综合智慧能源

明确太阳能热发电战略定位促进技术发展

王志峰, 何雅玲, 康重庆, 王伟胜, 杜凤丽

2021, 43(11): 1-4. doi:10.3969/j.issn.1674-1951.2021.11.001

摘要 ( 556 )

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太阳能热发电技术具有安全性高、电力品质高、储能规模大、可双向连接电网的优势,在“碳达峰、碳中和”战略中具有不可替代的地位,在构建以新能源为主体的新型电力系统中将发挥中坚作用。通过近20年的发展,我国太阳能热发电产业成熟度高,产业链完整,国内已投运项目的设备国产化率超过90%,具备大规模应用发展的条件。对太阳能热发电科技引领突破,产业规模发展大幅度降低成本,与光伏风电打捆参与电力市场促进太阳能热发电产业发展等方面进行分析,并提出了建议。

碳中和背景、路径及源于自然的碳中和热能解决方案

李扬, 王赫阳, 王永真, 赵军

2021, 43(11): 5-14. doi:10.3969/j.issn.1674-1951.2021.11.002

摘要 ( 320 )

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工业化以来的人类活动是全球气候变化尤其是全球变暖的关键因素,这已成为世界科学界的共识。为了早日实现“双碳”目标,碳替代、碳减排、碳循环、碳封存将是4个最主要的技术路径。为细化不同技术的碳中和贡献度,针对国际组织Project Drawdown给出的76种具体减碳技术进行了计算,结果表明：碳减排相关技术将发挥最重要的作用;行为改变将比技术进步产生更大的影响;与自然和热能相关技术的减碳潜力占比分别达到45.9%和35.5%。基于自然在碳循环中的重要作用及我国丰富的自然热能资源,提出了源于自然的碳中和热能解决方案,并以利用地下储热为例分析了其优势。

地热能供热技术的应用现状及发展趋势

王贵玲, 杨轩, 马凌, 周佳琦, 沈国华, 王婉丽

2021, 43(11): 15-24. doi:10.3969/j.issn.1674-1951.2021.11.003

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目前建筑行业能耗居高不下,2019年全球建筑运行碳排放占到了总CO₂排放的28%。如今,建筑节能降耗成为了我国乃至世界能源格局面临的一大问题。为了探究地热资源供热潜力及其在“双碳”目标中的价值体现,简述了我国地热资源禀赋及分布特点,给出了不同地区适用的地热供能模式。聚焦节能高效的地埋管地源热泵技术,通过工程案例分析,得出了浅层和中深层的不同供能特点。根据近5年发展推测,到2030年地源热泵将覆盖我国19.25%的城市供暖面积,具有很大的发展潜力。在实际应用和未来发展方面,从探热-采热-用热的不同角度,提出了多种新型地埋管换热器和直膨式地源热泵系统及跨季蓄能、多能互补的综合能源利用模式,以提高可再生能源利用率,减少化石能源的使用,降低建筑能耗。

空气源热泵空调技术应用现状及发展前景

陈健勇, 李浩, 陈颖, 赵军

2021, 43(11): 25-39. doi:10.3969/j.issn.1674-1951.2021.11.004

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空气源热泵空调系统具有高效节能、绿色环保等优点,在采暖、热水和烘干等领域有广泛应用。围绕空气源热泵空调的循环构建、除霜和系统控制等方面对国内外研究现状进行了综述,分析了各种技术的优缺点。介绍了空气源热泵空调在各行业的典型应用,重点分析了空气源热泵空调在我国北方“煤改电”项目中的贡献,系统平均循环性能系数可达2.13,节能效果明显。最后总结了空气源热泵空调推广应用面临的政策不完善、公众不熟悉等问题,提出需从部件、循环、除霜以及系统控制等方面进行创新,进一步提升空气源热泵空调的性能,同时可与储热、大数据和人工智能等技术结合,在“双碳”的新形势下发挥巨大作用。

太阳能空调与热泵技术进展及应用

陈尔健, 贾腾, 姚剑, 代彦军

2021, 43(11): 40-48. doi:10.3969/j.issn.1674-1951.2021.11.005

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当前日益增长的建筑能耗需求与“双碳”目标背道而驰,通过新型节能技术降低建筑能耗势在必行。太阳能空调与热泵技术,可细分为光热与光伏驱动的供热制冷技术,是将太阳能与建筑供能相结合,实现太阳能规模化应用的潜在发展途径。对目前太阳能供热制冷主要技术路线进行总结,主要有热驱动的吸收式制冷/热泵循环、吸附式制冷、除湿空调,电驱动的光伏空调、直膨式热泵、光伏/光热一体化（PVT）热泵等,并对相关技术的研究进展做简要介绍。太阳能空调与热泵技术近年来在能效提升、驱动温区扩展与环境适应性增强等方面取得进展,未来可进一步结合建筑用能需求提高系统供能多样性,利用太阳能推动建筑用能的绿色化转型。

地下储能技术研究现状及发展

张媛媛, 叶灿滔, 龚宇烈, 马玖辰, 黄永辉, 赵军, 庞忠和

2021, 43(11): 49-57. doi:10.3969/j.issn.1674-1951.2021.11.006

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为了减缓全球变暖,实现碳达峰、碳中和目标及新能源的高效利用,需以新能源为主体的新型电力系统和储能行业相互协调发展。新型电力系统与地下储能相结合作为关键技术之一,其跨季节地下储能,尤其是地下含水层储能（ATES）,从理论研究转为工程应用成为亟待攻克的难点。综述了地下储能方式及其原理,分析了地下ATES系统在数值模拟试验等方面的研究进展,深刻剖析了在实际工程应用中关键技术和瓶颈问题,进一步对比了地下ATES系统热工性能和经济环保效益评价标准,展望了新型电力系统与地下ATES相结合的未来,为后续的应用研究提供参考。

地热发电在新型电力系统中的定位及参与模式

王永真, 韩恺, 赵军, 王剑晓, 龚宇烈, 范翼帆

2021, 43(11): 58-65. doi:10.3969/j.issn.1674-1951.2021.11.007

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构建以新能源为主体的新型电力系统是实现我国“双碳”目标的关键路径,以稳定、清洁著称的地热发电如何在新型电力系统生态中发挥作用,关系地热发电的机遇与挑战。基于能源互联网“系统化”理念,初步分析了我国地热发电与风、光发电接入新型电力系统的热工、经济及环境效益,讨论了地热发电参与新型电力系统的模式与机制,认为从电力系统平衡及全系统度电成本看,地热发电技术能够通过替代煤电及碳捕集技术、作为灵活性托底电源以及参与电力市场辅助服务等手段,有效支撑新型电力系统的规划与运行。118个节点的风光火地新型电力系统案例分析结果表明,当20%的火电机组被地热发电替代后,系统30 a的总经济成本约降低14%。最后指出,除缺失顶层设计以及地热发电资源量评估等问题外,中低温水热型发电、二氧化碳增强型地热发电以及地热发电系统的热经济优化等技术依然是制约我国地热发电发展的关键问题。

碳中和背景下油田区地热资源的低成本可持续利用

宋超凡, 赵军, 尹洪梅, 李扬, 王贵玲, 邹红丽

2021, 43(11): 66-73. doi:10.3969/j.issn.1674-1951.2021.11.008

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碳中和、碳达峰意味着经济和社会领域广泛而深刻的系统变革,未来常规化石能源的利用必然会受到限制。地热能作为一种清洁低碳、稳定连续的非碳基能源,是实现碳达峰、碳中和目标不可或缺的能源。我国油田区存在着大量的沉睡油井,其中的水热型地热资源亟须科学合理的低成本、可持续利用,这将对碳中和的实现有重要意义。综述了油田区沉睡油井改造为地热井的方法,分析了我国油田利用改造后地热井的工程实例,以及油田区开发利用地热能的优势和瓶颈,展望了应用前景,为后续的工程研究提供参考。

商超自然工质CO₂制冷系统增效技术及碳减排预测

代宝民, 刘圣春, 曹钰, 杨海宁, 冯一宁, 肖鹏

2021, 43(11): 74-84. doi:10.3969/j.issn.1674-1951.2021.11.009

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《〈蒙特利尔议定书〉基加利修正案》于2021年9月15日对我国生效。商超冷冻冷藏领域使用CO₂替代常规人工合成制冷剂是可靠解决方案,然而CO₂制冷系统高压运行导致较大的节流损失造成其能效偏低。对商超CO₂制冷系统形式,提升能效的最新技术手段,国内、外应用现状进行了总结。我国目前仅有少数示范商超使用CO₂制冷设备用于冷冻冷藏,根据其实际运行能耗,核算其全生命周期气候性能（LCCP）,对其采用新技术后的碳减排量进行预测,与现有R404A系统的碳排放量进行对比。对制约我国商超CO₂技术推广的因素进行分析,建议根据超市所在地区的气候条件、峰谷电价差异及周边场地情况改进系统形式以提高制冷系统能效。针对设备价格昂贵问题,建议相关部门给予政策补贴和支持。此外,可通过加强宣传,加深用户对制冷剂替代、“双碳”目标、节能减排政策的了解,提高市场认可度,同时为设备优化设计及低碳高效运行提供参考。

“双碳”背景下天然工质的改革及减排潜力

安青松, 闫若雪, 孙博阳, 马一太

2021, 43(11): 85-90. doi:10.3969/j.issn.1674-1951.2021.11.010

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工质通常被称为热力循环系统的“血液”,在热工循环中起着至关重要的作用。随着我国“双碳”目标的确立,以及《〈关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书〉基加利修正案》的生效,我国开启了协同应对臭氧层损耗和气候变化的新篇章,这对工质的选用提出了更高的要求。介绍了工质发展简史及现阶段面临的主要挑战,并详细阐述天然工质的物性及应用情况。R744（CO₂）,R718（H₂O）,R717（NH₃）,碳氢类（HCs）等天然工质有较优的环保性能,在工质改革中被寄予很大的希望,成为了替代传统工质（HFCs）的主要研究对象。如何以天然工质替代传统工质在制冷热泵系统中的应用需要进一步的审视,同时,开发者应更加重视工质与系统和技术的适匹性。最后,通过对未来各应用场景下可实现的碳减排效果进行测算,希望为全面了解“双碳”目标下的天然工质替代方案和减排潜力提供参考。

“双碳”目标下海洋可再生能源资源开发利用

王项南, 麻常雷

2021, 43(11): 91-96. doi:10.3969/j.issn.1674-1951.2021.11.011

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海洋可再生能源开发利用对促进节能减排、应对气候变化具有重要的潜在作用。我国海洋可再生能源资源总量丰富,仅近海海域的海洋可再生能源资源可开发量就高达数百吉瓦。近年来,我国海洋可再生能源资源开发利用技术取得了快速发展,海洋可再生能源装机规模已进入世界前列。碳达峰、碳中和目标下能源电力绿色转型战略的实施,为我国海洋可再生能源资源开发利用提供了至关重要的发展机遇。在介绍我国海洋可再生能源开发利用开展的工作以及取得的重要进展的基础上,梳理我国海洋可再生能源开发利用中存在的主要问题,分析我国海洋可再生能源减排潜力,对“双碳”背景下我国海洋可再生能源的中长期发展愿景进行展望,并对近期的海洋可再生能源开发利用技术发展以及规模化开发利用重点进行分析。

可再生能源与余热协同辅助碳捕集技术研究现状与展望

鲁军辉, 王随林, 唐进京, 任可欣

2021, 43(11): 97-109. doi:10.3969/j.issn.1674-1951.2021.11.012

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碳捕集与封存（CCS）及利用是实现CO₂近零排放和碳中和目标的重要途径,但碳捕集成本和能耗的增加,使得系统能效降低。低能耗碳捕集技术的创新发展和高效可再生能源辅助碳捕集技术,是降低碳捕集能耗和提高系统能效的重要路径。总结了可再生能源与余热及其协同辅助碳捕集技术的类型和发展,综述分析了可再生能源中太阳能、地热能、风能、生物质能和余热以及多能耦合辅助碳捕集技术的最新进展及面临的主要问题,展望了未来利用可再生能源和余热辅助碳捕集技术的发展趋势。研究表明,随着可再生能源与余热开发利用技术的创新与发展,碳捕集成本降低的同时系统能效得到提高;综合利用和匹配太阳能制冷、热、电、光和化学转化辅助碳捕集技术,高效利用太阳能的潜力更大;可再生能源与余热及多能耦合辅助碳捕集,需重点研究工艺匹配、能量梯级优化利用,且综合评价与指标体系有待完善。

基于金属氧化物的两步法太阳能热化学循环制备燃料研究现状与展望

马天增, 付铭凯, 任婷, 李鑫

2021, 43(11): 110-127. doi:10.3969/j.issn.1674-1951.2021.11.013

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基于金属氧化物的两步法太阳能热化学循环可以生产清洁的燃料,具有理论效率高、二氧化碳零排放等优点,有望成为实现碳中和的有效途径,但存在太阳能到化学能能源转化效率不高的问题。从材料基对、反应器设计、多能互补系统优化等方面入手,着重分析了影响太阳能到化学能能源转化效率的因素。总结了材料基对研究的发展历程,指出了密度泛函方法和机器学习方法在材料基对筛选方面的重要作用。结合材料特性,分析了泡沫陶瓷/蜂窝结构反应器、粒子反应器和膜反应器的适用范围及优缺点,指出更优的孔隙率和合适的粒子半径可以加快材料基对的升温速率,并且可以有效减少热损失;同时,大规模可连续式设计可以实现对太阳能的高效利用。系统优化方面,综合分析了数字孪生等新技术在多能互补系统发挥的作用。最后,对高温太阳能热化学循环制备燃料技术未来的发展提出了建议。

复合膜在CO₂分离领域的研究进展

连少翰, 李润, 张泽洲, 刘庆岭, 韩瑞, 赵军, 宋春风

2021, 43(11): 128-137. doi:10.3969/j.issn.1674-1951.2021.11.014

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为实现“双碳”目标,应积极发展CO₂捕集、封存与资源化利用（CCUS）技术,控制CO₂的排放。膜分离技术作为最常见的气体分离技术之一,相比于吸收法、吸附法、低温法等,具有能耗低、便于操作、占地面积小、易于放大、运行成本低等优点,被广泛用于燃煤电厂烟气CO₂捕集与天然气脱碳纯化等工艺。然而纯无机膜与高分子膜受制于各自的缺点,无法大规模推广应用,开发气体分离性能优越的复合膜成为研究的热点。综述了国内外关于复合膜在CO₂捕集领域的研究进展,以膜结构类型进行分类,重点介绍了混合基质膜、支撑液膜等不同复合膜的制备过程及原理。对比了不同复合膜的分离表现,对其优缺点进行了总结,并对制约复合膜发展的关键问题进行了分析讨论。最后,展望了复合膜气体分离技术未来的发展方向。

碳中和背景下天空辐射冷却技术的应用

周志华, 张吉, 张云飞, 刘俊伟

2021, 43(11): 138-148. doi:10.3969/j.issn.1674-1951.2021.11.015

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应对全球气候变化,尽早实现碳中和,加速全社会绿色低碳转型是全人类的共同期望,在此背景下,制冷技术未来的发展将面临重大转变。作为完全被动式的冷却技术,利用宇宙冷能的天空辐射冷却不消耗任何能源且不产生环境污染,是一种极具发展前景的冷却方式。在介绍辐射冷却技术基本理论的基础上,对近几年辐射冷却材料的典型技术及其冷却效果进行了归纳与总结,并进一步阐述了辐射冷却材料在不同领域的研究现状,最后总结了天空辐射冷却技术在碳中和中的应用场景以及目前辐射冷却材料面临的问题与发展趋势。辐射冷却材料的研制与应用将对我国节能减排事业做出巨大贡献。

2021年 第43卷 第11期 刊出日期：2021-11-25

2021年第43卷第11期刊出日期：2021-11-25