水平）。图11 穆格的驱动控制要执行上述步骤，一系列的元件已被选中，分别所提供的穆格Italiana的（请参阅图12，图13和14中的属性）和风力发电应用的逆变器的控制驱动器，适用于范围广泛的测试条件。效率与功率图12 发电机效率与功率 效率与速率图 13 发动机的效率与速率图14 主发电机的性能这两个电转换效率分别是88-90之间的机械动力，直接电压和90-95的第一阶段，在第二阶段通过逆变器，取值范围为1 kWe的。效率可以显着增加上升2-3 KWE权。几个月，这两个转换可以根据由穆格行业实现两轴控制驱动器，这个新的驱动控制集成在一个单元中的两个前面提到的系统，就能达到整体效率92 -95，集成了传感器发电机控制。结论本文所提出的技术是进入在实验室控制条件下的测试过程中，在第一级的MRT-1k的测试，并在在原型锅炉内的第二阶段测试。布鲁诺凯斯勒基金会FBK基于两个阶段的测试平台已经实现：-天然气燃烧器控制的质量平衡是从在发动机内部的输入气体的质量流量，并在水中外部冷却回路，通过质量流量控制器的气体导管，和能量平衡，通过演算的能量含量的不同阶段达到的。-在颗粒锅炉上的斯特林发动机和在水电路中燃烧器内的质量和能量平衡的不同阶段 。该技术将进行性能和整体效率，噪声水平和可靠性，长期测试，故障前平均时间指数测试。整个系统之后将包括一系列计划，包括，特伦托省，Tomorrows Mountain Cottages，特伦托自治省推出的领土程序，和FBK-MIT可持续发展家园，一个布鲁诺凯斯勒基金会和麻省理工学院之间合作的项目。最终技术的产业化和商品化的活动已开始规划。在地方一级，对于小型的生物质转换我们既可以由特伦托的地方能源机构来提供，对于大的生物质发电厂我们可以进行设备的装备。在地方一级，很多当地的活动都是以这种方式来实现整个产业链的利益相关者的参与。参考文献1. 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