分布式发电技术 教学课件 作者殷桂梁 第2章.ppt

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1、第二章分布式电源§2-1微型涡轮发电机§2-2光伏电源§2-3燃料电池§2-4风力发电§2-5能量存储系统9/4/2021§2-1微型涡轮发电机微型涡轮发电机是由微型涡轮发动机驱动发电机组成的发电系统，是提供分布式电能生产的最佳选择之一，它结构简单，开发研制所需的技术已取得突破性进展。容量：轴上的净输出功率小于200kW，不同的工程设计人员对微型涡轮发电机的容量定义不一样，有些包括200kW以上的发动机，但一般的严格定义均为100kW以下。简单的循环周期：单级压缩机和单级涡轮。一、单轴微型涡轮发动机现代的

2、微型涡轮发电机除了具有低污染排放的特点外，还具有下述4个方面的特点：压缩比：一般为3:1~4:1。转子：驱动轴很短，一端装设发电机，中间为轴承。Capstone、Elliott和Honeywell等公司已开发了数种额定容量为20~150kW的单轴涡轮发动机。微型涡轮发动机最紧凑的流程为具有环行燃烧室的环绕回流换热器，流程的配置取决于具体的应用。9/4/2021§2-1微型涡轮发电机表2-1微型涡轮发动机的技术参数制造商转速/(kr/min)额定功率/kW效率(%)余热利用Capstone309628有El

3、liott1164517无Honeywell757530有9/4/2021§2-1微型涡轮发电机优化设计的微型涡轮发动机具有涡轮压缩机，其喷嘴只有数英寸，转速在额定功率时为60~100kr/min，类似于小型的涡轮增压器。微型涡轮发动机和涡轮增压器的主要空气动力学差异在于涡轮的设计。对于实际可行的微型涡轮发动机，其障碍不是涡轮机的技术而是其他因素：成本：总的每千瓦价格和回流换热器的成本。废气的排放水平。天然气的注入方法和它们的安全性。轴的动力学特性和轴承的设计。回流换热器的可靠性、效率和成本。微型涡轮发动

4、机主要的设计特征是使用了辐流式压缩机和膨胀器。采用辐流式压缩机可得到很高的压缩比，与6级轴流式压缩机相比，单级辐流式压缩机的压缩比一般为3:1或4:1。为取得更高的压缩比，可采用多级辐流式结构，但将使得设计相当复杂。9/4/2021§2-1微型涡轮发电机无论微型涡轮发电机是并网运行还是对单独的负荷供电，都需要控制发电机的转速和输出电压。微型涡轮发电机通常使用变转速的永磁交流发电机，其输出的交流电的频率非常高，必须首先对输出电压整流，再逆变为工频交流电。1.设计特点微型涡轮发动机的主要原动力由布雷顿循环(B

5、raytonCycle)或称为等压循环产生，有些具有回流换热器，有些没有。微型燃烧室设计一般不能根据大型涡轮机的燃烧室按比例缩放，主要是因为受到下述因素影响：①表面积/体积随燃烧室的大小而变化；②室壁淬火的影响；③燃料流量较低，只能使用较少的喷嘴和节流面积；④漏泄间隙的增加等。燃烧室尺寸的关键参数可定义为热释放率(HRR)，即较低的HRR可增加滞留时间，有益于减少CO的排放。9/4/2021§2-1微型涡轮发电机接触反应式燃烧室可取得较高的HRR，为完成燃料的氧化，它们需要某种形式的预燃烧室和额外的后阶段

6、的燃烧室空间，总的燃烧室容积与常规的燃料喷射燃烧炉类似。对于小型企业和居民用的微型涡轮发动机，一般选择天然气作为燃料，但是需要将天然气的压力从周围管道的压力加压到超过微型涡轮发动机的压缩机传送的压力。压缩机出口的压力一般为3~4atm。回流换热器能够回收涡轮机排放的热能并为燃烧空气预热，其外壳通常为金属，也可采用陶瓷外壳。回流换热器基本上是空气和空气之间的热交换，而空气到其表面的热传递系数充其量也只是比较适中，所以热交换需要相当大的表面积。若将回流换热器的压力适当降低4%~5%，并采用一般的表面结构，则其

7、重量和成本与其效率η之间的关系如下：9/4/2021§2-1微型涡轮发电机轴承：为增加微型涡轮发动机冷起动能力，降低其造价，一般采用空气轴承而不采用磁性轴承。微型涡轮发电机系统一般采用永磁发电机。将小型的涡轮发动机与高速永磁发电机集成在一起对设计人员是一个挑战，因为需要解决高速动力学特性和平衡、磁性的保持和温度限制、冷却系统的选择和附加损失的计算、保养和日常零部件的维修、发生内部故障时电压的调整和励磁系统的切除以及交流频率转换等方面的难题。高速永磁发电机主要的特征是能够为涡轮发动机机提供高速起动或点火速度

8、，避免了采用专门的起动电动机和专门的起动燃料喷射器，因而简化了燃料控制系统。永磁发电机输出功率P与转子转速和转子体积之间的关系如下：9/4/2021§2-1微型涡轮发电机发电机输出功率与转速之间的关系示意图为获得相应的功率，转速和直径应折衷选择。2.单轴微型涡轮发动机循环分析微型涡轮发电机的效率和输出电能、热能基本上为循环峰值温度、回流换热器入口温度、压缩机压缩比率以及组件效率的函数。9/4/2021§2-1微型涡轮发电机涡轮