多能源互补的分布式冷热电联供系统基础研究

项目名称：多能源互补的分布式冷热电联供系统基础研究首席科学家：起止年限：依托部门：一、研究内容面向工业、建筑等高能耗行业节能减排的重大需求，针对现有分布式供能系统所面临的燃烧过程不可逆损失巨大，微小型动力循环叶尖泄漏损失大，缺少动力变温余热的利用技术，以及系统变工况下供能装臵大幅度偏离额定工况引起的系统效率低等技术难题，本项目的两个关键科学问题是：（1）燃料化学能与热能综合梯级利用原理基于能的品位高低，逐级、有序地转化和释放燃料化学能，进行燃烧以及热能梯级利用；对各个能量转化和利用过程进行品位关联；耦合燃烧前热化学反应与燃烧后热力循环，能量品位“无缝”接续地转化，综合梯级利用的原理。

具体阐明高品位燃料化学能释放的品位有序化机理，高、中品位热能的热动与热声转换机理，低品位热驱动制冷循环机理；阐明燃料化学能释放，冷热电联供系统的热力过程以及循环之间的品位关联规律与能量耦合机制。

（2）多能源互补机理与全工况性能调控机制可再生能源、环境能源与化石能源有机结合，减少单一高品位化石能源转化不可逆损失的多能源品位互补机理；多能源输入、冷热电输出的系统动态关联规律，系统全工况性能的主动调控机制。

主要在于阐明可再生能源、环境能源与燃料化学能释放、热能转换的品位互补机理，多能源输入与系统冷热电动态输出特性的关联机理；阐明蓄能与燃料热功转换的相互作用规律，系统全工况性能的“品位互补，全时调控”机制。

围绕上述科学问题，计划以下研究内容：围绕第一个关键科学问题“燃料化学能与热能综合梯级利用原理”，本项目从高品位的燃料化学能释放，以及热转功过程的梯级利用，到中低温动力余热的热声发电、吸收式制冷的梯级利用开展研究。

主要内容有：1）燃料化学能释放机理：燃烧前热化学反应与燃烧后热力循环的品位关联规律；燃料化学能释放的品位有序化机理；燃料化学能作功能力逐级、定向转化方法。

2）微小型动力的热功转换机理与方法：微小型燃气轮机流动规律与热力循环；对转冲压发动机原理与动力机械新方法；大振幅行波热声转换物理机制与损失机理；中温变温热源驱动的热声发动机热功转换方法。

3）动力余热驱动的正逆循环耦合机理：动力余热驱动正逆循环的功冷并供转换规律；吸收式分级制冷循环耦合和冷量品位提升机理。

4）燃料化学能与热能的综合梯级利用的机理与方法：燃料化学能释放、热动与热声转换、余热驱动制冷（热泵）循环耦合的品位关联规律；燃料化学能与热能的梯级利用方法。

围绕第二个关键科学问题“多能源互补机理与全工况性能调控机制”，主要内容有：5）多能源品位互补机理：可再生能源、环境能源与燃料化学能释放、热能转换的品位互补机制；多热源互补的吸收式热泵循环新方法。

6）多能源互补的冷热电联供的动态规律：太阳能动态变化与燃料化学能释放的作用机制；多能源互补与热驱动吸收式循环动态特性；多能源输入、冷热电输出的系统动态关联规律。

7）系统全工况性能的主动调控机制：蓄能介质、蓄能/释能机理与方法；分布式供能系统变工况特性、冷热电联供目标下的主动蓄能与燃料热功转换的作用规律；系统全工况性能的主动调控方法。

二、预期目标总体目标应对我国节能减排重大需求，为开拓新一代分布式供能技术的新理论与新方法，本项目的总体目标为：构建能的品位与循环耦合理论框架，丰富和发展老一辈科学家吴仲华先生总能系统理论，保持我国在这一领域处于国际先进水平；建立微小型燃气轮机、热声热机、余热制冷与热泵、蓄能等关键过程的理论设计方法；凝聚和培养高水平科研队伍，建立创新研究基地，提高国家分布式供能技术持久发展的自主研发能力。

五年预期目标理论创新方面，建立燃料化学能有序释放的基本原理，揭示燃料化学能释放与燃烧后热力过程及循环的能量耦合规律，提出化石能源与可再生能源互补的全工况系统性能调控方法，构建能的品位与循环耦合理论框架，突破传统热力循环仅考虑热能利用的局限性，在燃料化学能、热能综合梯级利用的系统节能理论方面取得重要进展，形成国际一流的理论研究成果。

技术突破方面，提出燃料与中低温太阳能的品位互补方法，实现系统源头节能；研究新型对转冲压发动机原理，促进微小型动力技术革新；提出变温动力余热驱动热声发电新方法；建立多热源互补的吸收式正逆耦合循环与热泵循环新方法；提出功能热流体等蓄能新介质及其蓄能/释能新工艺；建立分布式供能的自主创新技术支撑。

示范验证方面，基于本项目建立的能的综合梯级利用理论，面向工业和建筑节能，提出多能源互补与全工况集成的新一代分布式供能系统，通过太阳能与天然气互补的冷热电联供系统示范验证。

此外，在项目的执行期间，发表200篇以上学术论文，其中国际期刊100篇以上，申请20项以上国家发明专利，出版3部以上学术著作，培养若干名相关领域的学术带头人、研究生150名，建立多能源互补的分布式供能系统研究基地，举办国际会议。

项目主要成果申报国家级科技奖励。

三、研究方案总体学术思路围绕科学问题和项目目标，从项目层面和课题层面基于学科交叉和领域渗透，本项目以能的梯级利用理论为主线，从能的梯级利用和系统全工况两个方面开展研究。

长期以来，燃料化学能的传统利用方式是在燃烧后构建热力循环，主要基于卡诺定理，试图不断提高循环初参数，提高循环效率。

但事实上，燃烧前的化学能释放存在巨大的作功能力损失，是开拓新一代供能系统的最大潜力所在。

然而，卡诺定理只适用于燃烧后的热能利用范畴，对于化学能的转化与释放则不再适用。

本项目突破卡诺定理的局限性，发掘燃料化学能作功潜力，从本质上认识燃料化学能转化与释放规律，借助燃料转化反应的Gibbs自由能变化，关联燃料化学能与燃烧热能的品位，探索燃烧前后能的品位相互之间的基本作用规律，揭示燃料化学能作功能力逐级、定向转化机制，开拓燃料化学能“有序转化，梯级释放”的根本途径；进一步，以品位“无缝”接续转化的思路，构建燃烧前热化学反应与燃烧后热力循环之间，以及热力过程之间的能量耦合关系；实现燃料化学能与热能综合梯级利用。

传统供能系统一般只考虑单一化石燃料的冷热电转换。

即使采用可再生能源，也仅仅将其作为系统用能的数量补充。

太阳能热利用是可再生能源应用于分布式供能的重要形式。

传统的单一太阳能集热温度越高，集热效率越低，与追求升高初温，提高效率的热力循环相矛盾，导致太阳能热发电效率难以提高。

本项目突破单一太阳热能热功转换局限于卡诺循环的传统思路，探索中低温太阳能与化石燃料品位互补的能量释放新方法，研究燃料转化反应、热功和热冷转换等热力循环、热力过程与可再生能源之间的品位互补的理论与方法。

以中低温太阳热能驱动燃料转化的吸热反应，产生高品位的太阳能燃料，可以显著提升中低温太阳热能的品位，大幅度提高太阳能与化石能源的互补利用水平。

只考虑用户需求，供能系统完全跟随用户需求变化，或者通过负荷“消峰填谷”蓄能的被动调控传统思路，忽视了供能侧调节系统全工况性能的主体作用，无法有效解决系统变工况效率下降的问题。

本项目结合多能源输入的动态特性和用户冷热电逐时负荷的动态特性，发掘供能侧对变工况的调节潜力，采用可再生能源与化石能源热化学互补的“源头蓄能”，以及功能热流体、溶液蓄能、化学蓄能等多元蓄能的新方法，协调主动蓄能与燃料热功转换的作用，以及能源、供能系统和用户之间的动态匹配，开拓多能源互补、主动调控的新途径，以提高供能系统全工况效率。

总体技术途径以能的综合梯级利用理论为项目研究的主线，指导整个项目研究。

结合研究领域的相关性和交叉性，按照能源梯级利用的层次性，即高品位燃料和热力循环、中低温余热转换利用，及其整体系统集成，将项目分为：1）燃料转换与微小型燃气轮机，2）先进动力余热利用与蓄能，以及3）多能源互补的分布式供能系统创新三个研究方向。

本项目力图寻求研究方法的创新。

例如：将旋转作功和气体动能作功相结合，形成与只考虑旋转作功的传统微小型动力机械完全不同的新概念，研究对转冲压发动机；探索中温动力余热驱动，无机械运动部件的热声发电新途径；不同于传统固定、间歇的蓄能/释能，研究功能热流体的流动、连续蓄能/释能新方法；改变传统仅考虑用户需求的被动调控，研究冷热电联供目标下的主动蓄能构成机制与全工况性能强化机理。

考虑认知规律的深入发展，以及过程研究与整体系统研究的层次提高，由分布式供能系统理论方面的理论突破与发展、分布式供能技术的关键过程机理验证、以及分布式供能系统集成创新，构成逐步推进的三个研究层面。

最终形成两个项目出口——建立多能源互补的能的综合梯级利用理论、提供关键过程的自主创新技术支撑。

围绕两个科学问题及其研究内容，本项目的具体技术路线如下：（1）燃料化学能与热能综合梯级利用原理燃料化学能释放与能的综合梯级利用：从理论层面建立燃料化学能与热能的综合梯级利用原理；在方法上研究能的品位互补分析法，为能的综合梯级利用的分布式冷热电联供系统基层提供方法论。

为了验证原理的适用性，拟研制10kW 槽式太阳能驱动化石燃料（替代液体燃料甲醇/二甲醚）裂解或重整燃料转化实验台，集热温度区间200～300℃，采用研制的新型一体化吸收/反应器，燃料转化率与太阳能热化学效率设计分别达到80％和50％。

获得太阳能聚光比、辐照强度、反应动力学的实验特征方程，分析太阳能集热温度、集热效率、反应进度、化石燃料转化程度等关键因素对太阳能品位提升的影响规律，对比太阳能采集与热化学反应之间不同耦合方式的品位提升特点，验证并阐明燃料化学能有序释放的机理。

实现燃烧过程不可逆损失减少20％～30％，燃料节省10％～15％，实现燃料源头节能。

微小型燃气轮机内的流动机理：本课题拟应用计算流体力学与计算传热学理论方法，研究叶顶间隙流场的复杂涡系与波系结构，揭示叶顶间隙的泄漏机理，提出新的抑制叶顶间隙泄漏的密封方法；同时研究可调导叶的尾涡结构与叶轮内的分离涡结构之间的相互干涉机制，通过改变导叶形状、数目和角度，实现对流场的有效调控。

高马赫数叶轮机械流动图谱的获取。

由于受到测量手段的限制，动叶内部流场细节主要依靠数值模拟的方法获得。

目前旋转叶轮机械内部流动的速度一般处于跨音范围，进行数值模拟所需要的若干经验性修正系数是否适用于马赫数2.0的流动条件，还需要进行细致的对比考察。

在这方面，拟通过对大量试验结果的分析，对这些经验性参数进行适当的修正。

通过分析对转冲压发动机的复杂激波波系流场，寻找高马赫数下对转冲压叶轮的流动组织模式，提出对转冲压压气机和对转涡轮的设计方法。

中温变温热源驱动的热声动力转换机理：传统分布式冷热电联供技术存在不能有效利用300-500℃温区动力余热的缺陷，本课题采用热声发电方式来高效地利用这一温区的动力余热，可以使分布式供能系统的效率得到进一步提高。

对于适合分布式供能功率范围的大振幅回热器、热声换热器的非线性传热和能量输运规律，本课题拟首先从声学的途径反演线性区域的工作规律，然后采用大功率的压力波发生器驱动进行非线性区试验，结合计算流体动力学的途径揭示其非线性工作特性。