0834微型太陽(yáng)能燃?xì)廨啓C(jī)-說(shuō)明書

1、微型能燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)說(shuō)明書設(shè)計(jì)者：謝，陳民權(quán)，指導(dǎo)教師：作品內(nèi)容簡(jiǎn)介能燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)由 capstone C30LP 微型燃?xì)廨啓C(jī)加裝設(shè)計(jì)的微型碟式能集熱器，回?zé)崞?，蜂窩陶瓷蓄熱體以及發(fā)電機(jī)等。在制作模型時(shí)，使用價(jià)格相對(duì)低廉的原理相通，只是為了證明可行性。GT15 汽車渦輪增壓器進(jìn)行改裝，微型能燃?xì)廨啓C(jī)是將微型燃?xì)廨啓C(jī)和能熱利用結(jié)合的新嘗試，符合當(dāng)下清潔能源，分布式發(fā)電的時(shí)代要求，具有體積小、重量輕、污染少，效率高的優(yōu)點(diǎn)，并且相較于目前流行的能光伏發(fā)電，更有成本低，易儲(chǔ)能，能量梯級(jí)利用，輸出穩(wěn)定，環(huán)保等突出優(yōu)勢(shì)，是能利用的一次有益嘗試。謝、1 研制背景及意義眾所周知，化石能源正在快速枯竭，人類正在

2、尋找新的能源來(lái)度過(guò)，各種大型水電廠，核電廠都是不錯(cuò)的嘗試，盡管起到了一定成效，但仍無(wú)法完全取代化石能源，在發(fā)電量上也無(wú)法與傳統(tǒng)的火電相提并論。但人多力量大，積少可以，分布式的能源供應(yīng)變成了一條新的出路，分布式能源不僅能夠解決大電網(wǎng)未能覆蓋的邊緣地區(qū)的供電問(wèn)題，而且隨著互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，智慧能源等概念被提出，分布式能源的價(jià)值在不遠(yuǎn)的將來(lái)能夠得到充分的體現(xiàn)。能由于分布范圍廣，而且無(wú)污染，符合分布式能源的要求。光熱發(fā)電技術(shù)目前多用于大型發(fā)電設(shè)備中，很少在分布式發(fā)電中嶄露頭角。隨著微型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的逐漸進(jìn)步，如果把 能與微型燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)合起來(lái)，就很有可能成為一種更加高效清潔的發(fā)電。作為一種新型能發(fā)電裝

3、置，微型能燃?xì)廨啓C(jī)相對(duì)于普通光伏發(fā)電有許多優(yōu)勢(shì)，具體來(lái)說(shuō)，其具有穩(wěn)定性、環(huán)保性、多效性，經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢(shì)。穩(wěn)定性：光伏發(fā)電通過(guò)硅利用光照產(chǎn)生直流電，而光熱發(fā)電可以直接產(chǎn)生工頻的三相交流電，更適合與現(xiàn)有電網(wǎng)并網(wǎng)。光伏發(fā)電受日光照射強(qiáng)度影響較大，上網(wǎng)后給電網(wǎng)帶來(lái)較大壓力，其發(fā)電形式獨(dú)特，和傳統(tǒng)電廠合并難度大。而設(shè)計(jì)的微型能燃?xì)廨啓C(jī)還可通過(guò)增加儲(chǔ)熱單元改善出力特性。白天將多余熱量，晚間再用的熱量發(fā)電，這樣可以實(shí)現(xiàn)光熱發(fā)電連續(xù)供電，保證電流穩(wěn)定；環(huán)保性：光伏發(fā)電技術(shù)需要使用能電池，其在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)環(huán)境的損耗較大，是高能耗、高污染的生產(chǎn)過(guò)程。光熱發(fā)電是清潔生產(chǎn)過(guò)程，基本采用物理進(jìn)行光電能量轉(zhuǎn)換，對(duì)環(huán)境危害極

4、小。在蓄能裝置上，光伏發(fā)電采用蓄電池，其使用年限短，更換電池會(huì)造成大量污染；而燃?xì)廨啓C(jī)采用蜂窩陶瓷蓄熱體，對(duì)環(huán)境污染較小。設(shè)計(jì)的微型能多效性：光熱發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生高溫氣體，不僅能用來(lái)發(fā)電，還具有其他功能。高溫氣體能進(jìn)入供熱管道，為城市供熱，承擔(dān)與熱電廠同樣的作用，節(jié)省煤能源的消耗。經(jīng)濟(jì)性：目前的光伏發(fā)電效率一般只能達(dá)到 10%-15%，而設(shè)計(jì)的微型能燃?xì)廨啓C(jī)則可以達(dá)到 20%，這樣，不僅成本低于光伏，連能源利用效率也高于光伏，更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠高效。根據(jù)國(guó)際綠色和平組織、歐洲熱電和國(guó)際能源署下屬的Program)在2009 年世界能熱能集動(dòng)力和化學(xué)能系統(tǒng)計(jì)劃(SolarPA熱發(fā)電概況中的：到 2030

5、 年能熱發(fā)電可滿足全球 7%的能源需求，則更為樂(lè)觀：在未來(lái) 5 年內(nèi)，每隔 16 個(gè)2050 年可滿足 25%的需求。的月全球的集熱型能發(fā)電能力將提高一倍。1因此光熱發(fā)電技術(shù)具有龐大市場(chǎng)效益，研究實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的節(jié)能減排具有如此看來(lái)，積極開(kāi)發(fā)可用于分布式發(fā)電的微型意義。能燃?xì)廨啓C(jī)是符合當(dāng)下發(fā)展潮流的，并很有可能成為未來(lái)能源利用的重要方向。設(shè)計(jì)方案電器控制的微型能燃?xì)廨啓C(jī)模型只有在壓縮機(jī)和渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)才能吸氣、做功并發(fā)電，而在此之前，需要先利用外界的能量使之運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)。因此，在啟動(dòng)時(shí)，先讓發(fā)電機(jī)外接蓄電池，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)也可以作為電使用，所以外接電源即可讓發(fā)電機(jī)先轉(zhuǎn)動(dòng)，而壓縮機(jī)和渦輪與發(fā)電機(jī)同軸，所以也

6、會(huì)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，等轉(zhuǎn)速達(dá)到發(fā)電要求，再自行運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)再斷開(kāi)蓄電池，讓發(fā)電機(jī)發(fā)電。2.2 機(jī)械部分作為主體部分的渦輪增壓器原理如下。模型圖實(shí)物圖一實(shí)物圖二壓氣機(jī)特性曲線渦輪特性曲線將壓縮機(jī)排氣口連接回?zé)嵫b置和能集熱裝置，經(jīng)過(guò)換熱后連接渦輪進(jìn)口。當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)氣體壓縮進(jìn)入，在回?zé)嵫b置和能集熱裝置加熱后，在渦輪殼體中膨脹，帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，再帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。廢氣自行排出儲(chǔ)熱裝置使用蜂窩陶瓷蓄熱體2實(shí)物圖將蜂窩陶瓷蓄熱體接在能集熱器后，并用閥門控制，當(dāng)能充足時(shí)，閉合閥門 adb，斷開(kāi)閥門 c，使之儲(chǔ)熱，儲(chǔ)熱完畢后即斷開(kāi)閥門 bcd，閉合閥門a。當(dāng)能不充足時(shí)，斷開(kāi)閥門 ad，閉合閥門 bc，則蓄熱體放熱，作為

7、新的熱源，有利于連續(xù)供電，電流穩(wěn)定3 理論設(shè)計(jì)計(jì)算a)微型能燃?xì)廨啓C(jī)熱力循環(huán)與流程本熱力方案的微型燃?xì)廨啓C(jī)采用回?zé)嵫h(huán)。燃?xì)廨啓C(jī)熱力循環(huán)的 T-s 圖和相應(yīng)的系統(tǒng)流程圖如下。為完成熱功轉(zhuǎn)換過(guò)程，空氣首先在壓氣機(jī)中被壓縮(1-2)，然后在回?zé)崞髦猩郎?2-5)，再進(jìn)入能集熱器。在能集熱器中，空氣升溫(5-3)。高溫、高壓的燃?xì)庠谕钙街信蛎涀龉?3-4),再經(jīng)過(guò)回?zé)崞鲹Q熱降溫(4-6)后，排向大氣。b)微型能燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)（參考工熱第三版第十二章內(nèi)容）計(jì)算過(guò)程：取空氣初溫 T1 =25，初壓 P1=0.1MPa2經(jīng)計(jì)算，當(dāng)增壓比約為 4 時(shí)，效率較高，所以僅取 =1=4 來(lái)說(shuō)明效率能集熱器溫度

8、取 T3 =850，取壓氣機(jī)絕熱效率, =0.9渦輪相對(duì)內(nèi)效率 =0.9 ，同時(shí)取壓氣機(jī)和渦輪的機(jī)械效率 =0.9由微燃機(jī)性質(zhì)取回?zé)崞鞒隹谂艢鉁囟?T6=275，為簡(jiǎn)便計(jì)算，取Cp=1.004kJ/(kgK),如圖=1.421 =（ 1)/=（273.15+25）4（1.4 1）/1.4=443.05KT2t c,s =（T2t-T1）/(T2-T1) T2 =443.05-(273.15+25)/0.9+(273.15+25)=459.15K34=（ 1)/T4t =（273.15+850）/4（1.4 1）/1.4 =755.82K同理3 43 4 =T4=（273.15+850）-（27

9、3.15.82）0.9=792.55循環(huán)凈功量W=Cp（T3 T4）-=1.004(273.15=119.13 kJ/kg吸熱量Cp（T2 T1）/.55)0.9-1.004(459.15-273.15-25)/0.91=總-回= Cp（T3T2）- Cp（T4 T6）.15）-1.004（792.55-275-273.15）= 1.004（273.15=421.28 kJ/kg119.1=421.28=28.28%能集熱效率根據(jù)下表可知，為聚光效率和=1 熱循環(huán)效率發(fā)電機(jī)效率取 90%，傳熱效率兩部分之積，且都是 90%左右，所以 80%計(jì)算。能集熱效率約為 80%，這里暫取3則 凈=28.

10、28%90%80%=20.36%。參考目前常見(jiàn)的光伏商業(yè)發(fā)電效率 4可知，微型的優(yōu)勢(shì)。能燃?xì)廨啓C(jī)具有效率上又根據(jù)國(guó)外已有的微型燃?xì)廨啓C(jī)特性，微燃機(jī)制造商Capstone 公司的光伏電池單晶硅多晶硅非晶硅碲化鎘銅銦硒發(fā)電效率14%-17%13%-15%6%-8%9%-11%9%-11%產(chǎn)品 C30LP 可知，工況量約為 0.31kg/s，又由上文可知排氣溫度可達(dá)到275，如果利用排氣加熱水，假定水溫為 20，水的比熱容近似為4.2kj/kg*，則根據(jù)能量守恒定律空氣空氣空氣 = 水水水，則 m 水=583.575kg/h即在工況下，可以加熱 0.5t/h 以上。4 性能分析微型能燃?xì)廨啓C(jī)不僅在發(fā)

11、電效率上優(yōu)于光伏發(fā)電，而且由于增加儲(chǔ)能使得發(fā)電能夠保持穩(wěn)定性，提高發(fā)電品質(zhì)，冷熱電聯(lián)用，甚至在某些島嶼等淡水缺乏區(qū)域采用海水淡化技術(shù)使得系統(tǒng)整體效率大大提高。如前所說(shuō)，微型太陽(yáng)能燃?xì)廨啓C(jī)有穩(wěn)定性、環(huán)保性、多效性，經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢(shì)，如果能夠投入大批量生產(chǎn)，則會(huì)是具有極高的性能的性價(jià)比的產(chǎn)品5 經(jīng)濟(jì)性分析以浙江某小型六層居民樓為例，根據(jù)浙江統(tǒng)計(jì)信息網(wǎng)的信息，可知，浙江省人均用電量為 421.200.5508=764.7kwh/年，若此居民樓內(nèi)有八十名住戶準(zhǔn)備投資光能發(fā)電，并在樓頂放置設(shè)備，則此八十名住戶年均用電總量約為 60000kwh/年。如果所需用電都來(lái)自于電廠，根據(jù)浙江省電價(jià)表容易計(jì)算，共需支付

12、 600000.538=32280 元/年。接下來(lái)，我分別以光伏和光熱為例，計(jì)算如果 60000kwh 的電都由光能轉(zhuǎn)化，則成本分別為多少。（為簡(jiǎn)便期間，不考慮成本及政策支持光伏發(fā)電在市場(chǎng)上已經(jīng)比較成熟，并且有許多賣家了，在此，我以某淘寶賣家為例，來(lái)計(jì)算其成本和收益。由賣家提供數(shù)據(jù)可知，粗略計(jì)算，年發(fā)電量 72.9365=26608.5kwh，而成本是 171380 元。也就是說(shuō)，如果對(duì)應(yīng)發(fā)電量為 60000kwh，則成本約為 1713806000026608.5=386447.94 元。同時(shí)考慮到需要蓄電池，以優(yōu)力2V3000Ah 膠體免蓄電池為例，如果儲(chǔ)蓄一天的發(fā)電量，則需蓄電72.960

13、00026608.56=27.2，安全起見(jiàn)，取 28 塊。每塊價(jià)格 4800 元，則蓄電池總價(jià)大約 134400 元，加上剛才的估算，則發(fā)電系統(tǒng)總價(jià)為 520847.94 元約為 52 萬(wàn)元。想要收回成本需要 520847.9432280=16.1316 年（若考慮政策補(bǔ)貼，還會(huì)早一到兩年回收成本）。但如果使用光熱，使用 Capstone Turbine C30LP進(jìn)行改裝，考慮成本包括序號(hào)名稱規(guī)格單價(jià)數(shù)量?jī)r(jià)格備注1Capstone微燃機(jī)C30LP臺(tái)1670001167000網(wǎng)上詢價(jià)2碟式聚光器平方米1000188188000結(jié)合塔式槽式價(jià)格估計(jì)3支架線纜套20520241040參考光伏4其他

14、1000010000蜂窩陶瓷蓄熱體配電室，組裝費(fèi)等總計(jì)406040知杭州的年總輻射量為 4267.74MJ/*年，所以粗略估算此系統(tǒng)年發(fā)電量為 4267.74188100017.82%3600=39715.29kwh/年。雖然 39715.59kwh/年的發(fā)電量并未達(dá)到 60000kwh/年的用電需求，但應(yīng)該考慮到，光熱發(fā)電的排氣可以用來(lái)加熱水，可以減少在電熱水器的用電，即用戶的實(shí)際需電量是要減少的。由上文計(jì)算可知，工況下，排氣每小時(shí)可以加熱 0.5t 水以上如果假設(shè)蓄熱裝置性能良好，讓微燃機(jī)只要運(yùn)行則總能在工況下運(yùn)行，而 C30LP 微燃機(jī)的工況功率為 28kw，即 28kwh/h。那么每天

15、在工況下工作的時(shí)間為 39715.293650.928=4.32h（每天發(fā)電量發(fā)電機(jī)效率功率=每天工況工作時(shí)間），即全年在加熱水方面相當(dāng)于節(jié)省了 0.510004.323654.2（100-20）3600=73547.39kwh/年（每小時(shí)工況工作加熱水量工況工作時(shí)間比熱溫差3600=年節(jié)省電量）排氣以上的電，這樣的電量是十分驚人的實(shí)際上，考慮到兩到四個(gè)人為一個(gè)家庭，并且使用電熱水器的，頻率也不盡相同，這增加了電熱水器耗電計(jì)算的不確定性。為增加計(jì)算的說(shuō)服力，這里以最保守的方式計(jì)算。四個(gè)人為一個(gè)家庭，使用 40L 的電熱水器，每人兩天洗一次澡，并且是即開(kāi)即用，則大約每人每天使用 0.7kwh 的

16、電量在加熱水上5，所以八十個(gè)人每年僅僅使用 0.780365=20440kwh/年的電在加熱水上，遠(yuǎn)小于上述計(jì)算的 73547.39kwh/年。這樣看來(lái)，用排氣加熱水可以完全取代八十個(gè)人在加熱水方面的用電。所以，實(shí)際上，微型能燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電只需提供 60000-20440=39560kwh/年（總需電量-熱水器耗電量=需發(fā)電量）的電量即可。而上文已經(jīng)計(jì)算得到，此系統(tǒng)可以達(dá)到年發(fā)電量 39715.29kwh/年，大于所需的 39560kwh/年，因此是可以滿足用戶需要的。由此可以得出結(jié)論，滿足同樣的用電需要，光熱成本僅為406040元，對(duì)比光伏發(fā)電的 520847.94 元，足足節(jié)省了 11480

17、7.94 元，比光伏相當(dāng)于節(jié)省了 22.04%。除了在成本上的優(yōu)勢(shì)外，光熱本身還有環(huán)保，穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。并且可以注意到，大部分高溫排氣尚未得到利用，這部分排氣完全可以提供給其他人家，加熱水。在冬天，還可以供暖，相當(dāng)于節(jié)省了空調(diào)的用電量，這都是優(yōu)勢(shì)所在此外，在成本計(jì)算上，光熱都是以零售的方式進(jìn)行的，而非像光伏已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)，如果光熱能形成國(guó)內(nèi)，成本必將大幅下降6 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用創(chuàng)新點(diǎn)在于將微型燃?xì)廨啓C(jī)和能集熱裝置結(jié)合，使之成為一種更加清潔高效的微型發(fā)電裝置，可以在許多普通住戶樓頂，工廠廠房上使用，并將發(fā)出來(lái)的電能并入電網(wǎng)，不僅為國(guó)家電力做貢獻(xiàn)，也能使經(jīng)濟(jì)上得到利益，除此以外，排氣也具有幾百攝氏度的高溫，

18、可以和住宅內(nèi)的電熱水器相連，充分利用能源微型能燃?xì)廨啓C(jī)所提供的分布式光熱發(fā)電技術(shù)景上也是一片光明。其一，大規(guī)模發(fā)展光熱發(fā)電有助于推動(dòng)可再生能源的整體發(fā)展和電力結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型。家家戶戶都可以利用微型能燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，避免了普通新能源發(fā)電技術(shù)中并網(wǎng)，組成清潔發(fā)電系統(tǒng)，提高可再生能源在電源結(jié)構(gòu)中的比例。其二，發(fā)展微型光熱發(fā)電對(duì)經(jīng)濟(jì)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的拉動(dòng)作用非常顯著。光熱發(fā)電絕大部分為制造業(yè)，光熱發(fā)電系統(tǒng)集成運(yùn)行控制成為新興產(chǎn)業(yè)，因此光熱發(fā)電不僅是提供一種清潔能源供電方案，更重要的是可以拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)和多項(xiàng)傳統(tǒng)的新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。其三，微型光熱發(fā)電市場(chǎng)面廣，發(fā)展?jié)摿薮?。我?guó)能資源豐富，尤其是西部和北部地區(qū)，土地和資源可以滿足光熱發(fā)電大規(guī)模發(fā)展需求。其四，發(fā)動(dòng)民眾利用能發(fā)電也可以