中科院金紅光

項目名稱：多能源互補(bǔ)的分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)基礎(chǔ)研究首席科學(xué)家：金紅光中國科學(xué)院工程熱物理研究所起止年限：2010年1月-2014年8月依托部門：中國科學(xué)院一、研究內(nèi)容面向工業(yè)、建筑等高能耗行業(yè)節(jié)能減排的重大需求，針對現(xiàn)有分布式供能系統(tǒng)所面臨的燃燒過程不可逆損失巨大，微小型動力循環(huán)葉尖泄漏損失大，缺少動力變溫余熱的利用技術(shù)，以及系統(tǒng)變工況下供能裝置大幅度偏離額定工況弓I起的系統(tǒng)效率低等技術(shù)難題，本項目的兩個關(guān)鍵科學(xué)問題是：(1)燃料化學(xué)能與熱能綜合梯級利用原理基于能的品位高低，逐級、有序地轉(zhuǎn)化和釋放燃料化學(xué)能，進(jìn)行燃燒以及熱能梯級利用；對各個能量轉(zhuǎn)化和利用過程進(jìn)行品位關(guān)聯(lián)；耦合燃燒前熱化學(xué)反應(yīng)與燃燒后熱力循環(huán)，能量品位〃無縫”接續(xù)地轉(zhuǎn)化，綜合梯級利用的原理。具體闡明高品位燃料化學(xué)能釋放的品位有序化機(jī)理，高、中品位熱能的熱動與熱聲轉(zhuǎn)換機(jī)理，低品位熱驅(qū)動制冷循環(huán)機(jī)理；闡明燃料化學(xué)能釋放，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的熱力過程以及循環(huán)之間的品位關(guān)聯(lián)規(guī)律與能量耦合機(jī)制。(2)多能源互補(bǔ)機(jī)理與全工況性能調(diào)控機(jī)制可再生能源、環(huán)境能源與化石能源有機(jī)結(jié)合，減少單一高品位化石能源轉(zhuǎn)化不可逆損失的多能源品位互補(bǔ)機(jī)理；多能源輸入、冷熱電輸出的系統(tǒng)動態(tài)關(guān)聯(lián)規(guī)律，系統(tǒng)全工況性能的主動調(diào)控機(jī)制。主要在于闡明可再生能源、環(huán)境能源與燃料化學(xué)能釋放、熱能轉(zhuǎn)換的品位互補(bǔ)機(jī)理，多能源輸入與系統(tǒng)冷熱電動態(tài)輸出特性的關(guān)聯(lián)機(jī)理；闡明蓄能與燃料熱功轉(zhuǎn)換的相互作用規(guī)律，系統(tǒng)全工況性能的“品位互補(bǔ)，全時調(diào)控”機(jī)制。圍繞上述科學(xué)問題，計劃以下研究內(nèi)容:圍繞第一個關(guān)鍵科學(xué)問題“燃料化學(xué)能與熱能綜合梯級利用原理"，本項目從高品位的燃料化學(xué)能釋放，以及熱轉(zhuǎn)功過程的梯級利用，到中低溫動力余熱的熱聲發(fā)電、吸收式制冷的梯級利用開展研究。主要內(nèi)容有:1）燃料化學(xué)能釋放機(jī)理：燃燒前熱化學(xué)反應(yīng)與燃燒后熱力循環(huán)的品位關(guān)聯(lián)規(guī)律；燃料化學(xué)能釋放的品位有序化機(jī)理；燃料化學(xué)能作功能力逐級、定向轉(zhuǎn)化方法。2）的、型動力的熱功轉(zhuǎn)換機(jī)理與方法：微小型燃?xì)廨啓C(jī)流動規(guī)律與熱力循環(huán)；對轉(zhuǎn)沖壓發(fā)動機(jī)原理與動力機(jī)械新方法；大振幅行波熱聲轉(zhuǎn)換物理機(jī)制與損2）3） 動力余熱驅(qū)動的正逆循環(huán)耦合機(jī)理：動力余熱驅(qū)動正逆循環(huán)的功冷并供轉(zhuǎn)換規(guī)律；吸收式分級制冷循環(huán)耦合和冷量品位提升機(jī)理。4） 燃料化學(xué)能與熱能的綜合梯級利用的機(jī)理與方法：燃料化學(xué)能釋放、熱動與熱聲轉(zhuǎn)換、余熱驅(qū)動制冷（熱泵）循環(huán)耦合的品位關(guān)聯(lián)規(guī)律；燃料化學(xué)能與熱能的梯級利用方法。圍繞第二個關(guān)鍵科學(xué)問題“多能源互補(bǔ)機(jī)理與全工況性能調(diào)控機(jī)制“，主要內(nèi)容有：5） 多能源品位互補(bǔ)機(jī)理：可再生能源、環(huán)境能源與燃料化學(xué)能釋放、熱能轉(zhuǎn)換的品位互補(bǔ)機(jī)制；多熱源互補(bǔ)的吸收式熱泵循環(huán)新方法。6） 多能源互補(bǔ)的冷熱電聯(lián)供的動態(tài)規(guī)律：太陽能動態(tài)變化與燃料化學(xué)能釋放的作用機(jī)制；多能源互補(bǔ)與熱驅(qū)動吸收式循環(huán)動態(tài)特性；多能源輸入、冷熱電輸出的系統(tǒng)動態(tài)關(guān)聯(lián)規(guī)律。7）系統(tǒng)全工況性能的主動調(diào)控機(jī)制：蓄能介質(zhì)、蓄能皆釋能機(jī)理與方法；分布式供能系統(tǒng)變工況特性、冷熱電聯(lián)供目標(biāo)下的主動蓄能與燃料熱功轉(zhuǎn)換的作用規(guī)律；系統(tǒng)全工況性能的主動調(diào)控方法。二、預(yù)期目標(biāo)總體目標(biāo)應(yīng)對我國節(jié)能減排重大需求，為開拓新一代分布式供能技術(shù)的新理論與新方法，本項目的總體目標(biāo)為：構(gòu)建能的品位與循環(huán)耦合理論框架，豐富和發(fā)展老一輩科學(xué)家吳仲華先生總能系統(tǒng)理論，保持我國在這一領(lǐng)域處于國際先進(jìn)水平；建立微小型燃?xì)廨啓C(jī)、熱聲熱機(jī)、余熱制冷與熱泵、蓄能等關(guān)鍵過程的理論設(shè)計方法；凝聚和培養(yǎng)高水平科研隊伍，建立創(chuàng)新研究基地，提高國家分布式供能技術(shù)持久發(fā)展的自主研發(fā)能力。五年預(yù)期目標(biāo)理論創(chuàng)新方面，建立燃料化學(xué)能有序釋放的基本原理，揭示燃料化學(xué)能釋放與燃燒后熱力過程及循環(huán)的能量耦合規(guī)律，提出化石能源與可再生能源互補(bǔ)的全工況系統(tǒng)性能調(diào)控方法，構(gòu)建能的品位與循環(huán)耦合理論框架，突破傳統(tǒng)熱力循環(huán)僅考慮熱能利用的局限性，在燃料化學(xué)能、熱能綜合梯級利用的系統(tǒng)節(jié)能理論方面取得重要進(jìn)展，形成國際一流的理論研究成果。技術(shù)突破方面，提出燃料與中低溫太陽能的品位互補(bǔ)方法，實現(xiàn)系統(tǒng)源頭節(jié)能；研究新型對轉(zhuǎn)沖壓發(fā)動機(jī)原理，促進(jìn)微小型動力技術(shù)革新；提出變溫動力余熱驅(qū)動熱聲發(fā)電新方法;建立多熱源互補(bǔ)的吸收式正逆耦合循環(huán)與熱泵循環(huán)新方法；提出功能熱流體等蓄能新介質(zhì)及其蓄能/釋能新工藝；建立分布式供能的自主創(chuàng)新技術(shù)支撐。示范驗證方面，基于本項目建立的能的綜合梯級利用理論，面向工業(yè)和建筑節(jié)能，提出多能源互補(bǔ)與全工況集成的新一代分布式供能系統(tǒng)，通過太陽能與天然氣互補(bǔ)的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)示范驗證。此外，在項目的執(zhí)行期間，發(fā)表200篇以上學(xué)術(shù)論文，其中國際期刊100篇以上，申請20項以上國家發(fā)明專利，出版3部以上學(xué)術(shù)著作，培養(yǎng)若干名相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)帶頭人、研究生150名，建立多能源互補(bǔ)的分布式供能系統(tǒng)研究基地，舉辦國際會議。項目主要成果申報國家級科技獎勵。三、研究方案總體學(xué)術(shù)思路圍繞科學(xué)問題和項目目標(biāo)，從項目層面和課題層面基于學(xué)科交叉和領(lǐng)域滲透，本項目以能的梯級利用理論為主線，從能的梯級利用和系統(tǒng)全工況兩個方面開展研究。長期以來，燃料化學(xué)能的傳統(tǒng)利用方式是在燃燒后構(gòu)建熱力循環(huán)，主要基于卡諾定理，試圖不斷提高循環(huán)初參數(shù)，提高循環(huán)效率。但事實上，燃燒前的化學(xué)能釋放存在巨大的作功能力損失，是開拓新一代供能系統(tǒng)的最大潛力所在。然而，卡諾定理只適用于燃燒后的熱能利用范疇，對于化學(xué)能的轉(zhuǎn)化與釋方攵則不再適用。本項目突破卡諾定理的局限性，發(fā)掘燃料化學(xué)能作功潛力，從本質(zhì)上認(rèn)識燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化與釋放規(guī)律，借助燃料轉(zhuǎn)化反應(yīng)的Gibbs自由能變化，關(guān)聯(lián)燃料化學(xué)能與燃燒熱能的品位，探索燃燒前后能的品位相互之間的基本作用規(guī)律，揭示燃料化學(xué)能作功能力逐級、定向轉(zhuǎn)化機(jī)制，開拓燃料化學(xué)能〃有序轉(zhuǎn)化，梯級釋放”的根本途徑；進(jìn)一步，以品位〃無縫”接續(xù)轉(zhuǎn)化的思路，構(gòu)建燃燒前熱化學(xué)反應(yīng)與燃燒后熱力循環(huán)之間，以及熱力過程之間的能量耦合關(guān)系；實現(xiàn)燃料化學(xué)能與熱能綜合梯級利用。傳統(tǒng)供能系統(tǒng)一般只考慮單一化石燃料的冷熱電轉(zhuǎn)換。即使采用可再生能源，也僅僅將其作為系統(tǒng)用能的數(shù)量補(bǔ)充。太陽能熱利用是可再生能源應(yīng)用于分布式供能的重要形式。傳統(tǒng)的單一太陽能集熱溫度越高，集熱效率越低，與追求升高初溫，提高效率的熱力循環(huán)相矛盾，導(dǎo)致太陽能熱發(fā)電效率難以提高。本項目突破單一太陽熱能熱功轉(zhuǎn)換局限于卡諾循環(huán)的傳統(tǒng)思路，探索中低溫太陽能與化石燃料品位互補(bǔ)的能量釋放新方法，研究燃料轉(zhuǎn)化反應(yīng)、熱功和熱冷轉(zhuǎn)換等熱力循環(huán)、熱力過程與可再生能源之間的品位互補(bǔ)的理論與方法。以中低溫太陽熱能驅(qū)動燃料轉(zhuǎn)化的吸熱反應(yīng)，產(chǎn)生高品位的太陽能燃料，可以顯著提升中低溫太陽熱能的品位，大幅度提高太陽能與化石能源的互補(bǔ)利用水平。只考慮用戶需求，供能系統(tǒng)完全跟隨用戶需求變化，或者通過負(fù)荷〃消峰填谷”蓄能的被動調(diào)控傳統(tǒng)思路，忽視了供能側(cè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)全工況性能的主體作用，無法有效解決系統(tǒng)變工況效率下降的問題。本項目結(jié)合多能源輸入的動態(tài)特性和用戶冷熱電逐時負(fù)荷的動態(tài)特性，發(fā)掘供能側(cè)對變工況的調(diào)節(jié)潛力，采用可再生能源與化石能源熱化學(xué)互補(bǔ)的〃源頭蓄能”，以及功能熱流體、溶液蓄能、化學(xué)蓄能等多元蓄能的新方法，協(xié)調(diào)主動蓄能與燃料熱功轉(zhuǎn)換的作用，以及能源、供能系統(tǒng)和用戶之間的動態(tài)匹配，開拓多能源互補(bǔ)、主動調(diào)控的新途徑，以提高供能系統(tǒng)全工況效率?？傮w技術(shù)途徑以能的綜合梯級利用理論為項目研究的主線，指導(dǎo)整個項目研究。結(jié)合研究領(lǐng)域的相關(guān)性和交叉性，按照能源梯級利用的層次性，即高品位燃料和熱力循環(huán)、中低溫余熱轉(zhuǎn)換利用，及其整體系統(tǒng)集成，將項目分為：1）燃料轉(zhuǎn)換與微小型燃?xì)廨啓C(jī)，2）先進(jìn)動力余熱利用與蓄能，以及3）多能源互補(bǔ)的分布式供能系統(tǒng)創(chuàng)新三個研究方向。本項目力圖尋求研究方法的創(chuàng)新。例如：將旋轉(zhuǎn)作功和氣體動能作功相結(jié)合，形成與只考慮旋轉(zhuǎn)作功的傳統(tǒng)微小型動力機(jī)械完全不同的新概念，研究對轉(zhuǎn)沖壓發(fā)動機(jī)；探索中溫動力余熱驅(qū)動，無機(jī)械運動部件的熱聲發(fā)電新途徑；不同于傳統(tǒng)固定、間歇的蓄能/釋能，研究功能熱流體的流動、連續(xù)蓄能/釋能新方法；改變傳統(tǒng)僅考慮用戶需求的被動調(diào)控，研究冷熱電聯(lián)供目標(biāo)下的主動蓄能構(gòu)成機(jī)制與全工況性能強(qiáng)化機(jī)理?？紤]認(rèn)知規(guī)律的深入發(fā)展，以及過程研究與整體系統(tǒng)研究的層次提高，由分布式供能系統(tǒng)理論方面的理論突破與發(fā)展、分布式供能技術(shù)的關(guān)鍵過程機(jī)理驗證、以及分布式供能系統(tǒng)集成創(chuàng)新，構(gòu)成逐步推進(jìn)的三個研究層面。最終形成兩個項目出口一一建立多能源互補(bǔ)的能的綜合梯級利用理論、提供關(guān)鍵過程的自主創(chuàng)新技術(shù)支撐。圍繞兩個科學(xué)問題及其研究內(nèi)容，本項目的具體技術(shù)路線如下:(1)燃料化學(xué)能與熱能綜合梯級利用原理燃料化學(xué)能釋放與能的綜合梯級利用:從理論層面建立燃料化學(xué)能與熱能的綜合梯級利用原理；在方法上研究能的品位互補(bǔ)分析法，為能的綜合梯級利用的分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)基層提供方法論。為了驗證原理的適用性，擬研制10kW槽式太陽能驅(qū)動化石燃料(替代液體燃料甲醇/二甲醚)裂解或重整燃料轉(zhuǎn)化實驗臺，集熱溫度區(qū)間200~300°C，采用研制的新型一體化吸收/反應(yīng)器，燃料轉(zhuǎn)化率與太陽能熱化學(xué)效率設(shè)計分別達(dá)到80%和50%。獲得太陽能聚光比、輻照強(qiáng)度、反應(yīng)動力學(xué)的實驗特征方程，分析太陽能集熱溫度、集熱效率、反應(yīng)進(jìn)度、化石燃料轉(zhuǎn)化程度等關(guān)鍵因素對太陽能品位提升的影響規(guī)律，對比太陽能采集與熱化學(xué)反應(yīng)之間不同耦合方式的品位提升特點，驗證并闡明燃料化學(xué)能有序釋放的機(jī)理。實現(xiàn)燃燒過程不可逆損失減少20%~30%燃料節(jié)省10%~15%,實現(xiàn)燃料源頭節(jié)能。小型燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)的流動機(jī)理:本課題擬應(yīng)用計算流體力學(xué)與計算傳熱學(xué)理論方法，研究葉頂間隙流場的復(fù)雜渦系與波系結(jié)構(gòu)，揭示葉頂間隙的泄漏機(jī)理，提出新的抑制葉頂間隙泄漏的密封方法;同時研究可調(diào)導(dǎo)葉的尾渦結(jié)構(gòu)與葉輪內(nèi)的分離渦結(jié)構(gòu)之間的相互干涉機(jī)制，通過改變導(dǎo)葉形狀、數(shù)目和角度，實現(xiàn)對流場的有效調(diào)控。高馬赫數(shù)葉輪機(jī)械流動圖譜的獲取。由于受到測量手段的限制，動葉內(nèi)部流場細(xì)節(jié)主要依靠數(shù)值模擬的方法獲得。目前旋轉(zhuǎn)葉輪機(jī)械內(nèi)部流動的速度一般處于跨音范圍，進(jìn)行數(shù)值模擬所需要的若干經(jīng)驗性修正系數(shù)是否適用于馬赫數(shù)2.0的流動條件，還需要進(jìn)行細(xì)致的對比考察。在這方面，擬通過對大量試驗結(jié)果的分析，對這些經(jīng)驗性參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?。通過分析對轉(zhuǎn)沖壓發(fā)動機(jī)的復(fù)雜激波波系流場，尋找高馬赫數(shù)下對轉(zhuǎn)沖壓葉輪的流動組織模式，提出對轉(zhuǎn)沖壓壓氣機(jī)和對轉(zhuǎn)渦輪的設(shè)計方法。中溫變溫?zé)嵩打?qū)動的熱聲動力轉(zhuǎn)換機(jī)理:傳統(tǒng)分布式冷熱電聯(lián)供技術(shù)存在不能有效利用300-500°C溫區(qū)動力余熱的缺陷，本課題采用熱聲發(fā)電方式來高效地利用這一溫區(qū)的動力余熱，可以使分布式供能系統(tǒng)的效率得到進(jìn)一步提高。對于適合分布式供能功率范圍的大振幅回?zé)崞?、熱聲換熱器的非線性傳熱和能量輸運規(guī)律，本課題擬首先從聲學(xué)的途徑反演線性區(qū)域的工作規(guī)律，然后采用大功率的壓力波發(fā)生器驅(qū)動進(jìn)行非線性區(qū)試驗，結(jié)合計算流體動力學(xué)的途徑揭示其非線性工作特性。對于大功率熱聲發(fā)動機(jī)的研究，非均勻流場、溫度場的分布將導(dǎo)致大尺度回?zé)崞?、熱緩沖管內(nèi)的熱聲聲流和不穩(wěn)定現(xiàn)象，本課題擬基于相似準(zhǔn)則理論，從計算流體動力學(xué)的手段研究相關(guān)的效應(yīng)和工作機(jī)制。如何高效利用變溫?zé)嵩吹臒崧暳鞒淌钱?dāng)前熱聲研究的新問題，我們將以加熱器/回?zé)崞黢詈弦惑w化構(gòu)造熱聲轉(zhuǎn)換單元，結(jié)合實現(xiàn)高效行波聲場的研究思路，建立變溫?zé)嵩打?qū)動的新型熱聲發(fā)動機(jī)，實驗上通過調(diào)節(jié)變溫?zé)嵩醇鞍l(fā)電機(jī)電負(fù)載的手段開展其變工況運行規(guī)律和工作特性的研究。同時，將建立整機(jī)系統(tǒng)的數(shù)值模擬及優(yōu)化程序，形成計算軟件包。正逆循環(huán)間以及逆循環(huán)間的能■耦合機(jī)理:圍繞分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中低品位動力排煙余熱大溫降利用以及多能源互補(bǔ)的問題從解決熱力學(xué)基礎(chǔ)問題著手開展研究。首先將動力排煙的中溫變溫余熱熱源視為不同溫度的多熱源系統(tǒng)；基于氨水混合物、漠化鋰溶液的基礎(chǔ)熱力學(xué)物性模擬和吸收式循環(huán)構(gòu)型圖譜，研究正逆耦合循環(huán)形成機(jī)制和中溫變溫?zé)嵩打?qū)動的吸收式循環(huán)的構(gòu)建機(jī)制；其次，基于工質(zhì)的Gibbs自由能和可用能，分析工質(zhì)熱物性對循環(huán)耦合特性的作用機(jī)制，研究功冷并供循環(huán)、多熱源驅(qū)動吸收式分級制冷（熱泵）循環(huán)的能量特性。為了驗證理論成果，設(shè)計并建立動力輸出為20kW和制冷量為10kW的氨水功冷并供實驗系統(tǒng)和制冷量為10kW的多熱源驅(qū)動的漠化鋰吸收式分級制冷（熱泵）循環(huán)實驗系統(tǒng)，進(jìn)行機(jī)理驗證實驗研究。在原理研究的基礎(chǔ)上，提出動力余熱與中低溫太陽能、地表熱能互補(bǔ)的熱泵原型機(jī)的設(shè)計方法以及正逆耦合循環(huán)功冷并供系統(tǒng)設(shè)計方法。（2）多能源互補(bǔ)機(jī)理與全工況性能調(diào)控機(jī)制蓄能/釋能機(jī)理與分布式供能系統(tǒng)變工況性能的作用機(jī)制：采用以整體代局部，著重考慮分布式供能系統(tǒng)在供能、蓄能/釋能、用能三者之間的相互影響，通過理論分析和實驗研究相結(jié)合的方法開展工作，并在試驗系統(tǒng)上集成測試，同時完善其運行調(diào)節(jié)性能的技術(shù)路線，以達(dá)到預(yù)期研究目標(biāo)。即根據(jù)反問題的研究思路和熱力學(xué)分析方法，確定適應(yīng)于分布式供能系統(tǒng)全工況特性的蓄能/釋能過程，開展相應(yīng)蓄能/釋能介質(zhì)的熱物性研究；在此基礎(chǔ)上，確定合適的蓄能皆釋能系統(tǒng)，搭建實驗裝置，研究蓄能/釋能系統(tǒng)的流動特性和熱傳輸特性的物理機(jī)制、蓄能/釋能過程動態(tài)特性及其與分布式供能系統(tǒng)全工況性能的作用機(jī)制，最終建立蓄能/釋能裝置的理論設(shè)計方法；以上述研究為基礎(chǔ)，研制適宜于分布式供能系統(tǒng)的主動蓄能50kWh化學(xué)蓄能/釋能裝置樣機(jī)，并進(jìn)行實驗驗證。分布式供能單元特性之間的關(guān)聯(lián)皿與系統(tǒng)特性的作用機(jī)制：首先，根據(jù)品位分析方法，分析燃料化學(xué)能釋放、熱功轉(zhuǎn)換、余熱制冷等過程能量的品位特征，及其與可再生能源、環(huán)境能源的互補(bǔ)機(jī)制，建立過程匹配、循環(huán)耦合的集成方法，以實現(xiàn)多能源輸入、多產(chǎn)品輸出的品位互補(bǔ)，通過百kW級實驗系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)理和方法驗證。其次，在單元過程變工況特性和用戶冷熱電負(fù)荷動態(tài)特性基礎(chǔ)上，分析變工況條件下系統(tǒng)性能下降的本質(zhì)原因和特性規(guī)律，采用主動蓄能方法，以實現(xiàn)系統(tǒng)全工況調(diào)控，建立50kW動力、100kW動力余熱制冷和400kWh蓄冰的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)實驗平臺，開展實驗驗證。進(jìn)而，提出多能源互補(bǔ)和全工況高效調(diào)控的新一代分布式供能系統(tǒng)。建立分布式供能系統(tǒng)研究基地，開展核心技術(shù)匹配和主動蓄能全工況性能實驗，系統(tǒng)性驗證能源綜合梯級利用理論和系統(tǒng)集成方法，指導(dǎo)多能源互補(bǔ)的分布式供能系統(tǒng)工程示范，節(jié)能率達(dá)到30%。創(chuàng)新點：能源梯級利用理論創(chuàng)新拓展傳統(tǒng)熱力循環(huán)理論框架，突破僅僅考慮燃料燃燒后熱能利用的傳統(tǒng)學(xué)術(shù)思路，在國內(nèi)夕卜首次揭示燃料化學(xué)能釋放的品位有序化機(jī)理，燃料化學(xué)能與熱能綜合梯級利用原理，燃料化學(xué)能與可再生能源、環(huán)境能源的品位互補(bǔ)機(jī)理，創(chuàng)建能的綜合梯級利用理論。分布式供能技術(shù)方法與系統(tǒng)的創(chuàng)新提出化石燃料與中低溫太陽熱能品位互補(bǔ)方法，建立新型槽式太陽能燃料轉(zhuǎn)換一體化吸收/反應(yīng)器；發(fā)明適合分布式供能的新型發(fā)動機(jī)，提出對轉(zhuǎn)沖壓發(fā)動機(jī)的理論和設(shè)計方法，有望形成動力機(jī)械的一次革新；闡明變溫余熱驅(qū)動的熱聲動力轉(zhuǎn)換方法，建立國際上首套利用中溫動力余熱驅(qū)動的熱聲發(fā)電裝置;提出基于能源綜合梯級利用和全工況系統(tǒng)集成方法的新一代分布式供能系統(tǒng)?？尚行苑治觯簯?yīng)對我國能源戰(zhàn)略發(fā)展與開拓新一代分布式供能技術(shù)的重大需求，本項目依托相關(guān)國家研究項目基礎(chǔ)，匯集國內(nèi)優(yōu)勢科研院所及高等院校的研究骨干，制訂了新穎的學(xué)術(shù)創(chuàng)新思路、總體工作方案以及切實可行的技術(shù)路線和明確的研究目標(biāo)，擁有完成項目研究所需的先進(jìn)實驗設(shè)施，具備了在理論研究和技術(shù)基礎(chǔ)研究方面取得重大突破的條件。(1)學(xué)術(shù)思路新穎學(xué)術(shù)思路新穎性是實現(xiàn)本項目目標(biāo)——建立多能源互補(bǔ)的能源綜合梯級利用的必要條件。本項目在項目層面以燃料化學(xué)能的研究、動力余熱熱聲發(fā)電的研究和吸收式分級制冷(熱)的新循環(huán)等研究，以及多能源互補(bǔ)和主動蓄能的研究，體現(xiàn)了學(xué)科領(lǐng)域拓展和學(xué)術(shù)方法創(chuàng)新，從而形成了攻克項目難題的研究方案保障。

(2)項目目標(biāo)明確、研究方案合理在本項目申請?zhí)岢銮捌?，本著“有限目?biāo)、突出重點、重在創(chuàng)新、慎密計劃”的原則，在“一個項目主線、三個研究方向、三個研究層面和兩個項目出口”的總體技術(shù)途徑的指導(dǎo)下，考慮了科學(xué)問題的前沿性、關(guān)鍵過程設(shè)置的合理性、以及研究技術(shù)路線的策略性等因素，本項目組全體研究骨干充分討論和交流，形成了對項目的關(guān)鍵科學(xué)問題的理解和解決途徑的統(tǒng)一認(rèn)識，為實現(xiàn)項目總體目標(biāo)，制定了完整、合理的項目方案。(3(3)項目前期研究基礎(chǔ)堅實近年來，本項目參加單位曾負(fù)責(zé)承擔(dān)或參與了多項國家攀登B計劃、國家863、國家973、國防973等重大項目、以及國家自然科學(xué)基金委的各類研究項目，在項目相關(guān)領(lǐng)域開展了大量的前期研究，為本項目的實施建立了堅實的前期研究基礎(chǔ)。(4)優(yōu)勢的研究隊伍和先進(jìn)的科研條件本項目的研究隊伍集中了國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的優(yōu)勢研究單位，以國內(nèi)的學(xué)術(shù)領(lǐng)域帶頭人領(lǐng)軍及作為項目研究骨干，是一支富有創(chuàng)新能力和團(tuán)隊精神的研究團(tuán)隊。其中包括3位科學(xué)院院士，以及3位杰出青年基金獲得者；他們都曾領(lǐng)導(dǎo)或參與了多個國家重大研究項目。近年來，項目組成員之間通過多個項目合作，建立了密切聯(lián)系，形成了跨領(lǐng)域?qū)W科交融、優(yōu)勢互補(bǔ)的研究團(tuán)隊。本項目參加單位擁有一批完成本項目研究所需的先進(jìn)測試儀器、實驗裝置、研究設(shè)施與科研條件，為項目順利實施提供可靠保障。課題設(shè)■:圍繞科學(xué)問題一〃燃料化學(xué)能與熱能綜合梯級利用原理”的研究內(nèi)容，本項目設(shè)置課題1“燃料化學(xué)能釋放與能的綜合梯級利用”、課題2“微小型燃?xì)廨啓C(jī)熱力循環(huán)”、課題3“動力余熱驅(qū)動的熱聲發(fā)電”和課題4“動力余熱驅(qū)動的循環(huán)耦合和功冷并供”。圍繞科學(xué)問題二“多能源互補(bǔ)機(jī)理與全工況性能調(diào)控機(jī)制”的研究內(nèi)容，本項目設(shè)置課題5“蓄能/釋能過程與主動蓄能”和課題6“多能源互補(bǔ)的全工況系統(tǒng)集成”。同時，課題1和課題4也涉及科學(xué)問題二的研究。課題1瞄準(zhǔn)能的綜合梯級利用理論及其在分布式系統(tǒng)集成方面的拓展，發(fā)揮對整個項目的引領(lǐng)作用。課題2的研究解決分布式動力的核心問題；課題3探索中溫動力余熱的新途徑；課題4研究動力余熱大溫降的循環(huán)耦合機(jī)理與功冷并供；課題2、3、4旨在解決分布式供能中的熱能梯級利用問題。課題5〃蓄能/釋能過程與主動蓄能”和課題6“多能源互補(bǔ)的全工況系統(tǒng)集成”主要從系統(tǒng)層面研究全工況性能調(diào)控和示范驗證。各課題針對項目預(yù)期目標(biāo)開展研究工作。課題1、課題4、課題5擬在能的品位與循環(huán)耦合的理論方面尋求創(chuàng)新；技術(shù)突破方面，課題2針對新型對轉(zhuǎn)沖壓發(fā)動機(jī)原理，課題3將提出變溫動力余熱驅(qū)動熱聲發(fā)電新方法，課題4將建立多熱源互補(bǔ)的吸收式正逆耦合循環(huán)與熱泵循環(huán)新方法，課題5擬提出功能熱流體等蓄能新介質(zhì)及其蓄能/釋能新工藝；此外，課題1、課題4、課題5、課題6的研究成果將為太陽能與天然氣互補(bǔ)的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)示范驗證提供支撐。(1)課題名稱、主要研究內(nèi)容和目標(biāo)課題1、燃料化學(xué)能釋放與能的綜合梯級利用研究內(nèi)容：1)燃料化學(xué)能有序釋放機(jī)理。包括探索燃料化學(xué)能作功能力的物理本質(zhì)與燃料轉(zhuǎn)換反應(yīng)Gibbs自由能基本特性；分析燃料化學(xué)能、Gibbs自由能和熱能的品位關(guān)聯(lián)與變化規(guī)律；研究燃料化學(xué)反應(yīng)Gibbs自由能的有序釋放，揭示燃料化學(xué)能釋放與能的綜合梯級利用原理。2）化石燃料與可再生能源的品位互補(bǔ)機(jī)理。包括探索和建立燃料化學(xué)能、太陽能和熱能的品位表征與分析方法；研究太陽能燃料轉(zhuǎn)化中品位變化的物理本質(zhì)，揭示燃料化學(xué)能釋放品位降低和中低溫太陽能品位提升的互補(bǔ)機(jī)理。3）化石燃料與太陽能的品位互補(bǔ)方法。包括：探索燃料化學(xué)能、反應(yīng)作功能力、熱能三種能的基本品位之間相互作用機(jī)制，即〃燃燒前熱化學(xué)反應(yīng)”與〃燃燒后熱力循環(huán)”耦合機(jī)制；提出燃料化學(xué)能作功能力逐級、定向轉(zhuǎn)化（間接燃燒、太陽能燃料轉(zhuǎn)換等）方法。預(yù)期目標(biāo)：1）建立燃料化學(xué)能有序釋放的基本原理，揭示燃料化學(xué)能釋放與循環(huán)的品位耦合規(guī)律；2）提出中低溫太陽能燃料熱化學(xué)方法，開拓有序轉(zhuǎn)化、多能源互補(bǔ)的新途徑；3）建立新型拋物槽式太陽能燃料轉(zhuǎn)換一體化實驗平臺，完成燃料化學(xué)能有序釋放的機(jī)理驗證，達(dá)到燃燒過程不可逆損失減少20%-30%的目標(biāo)，燃料節(jié)省10%-15%,實現(xiàn)燃料源頭節(jié)能。小型燃?xì)廨啓C(jī)熱力循環(huán)研究內(nèi)容：1）微小燃機(jī)的研究。包括：頂部間隙的復(fù)雜渦系與波系之間的耦合關(guān)系；微小型徑向壓氣機(jī)及徑向透平的變工況性能及特性規(guī)律;微小型燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)的流動損失機(jī)理。2）高馬赫數(shù)葉輪機(jī)械流動機(jī)理研究。包括：對轉(zhuǎn)壓氣機(jī)對轉(zhuǎn)渦輪內(nèi)部復(fù)雜流動;葉片表面邊界層轉(zhuǎn)捩模型;強(qiáng)激波與葉片表面邊界層的相互作用。3）對轉(zhuǎn)沖壓發(fā)動機(jī)的設(shè)計、分析、優(yōu)化與實驗驗證。包括：高、低壓壓氣機(jī)的性能匹配；旋轉(zhuǎn)沖壓葉輪的優(yōu)化設(shè)計方法；對轉(zhuǎn)沖壓壓氣機(jī)邊界層控制方法；對轉(zhuǎn)渦輪葉片高效冷卻方法。預(yù)期目標(biāo)：1）揭示微小型燃?xì)廨啓C(jī)頂部間隙泄漏的流動損失機(jī)理，提出有效的抑制間隙泄漏的方法，微小型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率不低于29%；2）建立對轉(zhuǎn)沖壓發(fā)動機(jī)的理論和設(shè)計體系，研究對轉(zhuǎn)沖壓發(fā)動機(jī)內(nèi)部復(fù)雜激波波系的流動圖譜，闡明對轉(zhuǎn)沖壓發(fā)動機(jī)的三維激波波系的影響因素及組織方法；3）構(gòu)建對轉(zhuǎn)沖壓發(fā)動機(jī)實驗平臺，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)沖壓壓氣機(jī)的實驗驗證。課題3、動力余熱驅(qū)動的熱聲發(fā)電研究內(nèi)容：1）大振幅行波熱聲轉(zhuǎn)換過程中的非線性效應(yīng)。包括：行波熱聲發(fā)動機(jī)自激振蕩物理機(jī)制、演化過程及其數(shù)理模型;大振幅條件下Rayleigh和Gedeon聲流產(chǎn)生的物理機(jī)制及其對熱聲熱機(jī)性能的影響規(guī)律，提出降低熱聲聲流損失的技術(shù)途徑；大尺度諧振管管中的非線性聲波傳播規(guī)律、損失機(jī)理及低耗散諧振方法。2）交變流動回?zé)崞骷盁崧晸Q熱器的工作機(jī)制及數(shù)理模型。包括：大振幅回?zé)崞鞯姆蔷€性效應(yīng)及數(shù)理模型；熱聲換熱器的動態(tài)、時均能量輸運過程與轉(zhuǎn)換機(jī)理。3）大功率行波熱聲發(fā)動機(jī)熱聲轉(zhuǎn)換特性。包括：大功率行波熱聲發(fā)動機(jī)的工作過程及關(guān)鍵部件最佳匹配規(guī)律;發(fā)動機(jī)回?zé)崞鲀?nèi)部非均勻流動導(dǎo)致的局部聲直流現(xiàn)象及其對熱聲轉(zhuǎn)換性能的影響規(guī)律；混合工質(zhì)氣體強(qiáng)化熱聲轉(zhuǎn)換效應(yīng)。4）變溫?zé)嵩打?qū)動的熱聲發(fā)電系統(tǒng)新流程及工作特性。包括：變溫?zé)嵩醇訜岬男滦蜔崧曓D(zhuǎn)換流程；熱聲發(fā)動機(jī)變工況的聲功輸出特性；熱聲發(fā)動機(jī)與直線發(fā)電機(jī)的高效耦合和最佳匹配機(jī)制；熱-聲-電的變工況、變負(fù)載運行規(guī)律。預(yù)期目標(biāo)：1）揭示動力余熱驅(qū)動的大振幅行波熱聲轉(zhuǎn)換過程中若干關(guān)鍵的非效應(yīng)過程機(jī)理，并建立其系統(tǒng)的熱動力學(xué)設(shè)計理論；2）提出高效利用變溫余熱驅(qū)動的熱聲動力轉(zhuǎn)換新方