摘 要：以太阳能应用为背景，讨论了能够实现独立建筑冷热电联供的两种分布式能源系统的原理。以太阳能作为唯一热源，用于加热气体工质，进行闭式Brayton循环发电。其透平释放的余热通过余热制冷方式供冷或通过换热器直接供热，可实现独立建筑的冷热电联供。当把燃料电池系统和该热动力系统组合起来，则可实现白天和夜间连续的独立建筑冷热电联供。该系 统不消耗化石能源，无污染，能源利用效
关键词：太阳能；冷热电联供;分布式能源系统
Investigation on the distributed energy system for coolingheatingpower combined cycle driven by solar energy
Abstract: Based on the application of solar energy, the principle of a distributed energy system for coolingheatingpower cogeneration for a single building was discussed. Solar energy was used as the only heat source to drive a closed Bra yton cycle to generate power. The waste heat dissipated by the turbine was utilized by a recovery refrigeration cycle to provide cooling or was directly transferred by heat exchangers for heating. When the system was further combined with a fuelcell system, the whole system can provide coolingheatingpower continu ously in day and night. The system did not consume fossil fuel and dissipate no pollutant with a high energy efficiency. It's worthy further study and introduce to practical application to solve the power crisis in summer.
Keywords: solar energy; coolingheatingpower cogeneration; distributed energy system
0 前言
随着经济的发展，人们对公共建筑的环境舒适性要求越来越高，大型建筑的暖通空调设计成为必需。无论中央空调系统还是集中供暖系统，它们必须依赖于某种能源方式才能运行。通常，这种能源来自区域锅炉或电网，其一次能源消耗主要是化石燃料。化石燃料不可再生，而且在燃烧过程中释放出大量的污染性排放物。此外，化石燃料的供应紧张日益严重，世界各国都深感到存在着制约其经济发展的潜在能源危机。因此，开发研究各种可再生新能源成为各国高度重视的研究课题。其中太阳能是一种取之不尽、用之不竭的绿色能源，对太阳能的研究和开发也是目前各国研究者和工程技术界所关注的热点课题。
分布式能源系统能够独立于集中能源（如电网、热电厂等），它可以单独为一独立大型建筑供应能源，而不受集中能源系统的影响，具有很大的灵活性和独立性。近年来，随着我国经济的快速发展和人民生活水平的提高，用电危机日趋严重，特别是到了夏季，电的短缺成为北京、上海等大城市以及很多省份所面临的一个很严重的问题，到了不得不拉闸限电的程度。其中很大一部分电能是用于建筑物（包括民居和公共建筑）的空调上。如果能够开发出一种分布式电力供应系统以满足独立建筑或小区的电力供应，那么就可以在很大程度上缓解用电高峰问题。
本文将以太阳能、燃料电池等新能源为研究对象，针对建筑物的分布式能源系统，就冷热电联供技术进行讨论。 1 太阳能利用概况
目前对太阳能的利用主要是通过两条途径：光热利用和光电利用。其中光热利用包括太阳能热水器和热水工程以及太阳能的吸附式制冷等；光电利用现阶段主要是直接利用，即采用太阳能电池进行光电的直接转换。按现在太阳能电池的效率计算，一次性投资安装太阳能电池也能够获得相当可观的电能。以上海为例，根据上海的光照情况，如果安装目前通常使用的光伏发电系统的话，每1m2的平屋顶，每小时可以获得130～180W的电能。按照上海地区每年平均标准日照1300h的话，那么就可以获得169～234kWh电。再若以上海将现有2亿m2的屋顶的十分之一，即2000万m2用作并网光伏发电的话，每年就可以获得30亿～47亿kWh电[2>。
利用太阳能加热工质，驱动热力机械循环做功发电，是太阳能光电转换的第二种方式。与光伏发电相比，热动力发电系统结构紧凑，转换效率较高，而且循环过程的余热利用可以实 现电热冷的联供。 2 太阳能热动力循环电热冷联供系统
2.1 太阳能热动力发电系统
太阳能热动力发电系统是利用太阳能做热源的热机循环系统，它利用相变材料加热气体工质而无需电化学电池储能就能够提供连续电源。热动力系统包括Rankine循环、Brayton循环和Stirling循环三种形式。其中闭式Brayton循环（CBC）太阳能热动力系统被美国航空航天局（NASA）作为“自由号”空间站增容，电力需求从75kW增至300kW后的动力系统重点加以研究[3>，研制出25kW的CBC空间电源系统[3>，并进行了地面2kW实验论证[5>，表明闭式Brayton循环（CBC）太阳能热动力系统已经达到了实用阶段，热机循环效率高达27%以上[6，7>，系统总的光电转换效率超过17%[7,8>。一个25kW的系统总质量大约7400kg。
基于闭式Brayton循环（CBC）的太阳能热动力系统包括聚能器、带蓄热的吸热器、电力转换设备、散热设备以及控制和电力调节设备等组成，如图1所示。
太阳能动力系统的工作原理是闭式Brayton热力循环。通过一个反射聚能器把入射的太阳辐 射能聚集在一个空腔式吸热器内，该吸热器内有许多换热管，闭式Brayton循环（CBC）热机所需的气态工质从这些换热管中通过，在换热管外的封壳内含有一定量的氟化锂—氟化钙（Li FCaF2）混合物，被聚能器浓聚的太阳光进入吸热器后使氟化盐融化，加热气态工质，并利用它们的融解热来储存部分能量。Brayton热力循环是单相气体循环。在该循环闭路形式中，压缩机使气态工质增压，之后高压气体流入回热器，并在那里由循环其他部分的热量传递增高温度。气态工质从回热器流向吸热器，在那里吸收热量，气态工质在此达到整个循环中的最高温度。之后，高温高压气体流入涡轮机，膨胀产生机械功，一部分机械功驱动压缩机，其余部分驱动发电机产生电能。温度和压力都已降低的气体离开涡轮机后流经回热器的低压侧，并将其很大一部分余热传给从压缩机出来的高压气体。从回热器出来后气体流经一个散热系统，将多余的热量散掉。然后冷气体再进入压缩机进行下一次循环。
在使用中，太阳能的收集量很难进行调节和控制，而所聚集的太阳能将全部被太阳能热动力系统转换为电能。因此，太阳辐照率的变化和电力输出需求的变化之间的矛盾必须要解决。方法是通过控制闭路中的总循环气体量和一个可控的寄生性的电力负载来调节该系统的电力输出，满足空间设备的电功率要求。循环气体由压缩机和一个存储气体的缓冲罐通过阀门控制。
太阳能热动力系统白天的发电量在满足整个建筑内的用电设备运行的同时，把多 余的电量储存起来或者加入电网，以满足夜间的建筑用电。对于电网安装不方便的边远地区或高海拔地区，该系统是一种很理想的分布式发电方式。对于城市建筑的用电也具有无污染和可再生的优点。它更为紧凑，整套设备可以集中在建筑顶层的一角。
2．2太阳能热动力电热冷联供系统 
图1所示系统的热力循环在发电的同时，产生的废热温度还高达450K左右，具有很高的利用价值。利用一个气气换热器加热送风系统的空气，可以直接作为热源，在寒冷时通过管路和散热器对建筑进行供热，或者利用气水换热器加热供水，对建筑进行热水供暖或供热水。在炎热时，利用这部分余热和余热制冷系统连接，驱动热泵对建筑供冷。余热被充分利用的同时，还将提高整个系统的热效率。其原理性系统图见图2。
2．3 太阳能燃料电池可再生电热冷联供系统
无论光伏发电还是热动力发电，其热源均为太阳能光能。因此，在夜间或阴天时它们将不能工作。常规的解决办法是准备一个蓄热装置以满足在夜间或天气不好的时候提供热量。但是，蓄热时间越长，那么要求的设备就越庞大，投资就越高。所以，一般是由蓄热装置提供2～3h的满负荷运行，同时在夜间采用常规能源（锅炉）供热，即混合系统。
为了全部采用太阳能做热源而不消耗任何化石能源，我们设计了如图3所示的太阳能-燃料电池可再生电热冷联供系统。该新能源综合利用系统的设计思路为：太阳能热动力系统白天发电，部分用于供电，部分用于电解水部分产生氢气，用于夜间通过燃料电池发电、供热或制冷，而其生成产物水可用于白天的循环利用，并且太阳能热力发电所产生的余热推动吸收式制冷机组，用于夏季工况下房间温度的调节。
3 余热制冷方式和燃料电池类型的选择
余热制冷技术有多种，其中低温热水型两级吸收式溴化锂制冷设备的热源温度只要60℃以上就可以正常运行。而太阳能热动力发电循环过程中排出的乏气（余热）温度在200～300℃，因此它完全可以驱动溴化锂制冷设备的运行，可制备温度为6℃的冷水，进行循环供冷。
适合于热电联产的燃料电池包括中温（160～220℃）燃料电池（PAFC，即磷酸盐燃料电池）和高温（600～1000℃）燃料电池（MCFC和SOFC，即熔融碳酸盐型和固体氧化物型），前者技术更为成熟，但效率＜40%，后者效率＞50%，但价格更为昂贵。在目前阶段，可以选用磷酸盐燃料电池，它在夜间发电的副产物为160～220℃的热水，在冬天可直接供暖供热水，夏天可提供给余热制冷机组进行夜间的余热制冷或直接供热水满足洗浴的需要。 4结束语
随着经济的快速发展和生活水平的提高，特别是在夏季，我国很多地区出现电力紧张的局面。通过燃煤发电或燃气发电很难在短期内建成，而且投资巨大，排放污染物，消耗化石能源。为解决目前我国阶段性电力紧张的局面，开发可再生无污染的太阳能，本设计提出了一种纯粹以太阳能为唯一热源的电热冷联供分布式能源系统，以太阳能作为唯一热源，用于加热气体工质，进行闭式Brayton循环发电。其透平释放的余热通过余热制冷方式供冷或通过换热器直接供热，可实现独立建筑的冷热电联供。燃料电池系统和该热动力系统组合起来，则可实现白天和夜间连续的独立建筑冷热电联供。该系统不消耗化石能源，无污染，能源利用效率高，具有进一步理论研究的价值和推广应用潜力。
闭式Brayton循环发电技术已经成熟，燃料电池技术也已经在发电、汽车等工业领域开始应用，余热制冷技术也已很成熟，因此，本文提出的能源系统技术上可行。市场研究表明，对分散式发电的最大需求预计在100～150kW之间，在此范围内燃料电池效率收益最大，电效率可达40%，电热效率可超过80%。整套系统具有很好的可靠性、噪音低，体积小，可置于独立建筑的顶层一角，从环保角度来说，没有污染，不增加二氧化碳的排放。其缺点是目前的初次设备投资比较高。 |
