热电装置的发展

热电装置的发展2017-6-3一.前言1.1热电装置简介热电装置基于热电材料的内部效应工作,可实现直接能量转换｡热电材料的内部效应包括Seebeck效应、Peltier效应、Thomson效应、Fourier效应、Joule效应｡Seebeck效应,又称温差电效应,是指在两种不同导体构成的回路中,如果两个接头处的温度不同,回路中就会产生电动势,加入负载电阻就会产生直流电流｡Peltier效应是Seebeck效应的逆效应,是指当直流电通过两种不同导体构成的回路时,节点上将会产生吸热或放热现象｡Thomson效应是指当电流在温度不均匀的导体中流过时,导体除产生不可逆的Joule热之外,还要吸收或放出一定的热量｡Fourier效应即导热效应｡Joule效应即电流的热效应｡热电单元是利用热电效应的基本工作单元,由一个P型半导体臂和一个N型半导体臂通过铜片连接而成｡实际应用中的热电模块,由多个热电单元在吸放热上并联,在电路上串联组成｡如果将热电单元的热端置于高温热源吸热,将热电单元的冷端置于环境中散热,电路中就会产生电动势,加入负载即有电流通过,这就是热电发电机的工作原理；反之,如果给热电单元通入直流电,热电单元热端温度上升并放热,冷端温度下并吸热,这就是热电制冷机和热电热泵的工作原理｡1.2国内研究概况热电效应是由温度梯度直接获得电能的方式中能量转换效率最高的方式,与太阳能光伏发电技术、燃料电池并称为21世纪三大最具潜力的能源技术｡基于热电效应的发电、制冷和供热装置固态、环保、可靠、寿命长、易维护,易于实现小型化和集成化,在航天、交通工具、工业、余热回收、电子制冷等领域,与常规能源装置相比独具优势｡介绍半导体热电装置的工作原理、结构特点及应用领域,从非平衡热力学和有限时间热力学两个方面对热电发电机、热电制冷机和热电热泵的热力学研究现状做了全面回顾,重点对其有限时间热力学研究成果做了系统总结,展望热电发电装置热源的开发、多级热电装置、联合热电装置、热电装置的传热强化等热电装置将来的主要发展方向｡在有关热电装置的研究中,一部分集中于现有热电材料的测定、分析、改进或新型热电材料的发明、发现、预测[1],这一方向属于材料学的研究内容;另一部分则致力于在已有材料的基础和限制下,分析热电装置的工作特性,改进和优化热电装置的系统或结构,以提高热电效应的利用和转换效率[2],这一方向属于热力学的研究内容｡美国著名学者BELL[3]指出,热电效应的广泛应用不仅要求改善材料内部的能量转换效率,更需要改进系统的总体结构｡近年来,对热电效应的有效利用和对热电装置的系统优化已经成为热电效应研究的热点[4]｡许多学者基于不同的热力学理论,以不同的目标,采用不同的分析方法,对热电装置进行了广泛而深入的研究,取得了一系列具有理论价值和实际指导意义的成果,对热电装置的发展与应用起到了重要的推动作用｡具体地,从热力学理论上可分为基于非平衡热力学的研究和将非平衡热力学与有限时间热力学相结合的研究,在研究对象上,可分为热电发电机、热电制冷机、热电热泵和联合热电装置;在分析对象上,包含了单个热电单元,单级多个热电单元、两级热电单元和多级热电单元;在分析和优化的范围上,包含了外部传热的优化和内部结构的优化;在研究方法上,包含了理论分析和试验研究｡对热电装置基于非平衡热力学[5]的研究是在给定热电单元端点温度情况下的分析和优化,不考虑装置与热源间的传热,因此只能用于热电单元端点温度不变情况下的计算,具有一定的局限性｡实际应用中,往往是热源温度给定,热电单元端点温度因参数变化而变化,非平衡热力学的分析结果不再适用｡有限时间热力学[6]以热力学与流体力学、传热学及其他传输工程理论相结合为研究手段,以寻求热力过程的性能极限、减少系统不可逆性为主要目标,在有限时间和有限尺寸约束下,优化存在传热传质和流体流动不可逆性的实际热力系统,获得了许多既有理论价值、又有实用价值的成果,大大推进了热力学理论与实际装置和过程的结合｡将有限时间热力学应用于热电装置的研究,充分考虑有限速率热交换下的外部传热损失,以换热器总热导率和热导率分配描述装置与热源间的有限速率传热,分析热电单元端点温度变化,进而确定装置的性能,得到了一系列不同于传统分析结果的新结论和一系列更接近实际,更具普适意义的新成果｡1.3国外研究概况1.2.1丹麦丹麦1930年在哥本哈根建立了统一的区域供热网络,区域供热由热电厂的副产品性质上升至与供同等重要水平｡1973年石油危机后开始大力发展集中供热,大中城市建立了大量热电厂,一些小城市也开始建设热电厂｡从1985年以来,丹麦热电建设以大机组为主,但工业区和城市小型社区也发展中小热电机组,促使火电厂节能改造,对外供热,促进集中供热的锅炉房安装小汽轮机发电,解决锅炉房自用电｡目前,丹麦有热电厂近700家,集中供热厂230多家,热电联产在热电厂中所占比重为63％,82％的区域供热来自于热电联产｡丹麦在上世纪70年代制定了供电法案与供热法案,从法律上解决了热电电力上网问题｡1981年,国家制定了集中供热的法规,规定城市的供热规划由中央政府批准,强制实行区域集中供热,不搞竞争｡1986年政府制定了小城市的450MW的小型热电联产计划｡1990年丹麦议会通过必须将1Mw以上的燃煤燃油供热锅炉改造成天然气或垃圾热电联产工厂,热网工程费用可以从政府得到30％的补贴｡1990—1995年期间批准建设的1500MW～2000MW的新建电厂中,全部采用热电联产方式｡在1993～2002年政府为推广热电联产的应用,对1950年以前建造在热电联产供热区域内的供热系统给予补贴,补贴一般为总成本的30％至50％｡1996年在工商业中引入环保税,税收得作为投资拨款返还给工商业,其中40％的款项将发放给工业热电联产｡在全国范围征收CO排放税,按热电厂上网电量对电价给予折合人民币0．15元／kWh补贴｡1997年又颁布法律要求所有的楼宇中安装独立的计量装置,新建房屋强制安装集中供热设施｡支持小型热电联产项目,并开发微型(家庭型)的热电联产,对以垃圾或天然气为燃料的小型热电联产给予补贴,每lO00kWh为70丹麦克朗｡对装机小于4MW的工厂补助以8年为限,为大于4MW的工厂奖励年限为6年｡1998年通过的电力法修正案,规定电力调度时对小型热电联产和可再生能源所生产的电力给予优先｡1.2.2日本在日本能源供应领域中,主要以热电联产系统为热源的区域供热(冷)系统是仅次于燃气、电力的第三大公益事业,到1996年共有132个区域供热(冷)系统｡燃气轮机热电(冷)联产和汽轮机驱动压缩式制冷设备是日本热电(冷)联产的主要形式｡1999年热电联产装机就已达~Ij4930MW｡日本将热电联产作为21世纪城市建设必不可少的设施,相关法令有：供热法、((城市规划法》、防止公害法和关于推动热电联产发展的指导标准等｡明确规定在新建和改造30000m｡以上的建筑物时,一定要纳入到城市集中供热系统｡上世纪80年代末,包括修订的电力事业法))在内的一系列放宽管制的办法出台｡1995年底又批准了新修订的电力事业法,允许非公共事业类的供应商对需求大的用户售电而以前通常被电力公司垄断｡优惠政策包括鼓励银行和财团对热、电、冷联产系统出资、融资,并进行减税或免税｡对供热设施,投产年折旧按30％计算,并减免税7％｡对区域供热工程费用核算执行特定标准,对区域供热工程固定资产税与折旧资产税投产最初五年减免2／3,第二个五年减免l／3｡免除供热设施占地的特别土地保有税,免除与供热行业用设施有关的事业所得税,政府对热电项目给予低息贷款年利率3％(一般工业为6％)的补贴｡1.2.3德国德国在欧盟国家中热电联产发展处于中上水平,热电联产的发电量占全国总发电量的14％,总装机容量超过22000MW｡德国生物质能与沼气热电联产技术国际领先｡2002年能源消费总量约5亿t标准煤,其中可再生能源1500万t标准煤,约占能源消费总量的3％,在可再生能源消费中生物质能占68．5％,主要为区域热电联产提供燃料和生产生物液体燃料｡德国政府为支持热电联产技术的发展和应用,2002年1月制定通过了热电联产法)),于2002年4月生效,对年总热效率超过70％的热电联产项目免除现存的石油和天然气税,对电力生产超过0．7MW的免电力生产税,对热电厂按发电量给予补贴,补贴额度为1．53～5．11欧分／kWh｡例~n2oo5年底前更新的热电联产项目每kWh可获补贴1．65欧分｡德国政府鼓励老的热电机组的现代化和新建20MW的热电机组,计划到2020年将热电联产技术供电比例较目前水平翻一番｡对利用植物做原料的电厂和采用热电联产技术的电厂在上网电价基本补偿标准的基础上再给予不同额度的奖励｡如果新建的热电联产工厂在生物质转换利用环节采用热化学气化技术、燃料电池等新技术,可以再增奖励4欧分／kWh｡上述规定适用于2004年1月1日以后运行的沼气发电工程,保持20年不变,但在2005年1月1日后建设的电站其基本补偿价格每年递减5％｡1.3自己对热电装置的想法国外热电装置联产经验对我国热电联产具有重要意义｡我国热电联产事业在近30年来取得了积极进展,热电机组装机容量与火电机组装机总容量的发展规模如图1所示,热电机组装机容量占火电机组装机总容量的比重见如图2所示｡从这两图中可以看出,我国热电装机容量与火电装机总容量逐年增加,近十年以来,增幅较大｡最近三十年中,前十年热电联产装机容量占火电装机总容量比重变化不大,在10％上下,自1994年以来,开始小幅上升,由当l1．1％增加至2007年的18．2％｡在建国之后的各个时期,我国一直鼓励和扶持热电联产事业的发展,在不同阶段出台过相应的宏观政策,热电联产建设与发展形成了一定规模,热电联产事业水平逐步提高｡回顾我国热电联产的发展历程,借鉴国外热电联产发展及管理经验,今后我国热电联产事业在以下几个方面仍有较大的提升和优化的空间：1)进一步加强体制保障,在资金与法律法规层面给予强有力的支持;2)彻底贯彻热电联产“以热定电”的原则,通过精确的供热设计计算优化机组供热能力与热负荷的匹配程度,提升机组热效率;3)提高对供热需求市场的正确预测和规划水平;4)提高机组运行和管理人员的水平,组织有序生产,保证机组安全和高效运行;5)因地制宜,丰富热电联产机组的燃料品种,减轻对煤的过度依赖,进一步降低污染物排放｡今年热电的潜力受到大环境的影响,发展比较平稳,中长期还是向好的｡热电企业采用的是集中供热,有以下优点：1、供热效率提高｡工业集中供热往往是对一片工业区供热,供热量大｡集中供热采用大型锅炉配抽汽式汽轮机（或背压机组）,相比各厂分别采用较小的锅炉效率高许多｡2、环保｡集中供热可以将脱硫、除尘、除渣及水处理装置集中布置,提高设备效率,从而提高环保水平｡3、节约能源｡大型锅炉及汽轮机组效率提高后节省了能源,符合国家能源政策｡4、经济｡集中供热后,供热设备的采购、建设及管理由专业人员负责,用户只需要采购热能就行了｡这样减少了低水平重复建设,降低了单位能源的投资,提高了投资效益｡因此,国家鼓励实行区域集中供热,同时对集中供热项目提供政策支持｡随着工业进步,小型、高能耗的热电企业将逐步被大型、低能耗的企业所代替,但是热电企业将长期存在下去｡二.小结(1)当前,全球能源行业面临着能源枯竭与环境保护的双重压力,开发“低碳技术”、倡导“低碳生活”已成社会共识,太阳能、地热及余热的开发和利用越来越受到社会各界和各国政府的重视｡基于热电发电技术充分利用各种低品位能源,是缓解日益严重的能源压力和环境危机的重要途径｡(2)随着航天、电子、医疗等技术的发展,电子器件向着高集成度、大功率、微型化趋势发展,热流密度急剧升高,热电制冷技术是解决日益突出微型器件的散热问题的重要途径｡(3)热电转换技术已在日本、英国、德国、美国等国家获得较广泛的应用,国内对热电转换技术的研究工作主要集中在寻求新型热电材料方面,且以理论研究为主,整体水平与国外存在着较大的差距,在国内进一步深入开展热电发电理论与技术的研究,具有重要