太阳能与生物质能热化学互补高效利用系统集成与方法

【摘要】：太阳能和生物质能以巨大资源量和开发利用清洁性的特点,成为应对当前能源短缺、环境污染和温室效应等难题的有效途径之一。但太阳能和生物质能等可再生能源的能流密度低、分布不均和间歇性等固有特性也严重制约其高效和规模化推广应用,为此研发高效的可再生能源利用技术成为二十一世纪能源科学研究重要研究领域。本学位论文依托国家自然科学基金重点项目等国家重要科研项目,探索太阳能和生物质能等可再生能源的高效综合利用方法。针对太阳能驱动生物质的热化学互补利用方式,开展互补利用能量转化机理、关键过程及系统集成等基础理论和实验研究。基于能的品位概念,研究了太阳能与生物质热化学互补利用的能量品位匹配和能量转换规律。为实现太阳能与生物质两种可再生能源的优势互补和综合梯级利用,提出基于太阳能驱动生物质气化的热化学互补利用方法,完成了太阳能的能量形式由热能到燃料化学能的转化,同时也实现了生物质燃料化学能的间接释放及梯级利用。在这一过程中,生物质燃料化学能品位的降低过程能作为“驱动力”用以提升太阳能的能量品位。上述的研究成果将为探寻太阳能与生物质能高效互补利用新方法提供理论依据。依据“品位对口,梯级利用”的系统集成思路,开展了太阳能与生物质能热化学互补利用的系统集成研究。通过构建太阳能-生物质气化的化工多联产系统实现了生物质气化产物的多元化利用,揭示了气化反应温度和未反应合成气循环倍率等关键参数对多联产系统热力性能和经济性能的影响规律。提出了太阳能-生物质气化过程与燃气-蒸汽联合循环发电系统相结合的互补利用系统,构建了全工况运行分析模型,开展了互补型联合循环发电系统的动态性能研究,揭示了太阳能与生物质能的互补利用耦合特性。开展了高寒地区中低温太阳能热化学制氢及发电等关键过程实验研究。研制了20 kW中低温太阳能热化学实验平台,该实验平台主要包括抛物槽式太阳能聚光集热及燃料转换装置、内燃机发电单元、原料预处理及气体分离装置和系统管网及热工控制系统。该实验平台现已初步实现在东北地区高寒气候条件下以20 kW满负荷电功率连续运行,同时完成了实验平台的运行特性规律和系统运行性能研究,将为开拓太阳能热化学互补的多地域应用奠定基础。 【关键词】：太阳能热化学 生物质 系统集成 互补利用 互补机理
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(工程热物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK6;TK519
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-32
• 1.1 课题研究背景与意义12-14
• 1.2 太阳能光热和生物质利用技术研究进展14-21
• 1.2.1 太阳能光热利用及太阳能热发电技术现状14-16
• 1.2.2 生物质利用技术现状16-21
• 1.3 太阳能热互补及太阳能热化学利用技术研究进展21-31
• 1.3.1 太阳能热互补发电技术22-24
• 1.3.2 太阳能高温热化学分解水/CO_2、重整甲烷制氢技术24-28
• 1.3.3 碳氢固体燃料太阳能气化技术28-31
• 1.4 本文主要研究内容和拟解决的关键问题31-32
• 第二章 太阳能-生物质能热化学互补利用及能量转换机理32-48
• 2.1 概述32
• 2.2 太阳能-生物质气化热力学特性分析32-38
• 2.2.1 生物质试样基础物性测定及分析32-34
• 2.2.2 平衡态太阳能-生物质气化反应热力学性能34-38
• 2.3 热化学互补利用过程能量释放及品位提升机理38-42
• 2.4 基于太阳能-生物质气化的可再生能源互补原则及思路42-46
• 2.4.1 太阳能-生物质热化学互补利用原则42-44
• 2.4.2 构建基于太阳能-生物质气化的氢能产储输用一体化利用体系44-46
• 2.5 本章小结46-48
• 第三章 基于太阳能-生物质气化的化工多联产系统研究48-66
• 3.1 概述48-49
• 3.2 基于太阳能-生物质气化的化工多联产系统集成与方法49-51
• 3.2.1 多联产系统集成思路49
• 3.2.2 多联产系统流程描述49-51
• 3.3 太阳能-生物质气化反应动力学实验研究51-57
• 3.3.1 生物质气化反应动力学机理实验51-53
• 3.3.2 反应动力学分析方法53-56
• 3.3.3 反应动力学计算结果与分析56-57
• 3.4 太阳能-生物质气化多联产系统热力特性规律57-64
• 3.4.1 参比系统及热力学性能评价准则57-60
• 3.4.2 多联产系统热力学性能分析60-62
• 3.4.3 多联产系统关键运行参数影响分析62-64
• 3.5 太阳能-生物质气化多联产系统初步经济性能分析64-66
• 第四章 太阳能-生物质气化互补型联合循环发电系统变工况性能研究66-92
• 4.1 概述66-67
• 4.2 高温热化学和热集成互补型太阳能热发电系统性能对比研究67-80
• 4.2.1 互补型发电系统集成思路及系统描述67-69
• 4.2.2 系统设计参数及性能评价准则69-73
• 4.2.3 设计点的互补型发电系统热力学性能分析73-75
• 4.2.4 互补型发电系统全工况性能特性分析75-80
• 4.3 基于两级气化的太阳能-生物质互补型联合循环发电系统80-91
• 4.3.1 系统描述80-82
• 4.3.2 生物质基础物性及热解反应动力学分析82-85
• 4.3.3 驱动生物质两级气化的太阳热能品位提升机理85-86
• 4.3.4 互补型发电系统全工况热力学性能分析86-91
• 4.4 本章小结91-92
• 第五章 中低温太阳能热化学制氢及发电技术实验研究92-112
• 5.1 概述92
• 5.2 中低温太阳能热化学裂解甲醇实验机理92-95
• 5.2.1 中低温太阳能热化学裂解甲醇制氢实验原理92-94
• 5.2.2 中低温太阳热能品位提升机理94-95
• 5.3 研制20 kW中低温太阳能热化学实验平台95-105
• 5.3.1 实验平台系统流程95-96
• 5.3.2 抛物槽式太阳能聚光集热及燃料转换装置96-100
• 5.3.3 内燃发电机组单元100-102
• 5.3.4 原料预处理及气体冷凝分离装置102-103
• 5.3.5 系统管网及热工控制系统103-105
• 5.4 实验研究内容及结果分析105-110
• 5.4.1 中低温太阳能热化学制氢及发电性能105-106
• 5.4.2 实验平台运行特性及分析106-110
• 5.4.3 实验总结及实验平台改进方案110
• 5.5 本章小结110-112
• 第六章 结论112-114
• 6.1 主要研究成果112-113
• 6.2 主要创新点113-114
• 主要符号表114-116
• 参考文献116-128
• 攻读博士学位期间发表论文与申请专利目录128-130
• 博士学位论文科研项目背景130-131
• 攻读博士学位期间获奖情况131-132
• 致谢132-133

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