分布式太阳能生物质多能互补微型燃气轮机试验平台

1. 试验平台概述

分布式能源系统是安装在用户端的高效供能系统，可将多种能源与用户的多样性需求相匹配，可行性多能互补以及能量梯级利用，具有巨大的发展潜力。分布式能源系统中的原动机是该系统中的关键技术之一，通常有内燃机、燃气轮机和斯特林发动机等。其中，燃气轮机容量可大可小、配置灵活、污染小、维护成本低、燃料适应性好，具有很大发展前景，受到各国的重视。此外，燃气轮机还适于多能源互补，与新能源（太阳能、生物质能等）结合更是其应用的一个创新点。本试验平台开发的基于太阳能的分布式发电系统，具有很大的应用前景。

目前，我们国家对于微型燃气轮机的研究较少。通过该试验平台，我们可系统探究微型燃气轮机的运行特性，开发相应的动态仿真程序，为燃机部件的设计、控制程序的开发以及燃机与太阳能生物质能耦合等提供相应指导，努力建成世界首个具备储热功能的太阳能燃气轮机系统。

2. 试验平台组成

采用100kW微型燃气轮机（Turbec 100）作为试验平台发电的原动机，结合塔式太阳能聚光发电方式，实现太阳能与生物质能多能互补发电。高温空气吸热器采用腔体管式吸热器，这是太阳能热利用的关键部件，可吸收高倍聚焦的太阳辐射，将工质最高加热到900 ℃左右。同时腔体管式吸热器还具有效率高（最高可达80%），密封性好等优势。高温空气吸热器连接微燃机回热器冷端出口和燃烧室入口，提高燃烧室入口的空气温度，减少燃料量。同时，系统耦合储热系统（显热储热或热化学储热），可进一步提高系统的稳定性。

Turbec 100微型燃气轮机是一款由Ansaldo公司制造，发电功率为100 kW的微型燃气轮机。该微型燃气轮机自带有回热器（回热度为89%左右），采用单级离心式压气机和径流式透平，具有发电效率高（设计发电效率为30%）、污染少、启停速度快等优点。

微型燃气轮机与空气吸热器耦合，同时燃烧室采用生物质燃料，构成了分布式太阳能生物质多能互补微型燃气轮机发电系统。

图 1 100kW微型燃气轮机与高温空气吸热器实物图

3. 试验平台设计参数

分布式太阳能生物质多能互补微型燃气轮机试验平台，主要的设计参数如表所示。

表 1 主要设计参数

4. 试验平台相应的功能

（1）太阳能高温吸热器测试

高温吸热器是太阳能高温利用的关键部件，掌握吸热器的运行特性，对于系统的安全稳定运行具有重要指导意义。该试验平台可用于测试塔式聚光下吸热器的运行特性，探究空气吸热器热损失、压力损失等规律，为提高吸热器吸热温度与吸热效率提供理论指导。

（2）微型燃气轮机运行特性测试

微型燃气轮机是一个结合了流体力学、传热学、燃烧学、工程热力学、机械理论、控制理论的复杂系统。目前，国内对微燃机的生产制造能力有限，该试验平台可测试微型燃气轮机运行特性，掌握各个部件的性能，了解机器的运行控制策略，为系统建模与开发提供相应指导。微型燃气轮机的运行特性包括：恒转速以及恒定TIT下，变负荷时的系统动态响应特性；燃气轮机的启停特性等。

（3）燃烧室燃烧生物质能性能测试

与传统天然气相比，生物质能的热值更低，成分更为复杂，探究如何实现生物质能稳定燃烧具有重要的现实意义。该试验平台可用于测试燃烧室燃烧生物质能时的性能，包括燃烧效率、污染物排放等，为开发低热值燃烧器提供相应设计及优化指导。

（4）多能互补微型燃气轮机发电系统研究

耦合太阳能与生物质能的分布式微型燃气轮机发电系统（如图 64所示），具有污染小、配置灵活等优势，是具有良好发展前景的发电系统。本试验平台可通过试验了解系统的运行特性，探究高温吸热器以及生物质能燃烧对微燃机本身的影响，解决系统耦合的关键问题，为系统的优化以及商业化推广提供指导。

图 2 多能互补微型燃气轮机发电系统流程图