分级式太阳能-燃气轮机联合循环互补系统全工况研究

Solar-fossil fuel complementary utilization is an efficient way to solve the issue presented in the solar-only power plant and to achieve energy conservation. Aiming at solving the core scientific issues of the energy level mismatch between solar concentration and energy conversion, the system integration approach and optimization in the cascade integrated solar combined cycle system under design and off-design conditions will be investigated. Our research in the future will be mainly deployed on complementary mechanism, key processes and system integration, including: energy conversion and release mechanism in the solar-fossil fuel hybrid system; the optimization between solar concentration and heat conversion process, and the coupling relationship between the key processes and the whole system; the system integration theory and scenarios. Taking advantages of both the high-efficiency heat-to-power conversion in the combined cycle gas turbine and the low-cost solar concentration in the low/mid temperature solar collectors, the energy level upgrade of low/mid temperature solar heat and its improvement in power generation, reduction of fossil fuel consumption and corresponding pollutant emissions will be achieved simultaneously in an proposed system integration scheme with both high thermodynamic performance and environmental benignancy.

太阳能与化石能源互补利用是当前解决太阳能单一热利用中存在的转化效率低、成本高、时空分布不连续等问题并实现节能减排的重要途径。本项目围绕太阳能集热与能量传递转换之间品位匹配及系统整体耦合规律的核心科学问题，将太阳能集热装置按其集热品位的不同与动力系统梯级互补，构建分级式太阳能与燃气轮机联合循环互补发电系统。具体研究分级式太阳能与燃气轮机联合循环互补系统耦合机理、太阳能集热及热转换关键过程的优化及与系统整体的耦合关系和影响规律、分级式太阳能与燃气轮机联合循环互补系统集成理论与方案等，旨在提高系统的能量利用效率、降低过程的不可逆损失。本项目通过探讨互补系统的优化集成规律，借助燃气轮机循环的高效热转功优势以及中低温太阳能良好的集热性能和低成本优势，提升中低温太阳能能量品位及作功能力，同时减少化石燃料消耗及污染物排放，达到高效利用中低温太阳能及节能减排的双重目的，具有重要的学术意义和应用价值。

根据工程热力学与多能源互补的能量系统基本原理，探讨新颖的太阳能与化石能源互补利用模式。太阳能集热装置按其集热品位的不同与动力系统存在多方面的互补可能性。通过系统集成合理地布置不同品位的太阳能集热装置，寻求与动力单元最佳的匹配耦合关系，在系统内部实现质量流和能量流的综合梯级利用，达到获取系统最优综合性能的目标。研究内容主要包括提出创新的循环方案，探讨合理的新评价准则，各种能量综合转换利用及系统集成理论等。通过对太阳能与燃气轮机联合循环互补系统耦合机理、太阳能集热及热转换关键过程的优化及与系统整体的耦合关系和影响规律、太阳能与燃气轮机联合循环互补系统集成理论与方案的研究，在理论上得到新的研究方法与研究方向。提出了全工况下太阳能与燃气轮机联合循环互补系统集成的基本原则和方法，以及不同品位太阳能集热与动力系统各个热力过程耦合的新型利用模式，揭示出不同辐照强度、环境温度、风速等条件下太阳能集热及动力子系统全工况特性规律，建立了太阳能特征参数与燃气轮机联合循环变工况运行参数的关联关系，阐明了太阳能全工况特性与燃气轮机联合循环变工况特性的匹配规律。建立了部件、系统的全工况模型及最优求解算法，揭示出能量互补梯级利用过程不可逆损失减小的机理，实现了太阳能与化石能源的有机结合和综合利用，开拓出太阳能与燃气轮机联合循环互补的新思路，提出了具有应用前景的新型太阳能与燃气轮机联合循环互补发电系统。通过探讨互补系统的优化集成规律，借助燃气轮机循环的高效热转功优势以及中低温太阳能良好的集热性能和低成本优势，提升中低温太阳能能量品位及作功能力，同时减少化石燃料消耗及污染物排放，达到高效利用中低温太阳能及节能减排的双重目的。此外，研究成果对于多能源互补系统的工程实践有促进作用。