清華大學電機系教授梅生偉:可用于光熱的復合式壓縮空氣儲能
發布者:lzx | 來源:北極星 | 0評論 | 694查看 | 2019-11-07 13:11:10    

“我們的碟式熱聲發電,本質上屬于光熱,把它叫第四代發電技術,我們可以看基本的原理,它的原理簡單的講是用光熱,相當于聚焦、制造一個熱端,經過熱到聲壓力波到機械能最后到電能,效率能達到32%。這是我們在青海大學裝的碟式發電系統,外表非常的美觀,效率很高,沒有任何污染,完全靜聲的系統?!鼻寤笱У緇到淌?、長江學者、杰青、IEEE電子工程師協會會士、IET英國工程技術學會會士梅生偉如是說。


以“變革·創新·突破”為主題,集中展示分布式光伏、儲能、分散式風電、新能源汽車及充電樁、工業園區綜合用能、氫能、智能電網等領域的新產品和新技術。由中國貿促會、江蘇省人民政府主辦的“第十一屆中國(無錫)國際新能源大會暨展覽會”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。


清華大學電機系教授、長江學者、杰青、IEEE電子工程師協會會士、IET英國工程技術學會會士梅生偉在會上發表了演講。


以下為演講全文:


尊敬的各位領導、各位同仁,大家上午好。我非常容幸有這個機會跟大家交流一下智慧微能源網與太陽能高效利用方面我們做的一些工作。


我本人從2014年開始在青海大學兼職新能源學院院長,所以今天這個工作實際上也是我在青海大學工作的一個總結。


主要內容分幾個部分,一個是提出技術的背景,第二是簡述一下我們對于智慧微能源網內涵的理解,第三是核心技術,要組成微能源網,核心是能源樞紐我們提出清潔能源網路由器,第四是我們做的實踐。


我們面臨的能源發展形勢還是比較嚴峻的,我們國家的能耗總量和能耗強度都應該說是世界之最,所以發展清潔能源,提升清潔能源的占比應該說是我們戰略性的選擇。


我們看一下電力系統的發展趨勢,我們從左邊可以看到,從傳統的互聯電網到十年前的智能電網到今天的智慧能源互聯網是走過三個階段。傳統的互聯電網一次能源比如說我們常規電廠水電、火電,風光走向發電這一側,還有電力電網變壓器,現在涉及了智慧微能源網,以電能為核心把多能源進行傳輸存儲。在供給側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節就是儲能和綜合能源系統,相當于我們過去傳統電網的變壓器,這么一個層次。尤其今天要涉及的是能源互聯網分布式一個形態,我們叫智慧的微能源網,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。


儲能定位應該是戰略性的,美國的前能源部長朱里文(音譯)先生說儲能技術與太陽能技術相結合其對配電和發電領域的影響可與當年互聯網造成的顛覆性沖擊相媲美,把儲能定位成非常高的戰略性位置。


微網實際上是區域電網,我們講有幾個要素,一定要有清潔能源,一定要有儲能,嚴格實現碳排甚至零排放。以自用電為主,裝機容量一般小于兩位兆瓦級,這是微網。怎么叫智能?滿足三方面的指標,安全、經濟、環保,在我們傳統的物理系統加智能智慧的智慧控制系統,我們可以建立區域化的控制中心,如果實現安全、環保、自趨優的能力我們就稱為智能的微電網。


我們把這個概念從微電網擴充到微能源網,它是能源互聯網的分布式表現形態,由微網、區域熱網、區域共能網組成,關鍵是有能量的樞紐,把冷熱電無論是電源還是供給側能夠結合起來,同樣也是一樣,如果你要在前面加上智慧兩個字,從我們系統科學控制的角度來講你必須具有安全、經濟、環保多指標自趨優能力,有這樣的系統就稱之為智慧的微能源網。


我們看五大特征,分布式是區域的綜合能源系統,多能互補,通過能量樞紐能夠耦合熱電、氣、交通等網絡,核心當然是我們的區域電網,并網、離網能夠平滑運行,滿足熱、電、氣需求,最大程度消耗可再生資源,就是安全、經濟、環保多指標趨優。


最關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做比如說電器熱到電冷熱可以看到可以直聯、轉換、存儲,功能上也有不同的技術,熱電聯產、電熱水泵,通過樞紐進行連接,這個過程是單向的耦合,冷熱電到電器熱雙向實現耦合還要做工作。我們怎么做?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電、光伏,也可以是光熱,也可以說是余熱。我的壓縮機可以制造產生壓縮空氣,我也可以存儲壓縮熱,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),用蓄熱單元可以供熱,今天講的能量樞紐實際上是用壓縮空氣這種技術完成的。


我們看看壓縮空氣的三代史,1978年德國第一代常規壓縮空氣儲能,第二代提出的壓縮空氣儲能,第三代是復合式壓縮空氣儲能,今天講的重點是第三代的復合式壓縮空氣儲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,德國的補燃式電站,有排放還要依賴天然氣。2011年當時清華大學提出非補燃壓縮空氣儲能技術,我們把高壓空氣存到儲存室,把壓縮熱存到儲熱室,電力向壓縮熱能解耦存儲。這是一個全部的物理過程沒有任何排放,工作介質就是空氣,末端可以輸出電,因為我是空氣透平,我還可以輸出冷量,我存在儲熱室高端可以發電低端還要發熱,可以取代燃氣輪機的冷熱電三聯供,我們想拿它來做能量的樞紐。這是在安徽蕪湖做的工業試驗電站,能量就以高壓氣體和熱能的形式分別存儲,發電的時候高壓加上高溫的空氣驅動空氣透平發電,完全清潔綠色的冷熱電安全系統。


我們第三代復合式壓縮空氣儲能系統就把這個概念大大擴展了。輸入側不光可以輸入風電、光伏和低谷電,還可以輸入光熱也可以進來,我可以儲氣,可以有熔融焰對應500度的高溫,水可以對應100多度的高溫,成梯度的工作可以形成梯度趨熱系統,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,實現能量梯級利用,形成新一代的能量樞紐,把這個叫做清潔能源路由器。


它的核心就是復合式的壓縮空氣儲能,所謂復合不光是光伏和風電,還有光熱等等也可以進入,主要的功能八個字,多能聯儲、多能聯供。


我們下面看一看我們在青海大學做的工作。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,太陽能利用實際上關乎我們國家能源戰略安全和可持續發展。


我們講的是集中開發,還有一種利用是分布式這個系統的利用。我們在青海大學嘗試這幾年做了一個工作,就是校園我基于太陽能搭建了微能源網系統,這個系統有十個子系統加上人工智能的調控系統,就是安全、經濟、環保多指標的自趨優,大家看到我有多功能電站,我有光熱系統,我有屋頂光伏、太陽池、熱氣流、全光譜,今天國內外四代太陽能技術、儲能技術、光熱技術等等在我這個微能源網里面全部都有體現。


從內往外看我這個網絡,電、熱、冷三個網絡,要實現冷熱電的綜合供給,綜合的生產,我靠什么把它集結起來,就靠下側的復合式壓縮空氣儲能集結起來形成一個網絡,最后達到智慧多指標自趨優的層次。


要引入在壓縮空氣儲能在輸入端引入熱源提供熱量我們就瞄準了光熱這樣一個技術途徑。實際上給儲熱系統加上光源。我們做性能比較槽式、塔式和碟式我們最后在經濟比較來看選擇了槽式作為主要來源。中間有一個吸熱管,這個原理我就不說了。把這樣一個槽式系統輸入到儲熱單元里面,提供高溫的熱量,就在青海大學的校園里面首先建設了這樣一個能量的樞紐,我們叫EnergyHub我有壓縮機我利用光伏把空氣壓倒儲氣室里面,工業四個鋼罐。我壓縮熱還有后面的儲熱器,我用的高溫導熱油有320的溫度,完成了太陽能向壓力勢能高壓氣體還有壓縮光熱能量存儲,現在是可控的原來是波動的我輸出的時候可以輸出電力和不同的熱量包括冷量,實現多能聯供、多能聯儲。


我們做的這個測試系統有三種逆變器,微逆、智能優化和組串式,我們可以維尼十種組合方式,這是組建類型齊全測試功能完備的試驗電站,服務于青海大學乃至青海的光伏電站科研包括教學的工作。


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


第三個我們開發了高原的熱氣流系統,這實際上就太陽能煙囪,我有一個煙囪,用玻璃鋼搭一個溫室,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平臺,相當于溫室效應,用溫室燥濕空氣,然后溫度升高密度降低,與外界環境形成氣壓差,通過煙囪引導空氣產生上升氣流,從而驅動渦輪發電機發電?;炷潦俏鵲牟牧?,到晚上太陽落山仍然可以發熱,這是國外做的這樣一個系統,100千瓦的。我們在青海大學搭建國內第一個能夠發電的太陽能熱氣流系統,唯一需要的資源就是土地和陽光再加上熱空氣,所以對青海這樣一個地域廣闊加上太陽能豐富的地方這是一個完全有推廣前景的一個系統。


這是第四代太陽能電池技術,我們現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電技術,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熱端,我再加一個冷端,冷熱端有溫差。再一個是BITV,我們在青海大學圖書館有五種發電單元,屋頂、門口欄桿、光頂的木墻還有相當于溫室實際上是用來發電的,也是光伏建筑一體化的創新研究平臺,我們說形成了現代建筑藝術美和技術美的統一。


我們做了基于太陽能人居環境,主要用太陽能這個能量可以發熱、供電,尤其是熱,我有蒸汽發射器可以做飯,有蒸飯柜和冷藏臺,還可以淋浴,實現熱的梯級利用,這是系統具體指標,有辦公環境、人居環境,還可以發展農業,這是不同品類熱量供給的情況。


再一個研究的是利用青海的豐富鹽湖資源,實際上是修鹽水池,兩米深,因為重力的原因會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,中間形成了一個隔絕層,上下層的對流被阻擋住了,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生將近100度的溫度,所以是一個聚熱器。青海鹽湖資源非常豐富的,修建這樣一個池子成本也很低,太陽能的輻照強度也是全國最好的。


我們看國外,看以色列的太陽池,七千平米,發電功率可以達到150千瓦,巨大的熱容量能夠每天產生將近上千噸的開水。所以它可以拿去供熱也可以做制冷。所以我們在青海大學也做了這樣的系統,我們對于長波、短波、上下分層吸收不同,用這個原理。


再一個就是我們的碟式熱聲發電,本質上屬于光熱,把它叫第四代發電技術,我們可以看基本的原理,它的原理是用光熱,相當于聚焦,制造一個熱端,這里面是一個封閉的腔體,里面裝上惰性氣體,受熱以后會膨脹,膨脹到冷端,冷了以后又會回流到熱端,冷端膨脹的時候產生一個前向的波,回去又產生反向的,就形成一個聲波,我們從太陽能、光熱到熱端,然后產生聲波前后向的聲波,中間裝一個連感,我用斯特林機就可以發電。經過熱到聲壓力波到機械能最后到電能,效率能達到32%。這是我們在青海大學裝的碟式發電系統,外表非常的美觀,效率很高,沒有任何污染,完全靜聲的系統。


那幾種主要系統裝了以后我最后通過壓縮空氣儲能樞紐集成在一塊兒再裝上監控系統就可以實現多指標,也就是安全、經濟、環保綜合優化運行??梢怨鄄獾秸隼淙鵲绱由?、存儲到供給過程,實現全過程的優化。這是我們這個系統裝設三年以來指標的統計,主要給校園用,今天高校系統,雖然我們起步比較晚,1.7萬平米,是國內高校應該講設備最全、功能最完整也是技術最先進的一個微能源網的試驗平臺。


最后簡短總結一下,智慧微能源網是一種高效的多能互補能源系統,我們講智慧還是安全、經濟、環保,今天講的復合式壓縮空氣儲能是一種非常理想的清潔能源路由器,可以構成微能源網的一個中堅。最后講太陽能的利用其實包括光伏、光熱、微電網、太陽能建筑一體化BITV等多種技術,總之是希望實現太陽能的高效利用。

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