1、2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 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，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。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容量：轴上的净输出功率小于200kW，不同的工程设计人，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以上的发动机，但一般的严格定义均为100
2、kW以下。以下。简单的循环周期：单级压缩机和单级涡轮。简单的循环周期：单级压缩机和单级涡轮。一、一、单轴微型涡轮发动机单轴微型涡轮发动机 现代的微型涡轮发电机除了具有低污染排放的特点外，还具现代的微型涡轮发电机除了具有低污染排放的特点外，还具有下述有下述4个方面的特点：个方面的特点：压缩比：一般为压缩比：一般为3:14:1。转子：驱动轴很短，一端装设发电机，中间为轴承。转子：驱动轴很短，一端装设发电机，中间为轴承。Capstone、Elliott和和Honeywell等公司已开发了数种额定容量等公司已开发了数种额定容量为为20150kW的单轴涡轮发动机。的单轴涡轮发动机。微型涡轮发动机最紧凑的
3、流程为具有环行燃烧室的环绕回流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。换热器，流程的配置取决于具体的应用。2022年7月26日星期二2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 表表2-1 微型涡轮发动机的技术参数微型涡轮发动机的技术参数制造商制造商转速转速/(kr/min)额定功率额定功率/kW效率效率(%)余热利用余热利用Capstone309628有有Elliott1164517无无Honeywell757530有有2022年7月26日星期二2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 优化设计的微型涡轮发动机具有涡轮压缩机，其喷嘴只有数优
4、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英寸，转速在额定功率时为60100kr/min，类似于小型的涡，类似于小型的涡轮增压器。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：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。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。废气的排放水平。天然气的注入方法和它们的安全性。天然气的注入方法和它们的安全
5、性。轴的动力学特性和轴承的设计。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。回流换热器的可靠性、效率和成本。微型涡轮发动机主要的设计特征是使用了辐流式压缩机和膨微型涡轮发动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级轴流式级轴流式压缩机相比，单级辐流式压缩机的压缩比一般为压缩机相比，单级辐流式压缩机的压缩比一般为3:1或或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。计相当复杂。2022年7月26日星期二2-1 2
6、-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 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，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。必须首先对输出电压整流，再逆变为工频交流电。1.设计特点设计特点 微型涡轮发动机的主要原动力由布雷顿循环微型涡轮发动机的主要原动力由布雷顿循环(Brayton Cycle)或称为等压循环产生，有些具有回流
7、换热器，有些没有。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：放，主要是因为受到下述因素影响：表面积表面积/体积随燃烧室体积随燃烧室的大小而变化；的大小而变化；室壁淬火的影响；室壁淬火的影响；燃料流量较低，只能燃料流量较低，只能使用较少的喷嘴和节流面积；使用较少的喷嘴和节流面积；漏泄间隙的增加等。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燃烧室尺寸的关键参数可定义为热释放率(HRR)，即，即 压缩比基本体积低位热值燃料流量HRR 较低的较低的
8、HRR可增加滞留时间，有益于减少可增加滞留时间，有益于减少CO的排放。的排放。2022年7月26日星期二2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 接触反应式燃烧室可取得较高的接触反应式燃烧室可取得较高的HRR，为完成燃料的氧化，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的燃烧室空它们需要某种形式的预燃烧室和额外的后阶段的燃烧室空间，总的燃烧室容积与常规的燃料喷射燃烧炉类似。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作
9、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压力一般为34atm。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，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。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。需要相当大的表面积
10、。若将回流换热器的压力适当降低若将回流换热器的压力适当降低4%5%，并采用一般的表，并采用一般的表面结构，则其重量和成本与其效率面结构，则其重量和成本与其效率之间的关系如下：之间的关系如下：1气流重量1气流成本2022年7月26日星期二2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 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。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。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将小型的涡轮发动机与高速
11、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、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。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，避免了采用专门的起动电动机和专门速起动或点火速度，避免了采用
12、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。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与转子转速和转子体积之间的关系如下：如下：KFnLDP/ss22022年7月26日星期二2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 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。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微型涡轮发电机的效率和输出电
13、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。的函数。2022年7月26日星期二2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 涡轮转子合金的断裂应力和低循环疲劳强度的限制、工作循涡轮转子合金的断裂应力和低循环疲劳强度的限制、工作循环和转子冷却方式的选择决定了涡轮入口的温度。环和转子冷却方式的选择决定了涡轮入口的温度。回流换热器基质材料的寿命决定了回流换热器进气温度。压回流换热器基质材料的寿命决定了回流换热器进气温度。压缩比率取决于压缩机类型和所使用的材料。缩比率取决于压缩机类型和所使用的材料。下述技术参数
14、可应用于下述技术参数可应用于2.5100kW的微型涡轮发动机：的微型涡轮发动机：压缩比率大于压缩比率大于3.5时对热效率的改善没有任何作用，因此应时对热效率的改善没有任何作用，因此应采用较低压缩比的压缩机和涡轮效率以及对涡轮圆周速度采用较低压缩比的压缩机和涡轮效率以及对涡轮圆周速度的限制。的限制。2.5kW和和5.0kW的微型涡轮发动机，其峰值热效率分别为的微型涡轮发动机，其峰值热效率分别为27%和和25%，大型的涡轮发动机效率可达，大型的涡轮发动机效率可达30%。将回流换热器的效率从将回流换热器的效率从85%增加到增加到90%可使热效率增加可使热效率增加1.9%，但是回流换热器的尺寸和价格将
15、增加，但是回流换热器的尺寸和价格将增加60%。当涡轮接近优化的转速时，热效率基本不变，因此设计时当涡轮接近优化的转速时，热效率基本不变，因此设计时应选择比优化转速低的转速，为将来性能改善留下空间。应选择比优化转速低的转速，为将来性能改善留下空间。功率功率/重量和速度的函数关系以及成本重量和速度的函数关系以及成本/功率和速度函数关系功率和速度函数关系也相对平坦。也相对平坦。2022年7月26日星期二2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 在最终的设计中，还需要进一步分析和综合的内容有：应力、在最终的设计中，还需要进一步分析和综合的内容有：应力、热力学性能、动力学特性等因素。热力学性能、动力
16、学特性等因素。2022年7月26日星期二2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 微型涡轮发电机经常不是满负荷运行，设计人员、经济分析微型涡轮发电机经常不是满负荷运行，设计人员、经济分析人员和制造商需了解微型涡轮发电机带部分负载的性能。人员和制造商需了解微型涡轮发电机带部分负载的性能。典型的具有回流换热器的微型涡轮发动机在恒速和可变涡轮典型的具有回流换热器的微型涡轮发动机在恒速和可变涡轮入口温度运行时或在变速和恒定回流换热器入口温度运行时，入口温度运行时或在变速和恒定回流换热器入口温度运行时，带部分负荷的效率曲线图不同，如图所示。带部分负荷的效率曲线图不同，如图所示。变速运行模式提高了带部
17、分负荷时的运行性能，但需要控变速运行模式提高了带部分负荷时的运行性能，但需要控制系统能够测量负荷的变化并优化运行速度，且高循环疲制系统能够测量负荷的变化并优化运行速度，且高循环疲劳故障将增加。劳故障将增加。2022年7月26日星期二2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 二、二、双轴微型涡轮发动机双轴微型涡轮发动机 双轴微型涡轮发动机的设计一般采用金属径向涡轮机组件双轴微型涡轮发动机的设计一般采用金属径向涡轮机组件,使使用坚固的涡轮增压器组件，润滑系统采用增压的润滑油系统，用坚固的涡轮增压器组件，润滑系统采用增压的润滑油系统，运行在相对较低的压缩比，一般为运行在相对较低的压缩比，一般为3
18、:1，使用一级压缩和两级，使用一级压缩和两级涡轮。涡轮。2022年7月26日星期二2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 微型涡轮发动机设计成两个涡轮将具有下述优点：微型涡轮发动机设计成两个涡轮将具有下述优点：引擎寿命长：将发动机的输出功率分配到两个涡轮可降低引擎寿命长：将发动机的输出功率分配到两个涡轮可降低涡轮叶片的应力，进一步采用相对低的压缩比和引擎的涡涡轮叶片的应力，进一步采用相对低的压缩比和引擎的涡轮入口温度可延长涡轮的寿命。轮入口温度可延长涡轮的寿命。可直接输出机械功率：任何旋转的机械部件都可以由电力可直接输出机械功率：任何旋转的机械部件都可以由电力涡轮驱动，因此双轴微型涡轮发
19、动机可以应用于更广泛的涡轮驱动，因此双轴微型涡轮发动机可以应用于更广泛的领域。领域。具有灵活的设计工作点：对于电力涡轮，双轴引擎结构允具有灵活的设计工作点：对于电力涡轮，双轴引擎结构允许设计者更灵活地选择设计的工作点。许设计者更灵活地选择设计的工作点。轴的机械设计简单：与电力涡轮和负荷相关的轴的设计问轴的机械设计简单：与电力涡轮和负荷相关的轴的设计问题与汽化器涡轮轴无关，因此这些简单轴的设计没有单轴题与汽化器涡轮轴无关，因此这些简单轴的设计没有单轴引擎轴的设计复杂，因为后者必须考虑转子的动态特性、引擎轴的设计复杂，因为后者必须考虑转子的动态特性、负载特性以及将所有旋转器件安装在一个轴上所引起的
20、密负载特性以及将所有旋转器件安装在一个轴上所引起的密封的复杂性等因素。封的复杂性等因素。机械的安全性提高：电力涡轮转速的降低减少了系统中旋机械的安全性提高：电力涡轮转速的降低减少了系统中旋转设备发生灾难性故障的危险性。转设备发生灾难性故障的危险性。2022年7月26日星期二2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 良好的转矩良好的转矩/转速特性：由于通过引擎的质量流位于第一级转速特性：由于通过引擎的质量流位于第一级涡轮，对电力涡轮的运行条件没有影响，因此电力涡轮在涡轮，对电力涡轮的运行条件没有影响，因此电力涡轮在低速运行时可输出更大的转矩，改善了引擎处理变化负载低速运行时可输出更大的转矩，
21、改善了引擎处理变化负载和维持运行稳定性的能力。和维持运行稳定性的能力。双轴微型涡轮发动机由于具有可直接驱动机械设备的灵活性，双轴微型涡轮发动机由于具有可直接驱动机械设备的灵活性，故可应用于各个领域。故可应用于各个领域。2022年7月26日星期二2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 微型涡轮发电机输出为高频交流电，需要通过电力电子接口微型涡轮发电机输出为高频交流电，需要通过电力电子接口和控制器将其转换和控制器将其转换50Hz、380V的交流。的交流。三、三、微型涡轮发电机电力电子接口和控制微型涡轮发电机电力电子接口和控制 1.电力电子接口电力电子接口 常用的开关器件：大功率晶体管、绝缘栅
22、双极晶体管常用的开关器件：大功率晶体管、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。等。2022年7月26日星期二2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 大功率的开关器件可以构成不同的拓扑结构，实现所要求的大功率的开关器件可以构成不同的拓扑结构，实现所要求的电能转换功能，如电能转换功能，如DC-DC、AC-DC或或DC-AC等。为了得等。为了得到所要求的输出电压和频率，通常采用脉宽调制技术来改变到所要求的输出电压和频率，通常采用脉宽调制技术来改变晶体管的导通和截止时间。晶体管的导通和截止时间。因为晶体管工作于开关工作状态，转换器的输出波形包含很因为晶体管工作于开关工作状态，转换器的输出波形包含很高频
23、率的谐波分量，因此需要大功率的滤波器滤除高次谐波，高频率的谐波分量，因此需要大功率的滤波器滤除高次谐波，并允许有用的基波电能分量通过。并允许有用的基波电能分量通过。现代电力电子转换器如果采用一阶的电能转换，其转换效率现代电力电子转换器如果采用一阶的电能转换，其转换效率可高达可高达96%(包括了滤波器的损耗包括了滤波器的损耗)。即使可达到非常高的转。即使可达到非常高的转换效率，转换器中的电能损耗也是非常可观的，因此器件的换效率，转换器中的电能损耗也是非常可观的，因此器件的散热是电力电子转换器设计中非常关键的方面。散热是电力电子转换器设计中非常关键的方面。2.数字控制技术数字控制技术 典型的分布式
24、发电系统必须考虑三个方面的控制：典型的分布式发电系统必须考虑三个方面的控制：微观控制：即电力电子转换器中大功率开关的开关控制，微观控制：即电力电子转换器中大功率开关的开关控制，开关控制必须采用高速实时控制，其采样速率为微秒级。开关控制必须采用高速实时控制，其采样速率为微秒级。2022年7月26日星期二2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 宏观控制：即电源、能量存储装置和负载的潮流控制。这宏观控制：即电源、能量存储装置和负载的潮流控制。这方面的控制取决于所采用的特定的发电技术，其采样速率方面的控制取决于所采用的特定的发电技术，其采样速率为毫秒级。为毫秒级。分布式发电系统与外部设备之间的通
25、信控制：先进的分布分布式发电系统与外部设备之间的通信控制：先进的分布式发电系统可提供各种数字通信接口，因此系统可以实现式发电系统可提供各种数字通信接口，因此系统可以实现远程监视和控制。当需要将一定数量的分布式发电系统集远程监视和控制。当需要将一定数量的分布式发电系统集成为较大的发电系统时，远程通信控制是不可少的。成为较大的发电系统时，远程通信控制是不可少的。3.应用应用 并网运行并网运行 电力电子转换和控制器可设计为并网运行工作模式。在这电力电子转换和控制器可设计为并网运行工作模式。在这种模式下，微型涡轮发电机系统跟随电网的电压和频率变种模式下，微型涡轮发电机系统跟随电网的电压和频率变化，可等
26、效为可控的电流源。化，可等效为可控的电流源。并网工作时微型涡轮发电机主要起负荷跟踪和削峰填谷的并网工作时微型涡轮发电机主要起负荷跟踪和削峰填谷的作用。并网分布式发电系统包括同步、继电保护和反孤岛作用。并网分布式发电系统包括同步、继电保护和反孤岛等。为将微型涡轮发电机系统与电网安全可靠地连接，可等。为将微型涡轮发电机系统与电网安全可靠地连接，可将上述功能直接集成在电力电子转换和控制器中。将上述功能直接集成在电力电子转换和控制器中。2022年7月26日星期二2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 分布式发电系统中电力电子转换和控制器的另一个作用是分布式发电系统中电力电子转换和控制器的另一个作
27、用是在不需要任何外部设备前提下，改善供电质量。在不需要任何外部设备前提下，改善供电质量。单机运行单机运行 电力电子转换和控制器可以设计为单机运行工作模式，当电力电子转换和控制器可以设计为单机运行工作模式，当系统在这种模式下运行时，整个系统相当于一个电压源，系统在这种模式下运行时，整个系统相当于一个电压源，输出电流由负载的需要确定。输出电流由负载的需要确定。双模式运行：电力电子转换器既可工作于并网运行模式，也双模式运行：电力电子转换器既可工作于并网运行模式，也可工作于单机运行模式，还可设计成在上述两个工作模式之可工作于单机运行模式，还可设计成在上述两个工作模式之间自动切换。间自动切换。多机运行：
28、为将分布式发电系统构成一个较大的电力系统，多机运行：为将分布式发电系统构成一个较大的电力系统，电力电子转换器可设计为与其他分布式发电系统并联运行的电力电子转换器可设计为与其他分布式发电系统并联运行的工作模式，这一功能可直接在系统中设置，而不需要任何其工作模式，这一功能可直接在系统中设置，而不需要任何其他的同步设备。他的同步设备。可变燃料运行模式：最先进的电力电子转换器允许分布式发可变燃料运行模式：最先进的电力电子转换器允许分布式发电能在很宽的燃料范围运行，因为数字控制软件的灵活性和电能在很宽的燃料范围运行，因为数字控制软件的灵活性和适应性使得不需要对硬件作较大的改变即可实现此功能。适应性使得不
29、需要对硬件作较大的改变即可实现此功能。2022年7月26日星期二2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 先进的离心式压缩机叶片装置可采用直排式元件，这些直排先进的离心式压缩机叶片装置可采用直排式元件，这些直排式元件的安排可形成称为直纹曲面的三维叶片形状。采用此式元件的安排可形成称为直纹曲面的三维叶片形状。采用此方法可创建相当复杂的曲面，并可得到很好的设计效果。采方法可创建相当复杂的曲面，并可得到很好的设计效果。采用三维计算流体动力学等新技术，使得设计工作者能够定义用三维计算流体动力学等新技术，使得设计工作者能够定义更复杂的叶片形状，为改善系统的性能提供了更好的机会。更复杂的叶片形状，为改
30、善系统的性能提供了更好的机会。四、四、微型涡轮发动机性能改善微型涡轮发动机性能改善 1.涡轮机组的性能涡轮机组的性能 若微型涡轮发动机采用离心式压缩机，转速的标幺值为若微型涡轮发动机采用离心式压缩机，转速的标幺值为0.71.0，则某些种类的压缩机可得到，则某些种类的压缩机可得到87%89%的效率。的效率。微型涡轮发动机中，压缩机效率一般仅能达到稍低于微型涡轮发动机中，压缩机效率一般仅能达到稍低于80。微型涡轮发动机中的压缩机尺寸较小，其直径只有数英寸，微型涡轮发动机中的压缩机尺寸较小，其直径只有数英寸，由于雷诺数效应引入了空气动力学方面的限制、由于轴承由于雷诺数效应引入了空气动力学方面的限制、
31、由于轴承加工时的实际限制使得间隙比相对较大等限制了压缩机的加工时的实际限制使得间隙比相对较大等限制了压缩机的效率。效率。为满足市场价格要求，成本的限制也强加到微型涡轮发动为满足市场价格要求，成本的限制也强加到微型涡轮发动机中，使得设计人员必须采用高容量机中，使得设计人员必须采用高容量/低成本的制造技术。低成本的制造技术。2022年7月26日星期二2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 2.引擎运行条件引擎运行条件 提高微型涡轮发动机效率的一个方法是使涡轮机组工作于更提高微型涡轮发动机效率的一个方法是使涡轮机组工作于更能发挥其性能的运行条件，如更高压缩比或涡轮入口温度。能发挥其性能的运行条
32、件，如更高压缩比或涡轮入口温度。2022年7月26日星期二 微型涡轮发动机运行在高压缩比时需要燃料的喷射压力高，微型涡轮发动机运行在高压缩比时需要燃料的喷射压力高，因此需要燃料气体增压器，从而使得附加的功率损耗增加。因此需要燃料气体增压器，从而使得附加的功率损耗增加。2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 严格的成本约束使得人们只能使用金属部件，并且不能使用严格的成本约束使得人们只能使用金属部件，并且不能使用昂贵的燃气涡轮引擎所使用的技术，如空气冷却叶片。昂贵的燃气涡轮引擎所使用的技术，如空气冷却叶片。增加系统的压缩比会增加系统的应力。当要求提高系统效率增加系统的压缩比会增加系统的应力。
33、当要求提高系统效率同时又提高压缩比和温度时，将使引擎的寿命进一步缩短。同时又提高压缩比和温度时，将使引擎的寿命进一步缩短。3.余热回收余热回收 提高引擎效率提高引擎效率最有效的方法最有效的方法是通过回热器是通过回热器或回流换热器或回流换热器作为引擎循环作为引擎循环的一部分将微的一部分将微型涡轮发动机型涡轮发动机排放的热能回排放的热能回收利用。收利用。2022年7月26日星期二2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 回流换热器效率的不同对性能会有不同的影响。回流换热器效率的不同对性能会有不同的影响。回流换热器效率为回流换热器效率为91时的效率图时的效率图 2022年7月26日星期二2-1
34、2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 回流换热器效率为回流换热器效率为85时的效率图时的效率图 若要得到更高的效率，意味着回流换热器需要更大的表面积，若要得到更高的效率，意味着回流换热器需要更大的表面积，因此重量和体积将更大。因此重量和体积将更大。2022年7月26日星期二2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 兰金循环是指通过加热液体使其气化生成气体，并利用气体兰金循环是指通过加热液体使其气化生成气体，并利用气体做功，再通过冷凝器将气体冷却为液体的热力循环。做功，再通过冷凝器将气体冷却为液体的热力循环。五、五、兰金循环微型涡轮发动机兰金循环微型涡轮发动机 最简单的兰金循环原理如图所示，
35、由锅炉，涡轮，冷凝器和最简单的兰金循环原理如图所示，由锅炉，涡轮，冷凝器和循环供给泵等组成。热能传送到锅炉中的液体，为涡轮产生循环供给泵等组成。热能传送到锅炉中的液体，为涡轮产生饱和的或过热的气体，低密度的气体通过冷凝器冷却为液体，饱和的或过热的气体，低密度的气体通过冷凝器冷却为液体，然后通过循环供给泵对液体加压并回送到锅炉，从而完成整然后通过循环供给泵对液体加压并回送到锅炉，从而完成整个循环。个循环。2022年7月26日星期二2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 在分布式发电市场，兰金循环发动机可以用来改善涡轮发动在分布式发电市场，兰金循环发动机可以用来改善涡轮发动机和往复发动机的运
36、行成本。机和往复发动机的运行成本。1.工作流体工作流体 由于水蒸发时吸收大量的热能，并具有良好的传输特性和广由于水蒸发时吸收大量的热能，并具有良好的传输特性和广泛的有效性，因此在高温兰金循环系统中，水为主要的工作泛的有效性，因此在高温兰金循环系统中，水为主要的工作流体。流体。在余热回收应用的低温热源兰金循环中，由于水的蒸发需要在余热回收应用的低温热源兰金循环中，由于水的蒸发需要大量的热能，使得沸腾温度低，并且循环效率也很低。因此大量的热能，使得沸腾温度低，并且循环效率也很低。因此在低温热源兰金循环中，一般采用有机流体而不采用水。在低温热源兰金循环中，一般采用有机流体而不采用水。设计低温有机流体
37、兰金循环时必须考虑流体的特性，如热分设计低温有机流体兰金循环时必须考虑流体的特性，如热分解限制、可燃性、成本以及有效性等。解限制、可燃性、成本以及有效性等。2.兰金循环发动机的性能兰金循环发动机的性能 热源和吸热设备的温度影响兰金循环的效率，当系统热源温热源和吸热设备的温度影响兰金循环的效率，当系统热源温度为度为90时有机流体兰金循环发动机的效率为时有机流体兰金循环发动机的效率为7%10%，当，当温度为温度为315650时，效率为时，效率为25%30%。2022年7月26日星期二2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 根据下图给出的循环效率信息，可估计出低温有机流体兰金根据下图给出的循环
38、效率信息，可估计出低温有机流体兰金循环发动机的输出功率。循环发动机的输出功率。3.兰金循环发动机制造费用兰金循环发动机制造费用 废热回收的兰金循环发电系统的制造费用的变化非常高，这废热回收的兰金循环发电系统的制造费用的变化非常高，这一变化主要取决于输出电功率的大小、产品的数量、有效的一变化主要取决于输出电功率的大小、产品的数量、有效的温度范围以及热交换的需要等因素。温度范围以及热交换的需要等因素。2022年7月26日星期二2-2 2-2 光伏发电光伏发电 光伏发电系统直接将太阳能转换为电能，光伏发电装置由半光伏发电系统直接将太阳能转换为电能，光伏发电装置由半导体器件组成，设计简单，坚固耐用，基
39、本上不需要维护。导体器件组成，设计简单，坚固耐用，基本上不需要维护。一、一、光伏电池原理光伏电池原理 用适当波长的光照射到半导体系统上时，系统吸收光能后两用适当波长的光照射到半导体系统上时，系统吸收光能后两瑞产生电动势，这种现象称为光生伏特效应。瑞产生电动势，这种现象称为光生伏特效应。p-n结的光生伏特效应结的光生伏特效应 光照产生的非平衡载流光照产生的非平衡载流子各向相反方向漂移，子各向相反方向漂移，在内部构成自在内部构成自n区流向区流向p区的光生电流，在区的光生电流，在p-n结短路情况下构成短路结短路情况下构成短路电流密度。电流密度。在在p-n结开路情况下，结开路情况下，p-n结两端建立起
40、光生电势差，即开路结两端建立起光生电势差，即开路电压。电压。将将p-n结与外电路接通，只要光照不停止，就会不断地有电流结与外电路接通，只要光照不停止，就会不断地有电流流过电路，流过电路，p-n结起了电源的作用。结起了电源的作用。2022年7月26日星期二2-2 2-2 光伏发电光伏发电 太阳能电池的电流和功率特性太阳能电池的电流和功率特性 LLLUIP 为使太阳能电池的输出功率达到最大，不论外界环境如何为使太阳能电池的输出功率达到最大，不论外界环境如何变化，必须使其运行在这一最大功率点变化，必须使其运行在这一最大功率点。可采用电子控制器实时地调节可采用电子控制器实时地调节PV电池运行电压等于最
41、大功电池运行电压等于最大功率点的电压来实现最大功率点跟踪。率点的电压来实现最大功率点跟踪。2022年7月26日星期二2-2 2-2 光伏发电光伏发电 受太阳辐射和负载大小影响的受太阳辐射和负载大小影响的PV电池的电压电池的电压-电流特性电流特性 电池的温度影响太阳能电池的温度影响太阳能电池的性能，随着温度电池的性能，随着温度的增高，其输出电压和的增高，其输出电压和功率将线性减小，因此功率将线性减小，因此PV电池最好运行在太电池最好运行在太阳辐照度高，气温较低阳辐照度高，气温较低的时候。的时候。不同太阳辐射情况下，不同太阳辐射情况下，最大功率点的电压基本最大功率点的电压基本上相同，与电池受到的上
42、相同，与电池受到的辐照度无关。辐照度无关。2022年7月26日星期二2-2 2-2 光伏发电光伏发电 二、二、PV电池等效电路电池等效电路IL：光能产生的电流；：光能产生的电流；Id：二极管电流；：二极管电流；Ish：旁路漏电流；：旁路漏电流；串联等效电阻串联等效电阻Rs表示电池中对电流的阻碍作用，其数值取决于表示电池中对电流的阻碍作用，其数值取决于p-n结深度、半导体材料的纯度和接触电阻；结深度、半导体材料的纯度和接触电阻；旁路电阻旁路电阻Rsh与电池对地的泄漏电流成反比。与电池对地的泄漏电流成反比。常规的高质量的常规的高质量的PV电池，一平方英寸的硅电池其电池，一平方英寸的硅电池其Rs在在
43、0.05到到0.10之间，之间，Rsh在在200到到300之间。之间。PV电池转换效率对电池转换效率对Rs的变化非常灵敏，而对的变化非常灵敏，而对Rsh的变化不灵的变化不灵敏，当敏，当Rs的值少量增加时，的值少量增加时，PV电池的输出电能将显著减小。电池的输出电能将显著减小。二极管电流可采用常规的二极管电流计算公式计算：二极管电流可采用常规的二极管电流计算公式计算：1AKTQUDdoceIIID为二极管饱和电流；为二极管饱和电流；Uoc为开路电压；为开路电压；Q为电子电量；为电子电量；A为曲线拟合常数；为曲线拟合常数；K为波尔兹曼常数；为波尔兹曼常数；T为绝对温度。为绝对温度。2022年7月2
44、6日星期二2-2 2-2 光伏发电光伏发电 负载电流：负载电流：shocAKTQUDLRUeIIIoc1 实际的实际的PV电池，电池，Ish与与IL和和ID相比非常小，可以忽略。相比非常小，可以忽略。在黑暗条件下，将电压在黑暗条件下，将电压Uoc加到电池两端，并测量流入电池的加到电池两端，并测量流入电池的电流即可求得二极管饱和电流，因此该电流常称为黑暗电流电流即可求得二极管饱和电流，因此该电流常称为黑暗电流或反向二极管电流。或反向二极管电流。描述描述PV电池性能的两个最重要和最常用的参数是开路电压电池性能的两个最重要和最常用的参数是开路电压Uoc和短路电流和短路电流ISC。在满照度的条件下，将
45、在满照度的条件下，将PV电池的输出端短路测量得到的电流电池的输出端短路测量得到的电流即为短路电流。即为短路电流。在在PV电池开路的情况下，得到的最大光电压即为开路电压。电池开路的情况下，得到的最大光电压即为开路电压。1logDLnocIIQAKTU忽略旁路电流。忽略旁路电流。开路电压具有负的温度系数。开路电压具有负的温度系数。2022年7月26日星期二2-2 2-2 光伏发电光伏发电 PV电池的电气特性一般采用电流电池的电气特性一般采用电流-电压电压(i-v)曲线表示。曲线表示。左边阴影区，电池工作于理左边阴影区，电池工作于理想电流源工作状态，其输出想电流源工作状态，其输出电压取决于负载电阻；
46、电压取决于负载电阻；右边工作区，当电压少量增右边工作区，当电压少量增加时，将引起输出电流急剧加时，将引起输出电流急剧增加。在此区域，电池相当增加。在此区域，电池相当于具有内阻的电压源。于具有内阻的电压源。在两个阴影区域的中间部分，在两个阴影区域的中间部分，i-v曲线有一个转折点。曲线有一个转折点。PV电池的输出功率为其输出电压和电流的乘积。电池的输出功率为其输出电压和电流的乘积。当输出电压处于当输出电压处于i-v曲线的转折点时，输出功曲线的转折点时，输出功率达到最大。率达到最大。PV电池的电路应工作于靠近电池的电路应工作于靠近i-v曲线的转折点曲线的转折点的左边。的左边。在分析系统的电气特性时
47、，可将在分析系统的电气特性时，可将PV电池等效电池等效为近似理想电流源的模型。为近似理想电流源的模型。2022年7月26日星期二2-2 2-2 光伏发电光伏发电 光照为光照为2流明，空气质量为流明，空气质量为2.5时，时，22瓦的瓦的PV电池的电池的i-v特性：特性：定义外太空的空气质量为定义外太空的空气质量为0，太阳辐射可达，太阳辐射可达1350瓦瓦/平方米。平方米。当空气质量为当空气质量为1时为纯净的空气且在中午的时候，可将其定义时为纯净的空气且在中午的时候，可将其定义为地面的理想条件，太阳光经很小的阻挡达到地面。为地面的理想条件，太阳光经很小的阻挡达到地面。一般的白天，空气质量为一般的白
48、天，空气质量为1.5，可定义为空气质量的参考值。，可定义为空气质量的参考值。2022年7月26日星期二2-2 2-2 光伏发电光伏发电 PV电池的光电转换效率：电池的光电转换效率：太阳光撞击电池的功率电功率三、三、PV电池阵列设计电池阵列设计 影响影响PV电池阵列设计的主要因素如下：电池阵列设计的主要因素如下：太阳光强。太阳光强。太阳的入射角度。太阳的入射角度。最大功率的负荷匹配。最大功率的负荷匹配。PV电池阵列的运行工作温度。电池阵列的运行工作温度。1.太阳光强度太阳光强度 当太阳辐射处于全照度当太阳辐射处于全照度(1.0太阳太阳辐射辐射)情况下，情况下，PV电池产生的光电池产生的光电流将达
49、到最大值，而在多云的电流将达到最大值，而在多云的天气，光电流将随太阳光强成比天气，光电流将随太阳光强成比例地减小。例地减小。2022年7月26日星期二2-2 2-2 光伏发电光伏发电 实际工作情况下，实际工作情况下，PV电池的转换效率对太阳辐射的强度变化电池的转换效率对太阳辐射的强度变化不灵敏。不灵敏。2.太阳入射角太阳入射角 光伏电池的输出电流可由下式表示：光伏电池的输出电流可由下式表示：cos0II 太阳入射角在太阳入射角在050之间，电流之间，电流I与与之间的余弦关系能够很之间的余弦关系能够很好地满足，超过好地满足，超过50，输出电流与太阳入射角之间的关系将显，输出电流与太阳入射角之间的
50、关系将显著地偏离余弦函数关系，超过著地偏离余弦函数关系，超过85，光电池将不能输出电能。，光电池将不能输出电能。2022年7月26日星期二2-2 2-2 光伏发电光伏发电 表表2-3 硅太阳能电池的光电电流凯利余弦函数值硅太阳能电池的光电电流凯利余弦函数值太阳入射角太阳入射角余弦函数值余弦函数值凯利余弦函数值凯利余弦函数值300.8660.866500.6430.635600.5000.450800.1740.100850.0870.0002022年7月26日星期二2-2 2-2 光伏发电光伏发电 3.阴影的影响阴影的影响 PV电池阵列可由光电池串联成组然后并联组成电池阵列可由光电池串联成组然
