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热电联产

2018-08-22 10:15:01     所属分类:HVAC
三重热电联产循环(Trigeneration cycle)

热电联产(又称汽电共生英语:Cogeneration, combined heat and power,缩写:CHP),是利用热机[1]或发电站同时产生电力和有用的热量。三重热电联产(Trigeneration)或冷却,热和电力联产(CCHP)"是指从燃料燃烧或太阳能集热器中同时产生电和有用的热量和冷却。

热电联产是燃料的热力学有效使用。 在单独的电力生产中,一些能量必须作为废热被丢弃,但是在热电联产中,这些热能中的一些被投入使用。所有热电厂在发电期间排放的热量,可以通过冷却塔,烟道气或通过其它方式释放到自然环境中。相反,热电联产捕获一些或全部用于加热的副产物,或者非常接近于工厂,或者特别是在斯堪的纳维亚和东欧,作为用于生活区域加热的热水,温度范围为约80至130℃。这也称为“热电联产区域供热”(combined heat and power district heating, 缩写CHPDH)。小型热电联产厂是分散式发电的一个例子[2]。在中等温度(100-180℃,212-356°F)下的副产物热量也可以用于吸附式制冷机中以进行冷却。

热电联产为一种工业制程技巧,利用发电后的废热用于工业制造或是利用工业制造的废热发电,达到能量最大化利用的目的。以先发电式来说由于传统发电机效率只有30%左右,高达70%燃料能量被转化成无用的热,汽电共生能再利用30%的热能于工业,使燃料达到60%效率。系统使用了各种工业机具原本就会在运作中所产生的废热,等于所发的电都是额外的收益。

目录

  • 1 概述
  • 2 类型
    • 2.1 先发电式
    • 2.2 后发电式
  • 3 工厂类型
    • 3.1 微型热电联产
    • 3.2 三重热电联产
    • 3.3 热电联产区域供热
  • 4 分布式发电
  • 5 成本
  • 6 参阅
  • 7 参考资料
  • 8 外部链接

概述

丹麦的一个应用范例,生物柴油发电厂的废热可用来加热园艺用温室。

热力发电厂(包括使用易裂变材料或燃烧煤,石油或天然气的热力发电厂)和一般的热机不将所有的热能转换成电能。在大多数热机中,略多于一半的热量作为多余的热量被损失(参见:热力学第二定律和卡诺定理)。通过捕获多余的热量,热电联产(CHP)使用在常规发电厂中浪费的热量,对于最好的常规发电厂, 有潜力达到高达80%的热效率[3]。这意味着能够消耗更少的燃料而产生同样多的有用能量。

当热量可以在现场使用或非常接近时,热电联产是最有效的;但当热量必须传输较长距离时,总效率则降低:这需要高度隔热的管道,其价格昂贵并且低效;而电可以沿着相对简单的电线传输,并且对于相同的能量损耗可以在更长的距离上传输。

在冬季寒冷的地区,常见在汽车发动机的散热器上连接管道、将热水导入车厢内进行加热的做法,此时发动机变成热电(以及机械动力)联产设备。该示例说明了热电联产的部署取决于热的利用是否集中于热机附近的观点。

在法国梅斯的一座热电联产厂。45兆瓦锅炉使用废木材的生物质作为能源,为30,000栋住宅供电和供热。

热电联产是在寒冷气候中减少供热系统碳排放的最具成本效益的方法[4],被认为是将能源从化石燃料或生物质转化为电力的最节能的方法[5] 。热电联产厂通常在城市的区域供热英语District heating系统、医院、监狱等建筑物的中央供暖系统中使用,并且通常用于工业用水、冷却、蒸汽生产等产热过程中。

类型

先发电式

锅炉蒸气先用于发电,用剩的蒸气热能再投入某种工业制程,同时发的电也投入工业制程,剩电卖给电网。

适合中等温度制程的产业:食品、造纸、化工、养殖、农业 现有系统:

  • 燃气涡轮机外挂废热炉式
  • 燃气涡轮机式
  • 蒸气涡轮机式
  • 复合循环式
  • 柴油引擎式

后发电式

锅炉蒸气先用于某种工业制程,用剩的蒸气热能再投入发电,同时发的电也投入工业制程,剩电卖给电网。

适合高温度制程的产业:冶金、玻璃、水泥

现有系统:

  • 蒸气涡轮机式
  • 有机朗肯机式(Organic Rankine Cycle)

工厂类型

微型热电联产

微型热电联产(MicroCHP, 或MCHP)是所谓的分布式能源(DER),在房屋或小型企业中的安装通常小于5kWe,而不是燃烧燃料仅仅加热空间或水,除了热以外,能量被转换成电。这种电可以在家庭或商业中使用,或者如果电网管理允许,则被卖回电网。

Delta-ee顾问公司在2013年表示,在全球销售的64%,燃料电池微型热电联产在2012年超过了常规系统销售[6]。2012年在日本“Ene农场项目”中销售了20,000台。使用寿命约60,000小时。对于在夜间关闭的PEM燃料电池单元,这相当于估计寿命为十年至十五年[7]。安装前价格为22,600美元[8]。2013年,国家对50,000个单位的补贴已经到位[7]

小型热电联产系统的发展为住宅级太阳能光伏(PV)阵列的内部电力备份提供了机会[9] 。在2011年的一项研究结果表明,PV + CHP混合系统不仅具有从根本上减少现有电力和供暖系统中的能源浪费的潜力,而且还使太阳能光伏的份额能够扩大约五倍[9]

微型热电联产装置使用五种不同的技术:微型燃气涡轮发动机,内燃机,斯特林发动机,闭式循环蒸汽机,和燃料电池。

三重热电联产

产生电,供热和制冷的工厂称为"三重热电联产"(Trigeneration)[10], 或多重联产工厂。与吸附式制冷机相连的热电联产系统使用废热进行制冷[11]

热电联产区域供热

在美国,联合爱迪生公司(Consolidated Edison)通过其七个热电联产工厂每年向曼哈顿区的10万栋建筑分配660亿公斤350°F(180°C)的蒸汽,这是美国最大的蒸汽区。峰值交付量为每小时1000万磅(或约2.5GW)[12][13]

分布式发电

当适应建筑物或需要永久的需要电力,供暖和制冷的建筑群时,三重热电联产具有最大的好处。这样的安装包括但不限于:数据中心,制造设施,大学,医院,军事设施和学校。本地化三重热电联产具有分布式发电(Distributed Generation)描述的附加好处。在任务关键型应用中冗余的功率,更低的功率使用成本和将电力卖回本地电网的能力是几个主要优点。即使对于小型建筑物,例如单独的家庭住宅三重热电联产系统,由于能源利用增加而提供优于热电联产的益处[14]。这种提高的效率还可以提供显着减少的温室气体排放,特别是对于新社区[15]

大多数工业国家在具有大电力输出能力的大型集中设施中产生其大部分电力需求。这些工厂具有优良的规模经济,但通常长距离传输电力,造成相当大的损失,对环境产生负面影响。只有在工业区,附加发电厂或城市的紧邻地区存在足够的需求时,大型发电厂才能使用热电联产或三重热电联产系统。在主要城市中具有三重热电联产应用的实例是纽约市蒸汽系统。

成本

通常,对于燃气发电厂,每千瓦(kW)电力的完全安装成本约为£400英镑/ kW($577美元),这与大型中央发电站相当[16]

参见电源成本

参阅

  • 卡诺循环
  • 电源成本
  • 分散式发电 (包括热电联产的更通用的术语)
  • 发电
  • 工业气体
  • 微型热电联产
  • 纽约市地下蒸汽系统
  • 朗肯循环

参考资料

  1. ^ Cogeneration and Cogeneration Schematic, www.clarke-energy.com, retrieved 26.11.11
  2. ^ What is Decentralised Energy?. The Decentralised Energy Knowledge Base. 
  3. ^ Combined Heat and Power – Effective Energy Solutions for a Sustainable Future (PDF). Oak Ridge National Laboratory. 1 December 2008 [9 September 2011]. 
  4. ^ Carbon footprints of various sources of heat – biomass combustion and CHPDH comes out lowest. Claverton Energy Research Group. 
  5. ^ Cogeneration recognized to be the most energy efficient method of transforming energy. Viessmann. 
  6. ^ The fuel cell industry review 2013
  7. ^ 7.0 7.1 Latest Developments in the Ene-Farm Scheme. [15 May 2015]. 
  8. ^ Launch of New 'Ene-Farm' Home Fuel Cell Product More Affordable and Easier to Install - Headquarters News - Panasonic Newsroom Global. [15 May 2015]. 
  9. ^ 9.0 9.1 Pearce, J. M. Expanding Photovoltaic Penetration with Residential Distributed Generation from Hybrid Solar Photovoltaic + Combined Heat and Power Systems. Energy. 2009, 34: 1947–1954. doi:10.1016/j.energy.2009.08.012. 
  10. ^ Clarke Energy - Fuel-Efficient Distributed Generation. Clarke Energy. [15 May 2015]. [失效链接]
  11. ^ Fuel Cells and CHP 互联网档案馆的存档,存档日期2012-05-18.
  12. ^ Newsroom: Steam. ConEdison. [2007-07-20]. 
  13. ^ Bevelhymer, Carl. Steam. Gotham Gazette. 2003-11-10 [2007-07-20]. 
  14. ^ Nosrat, A.H.; Swan, L.G.; Pearce, J.M. Improved Performance of Hybrid Photovoltaic-Trigeneration Systems Over Photovoltaic-Cogen Systems Including Effects of Battery Storage. Energy: 366–374. doi:10.1016/j.energy.2012.11.005. 
  15. ^ Nosrat, Amir H.; Swan, Lukas G.; Pearce, Joshua M. Simulations of greenhouse gas emission reductions from low-cost hybrid solar photovoltaic and cogeneration systems for new communities. Sustainable Energy Technologies and Assessments: 34–41. doi:10.1016/j.seta.2014.06.008. 
  16. ^ 38% HHV Caterpillar Bio-gas Engine Fitted to Sewage Works - Claverton Group. [15 May 2015]. 

外部链接

  • Information and Publications about Cogeneration on reegle
  • Energy Policy Act of 2005 - sec. 1817 "Study of Cogeneration"
  • CHP在美国:
    • Southeast CHP Application Center。
  • CHP在芬兰:
    • High cogeneration performance by innovative steam turbine for biomass-fired CHP plant in Iisalmi, Finland。
  • CHP在比利时:
    • Experimental study and modeling of a low temperature Rankine Cycle for small scale cogeneration
  • CHP在英国:
    • CHP at DEFRA。UK Department for Environment, Food and Rural Affairs。
    • CHP Focus - DECC's free resource for helping to develop combined heat and power[失效链接]
    • BBC新闻: Power from the people
    • M.I.T. algae reactor
  • Associations:
    • U.S. Combined Heat and Power Association
    • COGEN Europe The European Association for the Promotion of Cogeneration
    • The German CHP Association[失效链接]
    • The World Alliance for Decentralized Energy

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