生物沼气与太阳能热化学互补的分布式供能系统集成

Developing renewable energy is one of most promising way to achieve energy sustainable development in China. Since the hybrid utilization of different renewable energies has potential to increase efficiency, improve energy quality, and decrease energy cost, it becomes a hot topic in renewable energy research. This project focuses on the hybrid utilization of biogas and solar energy based on the characters of energy sources. The physical models of solar concentrating and biogas reforming will be developed and the variation of energy levels of concentrated solar energy and reforming reaction will be studied. In this way, the energy level match characters of the solar biogas reforming process can be recovered and the new method hybrid solar thermal Energy and reforming reaction will be proposed. Then the analysis methodology based on the difference of energy level will be developed and the system integration principle of distributed energy system will be investigated. The novel combined cooling heating and power systems (CCHP) based on chemical hybrid of biogas and solar energy will be proposed, which can improve the system thermal efficiency by 5% compared with the divided system. The experimental device of solar driven biogas reforming will be established. The energy level match characters in solar driven reforming process will be validated, which will also validate the feasibility of the proposed CCHP systems. The research results of the project will provide a theory support to get continuous and high efficient energy production from fluctuating renewable energy. This project will provide new methods and system configurations to promote the development of renewable energy in China.

发展可再生能源是实现我国能源可持续发展的最有效途径之一，而多种可再生能源互补利用具有提高能源利用效率和供能质量，降低供能成本的潜力，成为可再生能源领域研究热点。本项目以生物沼气与太阳能的优势互补为突破口，开展沼气与太阳能集热热化学互补利用研究。建立太阳能集热和沼气重整反应物理模型，研究集热和重整反应过程品位变化规律，揭示太阳能沼气重整过程的品位匹配特性，弄清能量相互转化机理。在此基础上，建立品位差分析方法，研究沼气与太阳能热化学互补的分布式供能系统集成思路和方法，提出新型热化学互补的冷热电联供系统方案，使互补利用系统比单独系统能量利用效率高5%以上。研制沼气与太阳能热化学转换实验装置，对提出的热化学转化过程品位匹配特性和机理进行实验验证，验证热化学互补系统可行性。本研究成果为实现多变的可再生能源提供连续和高效能源产品提供了理论支撑，也为推动我国可再生能源发展提供了新方法和系统方案。

发展可再生能源是实现我国能源可持续发展的最有效途径之一，而多种可再生能源互补利用具有提高能源利用效率和供能质量，降低供能成本的潜力，成为可再生能源领域研究热点。本项目以生物沼气与太阳能的优势互补为突破口，开展了沼气与太阳能集热热化学互补利用机理和分布式系统集成研究。建立了太阳能集热和沼气重整反应物理模型，研究了集热和重整反应过程品位变化规律，揭示了太阳能沼气重整过程的品位匹配特性，弄清了能量相互转化机理。在关键过程实验研究方面，设计并搭建了沼气成分转换实验装置，最高耐温1000℃，最高耐压0.5MPa。以60%的甲烷和40%的二氧化碳的混合气体作为实验气体，开展了沼气重整的反应实验，研究了水碳比和反应温度对甲烷和二氧化碳转化率的影响规律，通过实验验证了热化学互补利用对系统发电、制冷、供热收益，理论与实验研究结果较为吻合。在分布式供能系统集成研究层面，集成了两个沼气与太阳能互补利用的分布式冷热电联供系统。第一个系统以燃气内燃机为发电机组，发电余热用于制冷和供热，研究表明沼气和太阳能通过热化学互补利用，大幅提高了能源利用效率，与单独利用系统相比，节能率达到3-5%。第二个系统将沼气生产过程集成到了分布式供能系统中，发现通过热化学互补利用，系统消耗的外部供给的天然气量降低了8%-10%；针对夏季存在较多的低温余热无法高效利用难题，提出了低温余热驱动的双级除湿系统，利用低温余热满足夏季用户的除湿需求，研究发现，通过两级除湿方法，解决了传统除湿过程驱动力不匹配的问题，低温余热的利用效率大幅提高。本研究成果为实现多变的可再生能源提供连续和高效能源产品提供了理论支撑，也为推动我国可再生能源发展提供了新方 法和系统方案。