CPD模块5:微型热电联产系统

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以模块***为例(2010年10月31日截止)

自20世纪70年代以来，国内能源消耗一直在稳步增长，主要是由于安装了中央供暖系统和电器数量的增加。根据环境、食品和农村事务部的数据，空间和水加热占英国家庭二氧化碳排放量的73%，相比之下，家用电器仅占16%，照明占6%，烹饪占5%。

人们对微型热电联产(CHP)技术的兴趣越来越大，因为它有可能为政府和最终用户节省碳排放，为最终用户节省资金，并将他们从能源网络中解放出来。从政府的角度来看，主要的收益是更有效地利用日益减少的自然资源和改善供应安全。

分散的热量和电力可以在使用点上产生更高的整体效率。微型热电联产通常被归类为分散式发电，与发电站的集中式发电相反。平均而言，集中发电的效率只有40%，其中60%的能量是在燃烧煤炭的过程中损失的。另有5-10%的电能在输电线中损耗。这意味着从100%的燃料供应到中央发电厂，平均只有30%提供给家庭住宅。相比之下，微型热电联产装置将90%以上的燃料转化为住宅所需的热量和电力。

热电联产(CHP)是在使用点同时生产热电，根据电力输出可以细分为大型，小型和微型热电联产。根据欧盟的定义，微型热电联产是指发电量低于50千瓦时的机组。但该术语已成为小于5千瓦时电力输出的小型应用的代名词。对于家庭装置，机组通常产生1千瓦时的电力输出，符合基本负载要求。图1显示了微型热电联产机组在住宅中使用100%燃料(通常是天然气)的运行情况。这种能量输入的一定比例用于提供热量，而另一部分用于提供电力。用于电力输出的百分比取决于使用哪种微型热电联产技术。

对于最先进的内燃机技术，这一比例将在28%左右;对于较新的斯特林发动机技术，约为15%;而对于目前正在开发的燃料电池技术，这一比例约为40%。

微型热电联产系统技术

微型热电联产领域使用了各种不同的技术，这些技术处于不同的发展阶段，并提供了不同的优势。三种主要技术是内燃机、斯特林发动机(有时被称为外燃机)和燃料电池。

内燃机

内燃机(ICE)适用于微型热电联产应用，因为该技术已经建立，并且它们的尺寸范围很广，从小型便携式汽油发动机到大型50,000马力柴油发动机。内燃机的动力是由热燃烧产物或燃料的膨胀直接作用于发动机内。为了发挥作用，它们需要空气、燃料、压缩和火花点火的燃烧源。

自由活塞斯特林发动机

下一项即将商业化的技术是自由活塞斯特林发动机(FPSE)，这是1816年由苏格兰牧师罗伯特·斯特林(Robert Stirling)发明的热机。它使用外部热源，可以是任何东西，从化石产品到太阳能，再到腐烂的植物产生的热量，通过温差产生运动。

燃料电池

燃料电池是一种通过化学反应发电的电化学装置。有多种不同类型的燃料电池，包括聚合物电解膜(PEM)和固体氧化物燃料电池(SOFC)。通常，使用的反应物气体是氢和氧。大多数微型热电联产装置要么使用提取氢气的天然气，要么使用提取氧气的空气。

内燃的特点和优点

八溪达克斯机组是内燃微型热电联产系统的一个例子。它提供了良好的热功率比，12.5千瓦时的热量和5.5千瓦时的电力输出，这意味着它全年运行的时间很长。该技术的一些优点是:

• 单位有多种尺寸可供选择，这意味着它们可以满足各种不同的应用要求;
• 机组启动速度快——只要打开电源，就能开始发电;
• 通常，机组需要的辅助功率最小，这意味着它们可以最大限度地提高净发电量;
• 机组提供高部分负荷效率，这意味着机组根据热需求进行调节，仍然提供出色的燃料使用性能;
• 由于采用久经考验的技术，机组的使用寿命相对较长，服务可靠;
• 装置通常具有燃料灵活性，可以使用各种不同的燃料来源，包括天然气、液化石油气、燃料油、生物柴油和菜籽油。

斯特林发动机是如何工作的

有各种不同的斯特林发动机可供选择，从自由活塞到“摆动轭”设计，但所有的工作都基于相同的基本原理，有一个密封的气缸，其中包含一个移动的活塞和固定数量的加压惰性气体，如氦气。发动机的气缸内不发生燃烧。根据波义耳定律，斯特林发动机的工作是基于气体的两种性质:

• 对于固定体积中一定量的气体，随着温度的升高，压力也会增加。
• 当一定量的气体被压缩时，气体的温度就会升高。

自由活塞斯特林发动机往往开始发电更快，达到1kWh输出比摆动轭设计更快。自由活塞斯特林发动机使用置换活塞来移动封闭的气体在冷热储层之间来回。气体在热储层膨胀，使驱替器和动力活塞移动，同时迫使气体向冷储层移动。在冷储层中，气体收缩，一个平面弹簧使活塞上下运动。活塞由磁性材料制成，在发电机线圈之间上下移动，产生50Hz的交流电。

摆动轭的设计是基于一个运动学斯特林发动机，有四个活塞在90度相位彼此。这种设计本质上要求活塞密封圈和具有比自由活塞设计更多的活动部件。因此，在15年的预期产品寿命内，这种类型的发动机将有更大的故障风险。它有很大的惯性，所以从最初的热需求到开始发电需要更长的时间——通常在5分钟左右，而FPSE只需要不到2分钟。它也需要更长的时间才能产生1千瓦时的电力——大约80分钟，而FPSE只需不到8分钟，而且它往往在启动和关闭时消耗大量能量。所有这些因素都限制了这种装置的财务和碳节约。此外，由于铝气-水热交换器的复杂设计，提供一个由合适的抑制剂保护的安全主回路是很重要的。

有各种各样的制造商从事开发用于微型热电联产应用的斯特林发动机技术，包括Baxi, Whispertec和Disenco。大多数开发项目都是针对家庭应用的1kWh左右的电力单位。一个典型的例子是八溪ECOGEN机组，这是一个24千瓦时的纯热锅炉，可以根据住宅的热量需求从3.5千瓦时调节到24千瓦时。输出部分来自斯特林发动机，提供6kWh的热输出，部分来自补充热交换器，提供额外的18kWh。

斯特林发动机本身提供1千瓦时的电力，以及6千瓦时的热量输出。其总效率为92%。该装置基本上是一个壁挂式燃气锅炉，当它检测到初始热量需求时，就会启动斯特林发动机。斯特林发动机在发电时满足其初始热量需求。如果热量需求超过了斯特林发动机所能提供的热量，补充热交换器就会启动，并提供额外的18kWh输出。当热量需求下降时，机组根据热量需求向下调节，同时尽可能长时间地保持斯特林发动机的运行。该装置的大小与普通壁挂式锅炉相似，这意味着它在住宅内的位置具有灵活性。它可以位于与今天的冷凝锅炉相同的位置，它使用天然气，并可以与标准的高温热源连接。

FPSE装置的应用

在2007年和2008年期间，一些自由活塞斯特林发动机单元被安装在现场试验中，从中我们可以获得有关微型热电联产在现实世界中潜在运行的信息。英国的一个例子是，更换了G波段的电器，在23周的时间里产生了1205千瓦时的电力，约占住宅总电力需求的60%。通常情况下，这些装置会向电网输出一定数量的电力。这可能占总发电量的20-30%，因为家庭住宅并不总是需要完全产生1千瓦时的电量。然而，在这个特殊的例子中，输出的电量高于平均水平——615kWh被输出到电网。在2060kWh的总需求中，只有855kWh是在试验期间购买的。

FPSE技术的成本和碳节约

金融

可以通过两种不同的方式满足6kW的热量和1kW的电力需求(见图2)。

使用燃气冷凝锅炉供热并从电网获取电力的标准过程将花费34.1便士左右。或者，一个基于自由活塞斯特林发动机的微型热电联产装置，同时满足这两个要求，成本约为24.9便士。微型热电联产装置产生的热能和电能的总节省将在9便士左右。

该装置每年运行2000小时，每年将节省414英镑(包括230英镑的饲料关税福利)。使用g级非冷凝燃气锅炉满足这一要求的成本将在48.2英镑左右，这意味着每年节省696英镑(包括230英镑的上网电价优惠)。

二氧化碳排放量

微型热电联产机组每发电一千瓦，可减少二氧化碳排放0.47千克/二氧化碳(见图3)。假设该机组每年运行2000小时，这相当于每年减少1.2吨二氧化碳排放。

燃料电池的特点和优点

在现有的和正在开发的微型热电联产技术中，燃料电池提供最高的电效率——通常大于30%，有可能高达50%。这使得这些装置能够实现非常好的电力输出，并最大限度地节省资金。

这些装置的热功率比约为2:1，这使得它们能够产生大量的电输出，而散热相对较低。这些装置可以调节整个热负荷和燃料电池堆本身，同时仍然产生电力输出，最大限度地提高发电量。运行时间长，通常可以在6000小时左右，这提供了出色的碳排放节约。PEM燃料电池的低工作温度(在80-100°C之间)意味着它们启动非常快。许多制造商正在研究PEM燃料电池技术，并在英国和欧洲进行了广泛的现场试验，预计将于2012/2013年投入商业使用。

以模块***为例(2010年10月31日截止)