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清華大學(xué)
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氫能應(yīng)用路線——一種微型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)

2022-03-22 10:36:36
云上高博會(huì) http://www.g2h0uzv.xyz
所屬領(lǐng)域:
新能源與節(jié)能環(huán)保
項(xiàng)目成果/簡(jiǎn)介:

1. 痛點(diǎn)問(wèn)題

“雙碳”目標(biāo)下,能源結(jié)構(gòu)亟待調(diào)整。傳統(tǒng)化石能源的清潔高效利用,風(fēng)電、光伏、氫氣等可再生能源的快速推廣,使得分布式能源產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了高速發(fā)展的窗口期。以微型燃?xì)廨啓C(jī)(單機(jī)功率25~300KW,簡(jiǎn)稱“微燃機(jī)”)為核心裝備的分布式能源技術(shù)和儲(chǔ)氫調(diào)峰技術(shù),將掀起“電源小型分散化”的技術(shù)革新熱潮,成為21世紀(jì)能源技術(shù)革命的主流。

目前,微燃機(jī)在我國(guó)天然氣分布式發(fā)電市場(chǎng)已有應(yīng)用,但整機(jī)裝備嚴(yán)重依賴進(jìn)口,國(guó)產(chǎn)微燃機(jī)在產(chǎn)品性能、質(zhì)量體系等方面尚未成熟,難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化及商業(yè)推廣。研發(fā)高效、穩(wěn)定、長(zhǎng)壽命的微型燃?xì)廨啓C(jī)面臨空氣動(dòng)壓軸承技術(shù)、高效緊湊式回?zé)崞骷夹g(shù)、離心壓縮葉輪與向心渦輪技術(shù)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),本項(xiàng)成果針對(duì)微燃機(jī)關(guān)鍵技術(shù)提供了解決方案,可以解決微燃機(jī)國(guó)產(chǎn)化的難題。

2. 解決方案

本項(xiàng)成果覆蓋了微燃機(jī)研發(fā)的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),核心包括:

1)ODT_SCPL軟件V1.0(軟件著作權(quán))

2)一種適用光學(xué)診斷的預(yù)混氣體旋流燃燒試驗(yàn)裝置及方法(發(fā)明專利申請(qǐng))

3)空氣動(dòng)壓軸承技術(shù)(非專利技術(shù))

4)高效緊湊式回?zé)崞骷夹g(shù)(非專利技術(shù))

5)微燃機(jī)離心壓縮葉輪與向心渦輪技術(shù)(非專利技術(shù))

基于本項(xiàng)成果研制的微型燃?xì)廨啓C(jī),其產(chǎn)品性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,以30kW微燃機(jī)為例,發(fā)電效率達(dá)22%,熱電聯(lián)供綜合效率80%,具有極高的可靠性、超長(zhǎng)使用壽命、低維護(hù)成本和超低排放,能適用多種應(yīng)用場(chǎng)景。

合作需求

(1)場(chǎng)地需求:200平米辦公場(chǎng)地,1000平米試驗(yàn)場(chǎng)地用于微燃機(jī)的部件研發(fā)測(cè)試和整機(jī)試驗(yàn)測(cè)試。

(2)團(tuán)隊(duì)需求:初期擬組建一支包含10人左右的技術(shù)研發(fā)核心團(tuán)隊(duì)和10名左右具有燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)的工程師團(tuán)隊(duì)。

(3)尋找應(yīng)用場(chǎng)景:由于微型燃?xì)廨啓C(jī)在我國(guó)的起步較晚,目前應(yīng)用較少,需尋找和挖掘微型燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用場(chǎng)景,比如:有獨(dú)立供電或冷熱電需求的學(xué)校、商超、醫(yī)院、數(shù)據(jù)中心等,有摻氫/純氫等可再生能源發(fā)電需求的分布式能源場(chǎng)景,有汽車增程/輔電需求的汽車制造商,以及有野外用電需求的野戰(zhàn)部隊(duì)等。

應(yīng)用范圍:

(1)面向分布式能源領(lǐng)域:作為工業(yè)園區(qū)、醫(yī)院商超、數(shù)據(jù)中心等場(chǎng)景的輔助/獨(dú)立供電,或冷熱電聯(lián)供系統(tǒng),也可以作為備用發(fā)電裝置。

(2)面向移動(dòng)應(yīng)急發(fā)電領(lǐng)域:作為移動(dòng)/應(yīng)急電源,服務(wù)于包括救災(zāi)搶險(xiǎn)、野外工程作業(yè)、施工供電等需要提供臨時(shí)電力的場(chǎng)景,以及洗浴熱水/炊事等熱電聯(lián)供系統(tǒng)、野戰(zhàn)廂型發(fā)電車等。

(3)面向新能源利用領(lǐng)域:作為儲(chǔ)能調(diào)峰,實(shí)現(xiàn)氫能發(fā)電上網(wǎng),解決新能源消納和電網(wǎng)波動(dòng)問(wèn)題,以及與高溫燃料電池組成聯(lián)合供能系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)能量的高效利用。

(4)面向交通運(yùn)輸/增程動(dòng)力領(lǐng)域:作為車輛增程動(dòng)力或輔電裝置,包括客車、乘用車、商用車等,或作為中小型無(wú)人機(jī)、船舶等動(dòng)力裝置。

智研咨詢發(fā)布的《2020-2026年中國(guó)微型燃?xì)廨啓C(jī)行業(yè)投資潛力分析及市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示:截止2018年我國(guó)微型燃?xì)廨啓C(jī)市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)達(dá)到5.7億元,未來(lái)我國(guó)微型燃?xì)廨啓C(jī)市場(chǎng)將會(huì)繼續(xù)保持快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),預(yù)計(jì)到2025年行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到29.26億元。

項(xiàng)目階段:

(1)技術(shù)放大與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)

首先完成30kW微型燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)制造,推進(jìn)微燃機(jī)國(guó)產(chǎn)化。在燃油微燃機(jī)的基礎(chǔ)上,對(duì)燃燒室進(jìn)行改型設(shè)計(jì),開(kāi)發(fā)適用于天然氣的微燃機(jī)產(chǎn)品和冷熱電聯(lián)供系統(tǒng),推進(jìn)分布式能源領(lǐng)域的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上通過(guò)改進(jìn)燃燒室設(shè)計(jì),推出適用于工業(yè)伴生氣和低熱值生物質(zhì)氣的微燃機(jī);同時(shí)開(kāi)展摻氫和純氫微燃機(jī)的研發(fā)工作,推出摻氫和純氫的微燃機(jī)產(chǎn)品,并進(jìn)一步開(kāi)發(fā)燃料電池-微燃機(jī)聯(lián)合供能系統(tǒng)。

(2)市場(chǎng)開(kāi)發(fā)計(jì)劃

2年內(nèi)完成主要研發(fā)工作,打通微型燃?xì)廨啓C(jī)市場(chǎng)的營(yíng)銷渠道,實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)銷售;5年內(nèi)形成產(chǎn)品體系,完成量產(chǎn)工作,并實(shí)現(xiàn)盈利;10年內(nèi)占領(lǐng)國(guó)內(nèi)主要微燃機(jī)市場(chǎng),全面參與并引領(lǐng)新能源綜合利用開(kāi)發(fā)。

效益分析:

目前,我國(guó)市場(chǎng)上商業(yè)化應(yīng)用的微燃機(jī)均來(lái)自進(jìn)口,主要為美國(guó)Capstone公司的產(chǎn)品。該公司微燃機(jī)銷售占據(jù)全球超過(guò)80%的市場(chǎng)份額。基于本技術(shù)成果開(kāi)發(fā)的微燃機(jī)在性能方面可比肩國(guó)外已有產(chǎn)品,有望打破國(guó)外壟斷,實(shí)現(xiàn)微燃機(jī)的完全國(guó)產(chǎn)化和低成本替代。

我國(guó)微型燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)處于起步階段,國(guó)內(nèi)各公司和各科研機(jī)構(gòu)已有多款不同功率的微燃機(jī)產(chǎn)品處在研發(fā)階段。清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)在微燃機(jī)的研發(fā)上處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位,本技術(shù)成果自2018年以來(lái)通過(guò)自主研發(fā),已完成離心壓縮葉輪與向心渦輪設(shè)計(jì)技術(shù)、高效緊湊型回?zé)崞骷夹g(shù)、空氣動(dòng)壓軸承技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)攻堅(jiān),并已完成30kW微燃機(jī)工程樣機(jī)的研制,技術(shù)成熟度達(dá)到7級(jí)。

氫能在未來(lái)能源行業(yè)有極為廣闊的應(yīng)用前景,全球主要燃機(jī)廠商正在加緊研發(fā)摻氫/純氫燃機(jī),其中先進(jìn)高富氫燃料燃燒室的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵核心技術(shù)。依托于清華大學(xué)噴霧燃燒與推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室,團(tuán)隊(duì)在氫氣燃燒理論與工程應(yīng)用方面有超過(guò)10年的研發(fā)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),特別是在氫氣直接射流及旋流噴射、預(yù)混燃燒、火焰穩(wěn)定等方面成果豐碩,并具備國(guó)際先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)條件與高精度數(shù)值模擬能力,為摻氫/純氫微燃機(jī)的研發(fā)提供了充足的技術(shù)和人才儲(chǔ)備。

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