教師：電話：郵箱:新能源類專業(yè)能量轉化與存儲原理能量轉化與存儲原理第4章熱能轉換原理與過程動力循環(huán)理論4.14.2熱能與電能轉換4.3熱能的梯級利用1.動力循環(huán)理論動力循環(huán)是指在熱源和冷源的作用下對工質進行一系列的熱力學過程，將熱能轉化為機械能。動力循環(huán)是熱力學規(guī)則的基本應用。4.1.1循環(huán)的概念我們把工質從某一初始狀態(tài)，經(jīng)歷一系列狀態(tài)變化，最后又回復到1按照效果的不同和進行方向的不同，還可以將循環(huán)分為正向循環(huán)和逆向循環(huán)。如果循環(huán)產(chǎn)生的總效果，是將熱能變?yōu)闄C械能則稱為正向循環(huán)通常將正向循環(huán)所做的循環(huán)凈功與工質從高溫熱源吸收的熱量之比，稱為循環(huán)熱效率將機械能轉化為熱能，并使熱量從低溫物體傳到高溫物體，這種循環(huán)稱為逆向循環(huán)4.1動力循環(huán)理論4.1.2卡諾循環(huán)

卡諾循環(huán)是熱能利用的理論基礎，它描述了理想熱機循環(huán)的最高效率上限，為提升能源利用效率和減少浪費提供了關鍵依據(jù)。4.1動力循環(huán)理論4.1.2卡諾循環(huán)①卡諾循環(huán)熱效率僅取決于高、低溫熱源溫度（T?、T?），與工質無關。提高T?或降低T?均可提升效率。

②熱效率恒小于1（因T?≠∞、T?≠0），表明熱機無法將熱量完全轉化為機械能，必有熱損失。

③若T?=T?，效率為零，可證明單一熱源的熱機不可能存在，利用熱能產(chǎn)生動力必須存在溫差。卡諾循環(huán)效率的結論：思考：如何證明在給定的溫度界限內，所有動力循環(huán)中以卡諾循環(huán)熱效率最高？

根據(jù)上述過程，卡諾循環(huán)熱效率可寫為：4.1動力循環(huán)理論4.1.2卡諾循環(huán)—卡諾定理定理一：在兩個恒溫熱源之間工作的一切可逆熱機具有相同的熱效率，其熱效率等于在同樣熱源間工作的卡諾循環(huán)熱效率，與工質的性質無關。

證明：4.1動力循環(huán)理論證明：4.1動力循環(huán)理論4.1.2卡諾循環(huán)—卡諾定理定理二：在兩個恒溫熱源之間工作的任何不可逆熱機的熱效率都小于可逆熱機的效率。

2.熱能與電能轉換傳統(tǒng)上包括蒸汽動力循環(huán)和燃氣動力循環(huán)；新型熱功過程和非熱功過程主要包括超臨界二氧化碳循環(huán)、有機朗肯循環(huán)，熱電半導體和熱光伏電池等。傳統(tǒng)熱能-電能轉換：蒸汽與燃氣動力循環(huán)蒸汽動力循環(huán)：以水為工質，通過燃料燃燒加熱水產(chǎn)生高壓蒸汽，推動汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電，廣泛應用于火電廠。燃氣動力循環(huán)：以燃氣為工質，燃料與空氣在燃燒室燃燒產(chǎn)生高溫高壓燃氣，直接推動燃氣輪機帶動發(fā)電機，啟動快、效率高，用于燃氣電站、航空領域。4.2熱能與電能轉換新型轉換技術：熱功與非熱功過程創(chuàng)新熱工過程：超臨界二氧化碳循環(huán)以超臨界CO?為工質，密度大、傳熱效率高，適用于光熱發(fā)電、核能領域，循環(huán)效率優(yōu)于傳統(tǒng)循環(huán)。有機朗肯循環(huán)采用低沸點有機工質，可利用中低溫熱能（工業(yè)余熱、地熱能）發(fā)電，環(huán)保高效，拓寬熱能利用范圍。非熱工過程：熱電半導體基于塞貝克效應，溫度差驅動不同材料回路產(chǎn)生電流，無運動部件，適用于小功率發(fā)電場景。熱光伏電池先將熱能轉化為光能，再通過光伏效應轉化為電能，適用于高溫余熱回收、深空探測等特殊領域。4.2熱能與電能轉換核心目標：將熱能高效地轉化為機械能→電能?；咎卣鳎阂运魵鉃楣べ|的理想熱力學循環(huán)。是現(xiàn)代蒸汽動力裝置（如火力發(fā)電廠）的理論基礎。由水泵、鍋爐、汽輪機、冷凝器組成。朗肯循環(huán)圖4-5朗肯循環(huán)流程圖4.2.1蒸汽動力循環(huán)4.2熱能與電能轉換3-4等熵壓縮：在水泵中水被壓縮升壓，忽略水泵散熱，近似等熵壓縮過程。4-1等壓吸熱：水在鍋爐中被加熱的過程，是一個不可逆加熱過程。1-2等熵膨脹：蒸汽在汽輪機中膨脹，不考慮摩擦等，近似等熵膨脹過程。2-3等壓放熱：蒸汽在冷凝器中被冷卻成飽和水。朗肯循環(huán)的工作過程與T-s圖圖4-5朗肯循環(huán)流程圖圖4-6朗肯循環(huán)的T-s圖，h-s圖4.2.1蒸汽動力循環(huán)4.2熱能與電能轉換在蒸汽發(fā)生器內的定壓吸熱過程4-5-1中，工質吸入熱量：理想朗肯循環(huán)的熱效率Sm451nm表示T-s圖上面積m-4-5-1-n-m（后類似）蒸汽在汽輪機內所做的理論功：乏汽在冷凝器內向循環(huán)冷卻水放出的熱量：圖4-7理想朗肯循環(huán)熱效率分析4.2.1蒸汽動力循環(huán)4.2熱能與電能轉換在絕熱壓縮過程3-4中，水泵消耗的功：理想朗肯循環(huán)的熱效率整個循環(huán)中工質完成的凈功：則循環(huán)有效熱量為：因為w0=q0，故循環(huán)熱效率為：考慮h4≈h3，故近似表達式：4.2.1蒸汽動力循環(huán)4.2熱能與電能轉換運行參數(shù)對熱效率的影響蒸發(fā)溫度提高，平均吸熱溫度提高，循環(huán)平均溫差增大，熱效率提高。蒸發(fā)壓力提高，平均吸熱溫度提高，循環(huán)平均溫差增大，熱效率提高。冷凝壓力降低，平均放熱溫度降低，循環(huán)平均溫差增大，熱效率提高。4.2.1蒸汽動力循環(huán)4.2熱能與電能轉換朗肯循環(huán)的改進再熱循環(huán)：蒸汽在汽輪機中膨脹一段后，返回鍋爐再加熱，再回汽輪機膨脹做功。提高平均吸熱溫度，提高效率，并保證乏汽干度。回熱循環(huán)：從汽輪機中抽取部分做過功的蒸汽，用來加熱鍋爐給水。減少冷凝器熱損失，提高給水溫度，從而提高平均吸熱溫度和效率。4.2.1蒸汽動力循環(huán)4.2熱能與電能轉換汽輪機（又稱蒸汽透平發(fā)動機）是一種將蒸汽的熱能轉化為機械能的旋轉式動力裝置。其主要部件包括靜止的噴嘴（靜葉）和安裝在轉子上的動葉（葉片）。高溫高壓蒸汽在噴嘴中膨脹加速，形成高速氣流沖擊動葉，推動轉子旋轉并對外輸出機械功。汽輪機具有單機功率大、效率高、運行壽命長等特點，是火力發(fā)電廠的核心設備，同時也廣泛應用于冶金、化工、船舶動力等領域。4.2.1蒸汽動力循環(huán)汽輪機簡介4.2熱能與電能轉換①按結構：單級汽輪機：僅一列噴嘴和一列動葉。多級汽輪機：多個單級串聯(lián)，逐級降壓，充分利用蒸汽能量，控制轉速。速度級（復速級）：蒸汽動能通過多排葉片多次利用，常用于小型或第一級汽輪機。②按工作原理：沖動式汽輪機：蒸汽在葉片中壓力不變，僅靠沖擊力推動轉子。反動式汽輪機：蒸汽在葉片中繼續(xù)膨脹，同時利用沖擊力和反作用力做功。③按熱力特性：主要包括凝汽式、供熱式、背壓式、抽汽式和飽和蒸汽汽輪機等。④其他分類：還可按用途（電站、工業(yè)、船用）、汽缸數(shù)目（單缸、多缸）、蒸汽初壓（低壓至超超臨界）、排列方式（單軸、雙軸）等劃分。汽輪機的分類4.2.1蒸汽動力循環(huán)4.2熱能與電能轉換汽輪機由轉動部分和靜止部分兩個方面組成。轉子包括主軸、葉輪、動葉片和聯(lián)軸器等。靜子包括進汽部分、汽缸、隔板和靜葉柵、汽封及軸承等。汽輪機的具體構造4.2.1蒸汽動力循環(huán)4.2熱能與電能轉換①汽缸汽輪機外殼，用于形成密閉汽室，內部安裝噴嘴、隔板等部件，外部連接蒸汽管道。汽輪機的具體構造4.2.1蒸汽動力循環(huán)4.2熱能與電能轉換②轉子包括主軸、葉輪、動葉片及聯(lián)軸器，通常由合金鋼鍛件精密加工而成，需進行動平衡測試。③聯(lián)軸器聯(lián)軸器用來連接汽輪機各個轉子以及發(fā)電機轉子，并將汽輪機的扭矩傳給發(fā)電機。汽輪機的具體構造4.2.1蒸汽動力循環(huán)4.2熱能與電能轉換④靜葉片固定在隔板上，用于引導和加速蒸汽流。⑤動葉片安裝在葉輪或轉鼓上，將蒸汽動能轉換為機械能，推動轉子旋轉。由葉型、葉根和葉頂構成。汽輪機的具體構造4.2.1蒸汽動力循環(huán)4.2熱能與電能轉換⑥汽封安裝在動靜部件間隙處，防止蒸汽泄漏和空氣侵入，根據(jù)安裝位置分為軸端、隔板和通流部分汽封。⑦軸承軸承是汽輪機一個重要的組成部分，分為徑向支撐軸承和推力軸承兩種類型，它們用來承受轉子的全部重力并且確定轉子在汽缸中的正確位置。汽輪機的具體構造4.2.1蒸汽動力循環(huán)4.2熱能與電能轉換1-2為空氣在壓縮機里的可逆絕熱壓縮過程（等熵）2-3為空氣在燃燒室中的定壓加熱過程3-4為燃氣在燃燒透平中的絕熱膨脹過程（等熵）4-1為乏氣在環(huán)境中的可逆定壓放熱過程

理想布雷頓循環(huán)p-v圖、T-s圖4.2.2燃氣動力循環(huán)布雷頓循環(huán)布雷頓循環(huán)一般是指燃氣輪機循環(huán)，是由絕熱壓縮、等壓加熱、絕熱膨脹和等壓冷卻4個過程組成的熱力循環(huán)。4.2熱能與電能轉換壓氣機內消耗的功為：輸出的功：裝置凈循環(huán)功：循環(huán)吸熱量：循環(huán)放熱量：根據(jù)熱力學第一定律，循環(huán)的熱效率為：若比熱容的值為定值，則循環(huán)熱效率為：理想布雷頓循環(huán)的熱效率4.2熱能與電能轉換4.2.2燃氣動力循環(huán)實際情況中壓縮和膨脹的過程中都存在不可逆因素，朝熵增加的方向偏移。

理想過程：1-2-3-4-1

實際過程：1-2'-3-4'-1實際布雷頓循環(huán)的T-s圖1-2'是壓氣機中的不可逆絕熱壓縮過程3-4'是燃氣輪機中的不可逆絕熱膨脹過程實際布雷頓循環(huán)4.2熱能與電能轉換燃氣輪機實際做功為：壓氣機實際做功為：實際循環(huán)的循環(huán)凈功為：裝置實際循環(huán)的熱效率為：實際布雷頓循環(huán)的熱效率4.2熱能與電能轉換4.2.2燃氣動力循環(huán)在定壓加熱簡單循環(huán)的基礎上采用回熱，是提高熱效率的一種措施。即在裝置中添加一個回熱器，利用排氣的熱量加熱壓縮后的氣體。T-燃汽輪機C-壓氣機R-回熱室B-燃燒室G-發(fā)電機回熱型布雷頓循環(huán)采用燃氣輪機裝置發(fā)電的不足之處：我國能源結構還是以煤為主，油和天然氣資源相對短缺，因此發(fā)電成本較高。天然氣的潔凈程度較低，雜質很容易在壓氣室積聚，甚至腐蝕基體金屬。盡管使用時經(jīng)過過濾，壓氣室依然存在雜質積聚和基體金屬腐蝕的現(xiàn)象。因此，燃氣輪機必須定期清洗。4.2熱能與電能轉換4.2.2燃氣動力循環(huán)燃煤電廠主要優(yōu)點：技術成熟，燃料成本低主要缺點：污染排放高（需配套硫脫硝等)、碳排放大本質原理：化學能→熱能→機械能→電能核心設備：鍋爐、汽輪機、發(fā)電機主要系統(tǒng)：燃燒系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)關鍵過程：煤粉在鍋爐中燃燒，加水，產(chǎn)生蒸汽推動汽輪機發(fā)電4.2熱能與電能轉換4.2.3發(fā)電廠概述核電站本質原理：核裂變能→熱能→機械能→電能核心設備：核島：反應堆、蒸汽發(fā)生器常規(guī)島：汽輪機、發(fā)電機關鍵過程：核燃料在反應堆中裂變產(chǎn)生熱量，加熱一回路水，在通過蒸汽發(fā)生器將二回路水變成蒸汽推動汽輪機發(fā)電主要優(yōu)點：能量密度極高，燃料循環(huán)費用低，零碳排放主要缺點：污系統(tǒng)復雜，安全要求嚴格，建設成本高，存在核廢料處理問題4.2熱能與電能轉換4.2.3發(fā)電廠概述燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠（LNG)本質原理：化學能→熱能→機械能→電能核心設備：汽化爐、凈化裝置、燃氣輪機、余熱鍋爐、汽輪機關鍵過程：煤先氣化成合成煤氣，凈化后燃燒推動燃氣輪機發(fā)電，廢氣再利用于產(chǎn)生蒸汽驅動汽輪機發(fā)電主要優(yōu)點：利用清潔煤、效率高、環(huán)保、節(jié)水主要缺點：投資和發(fā)電成本非常高，系統(tǒng)復雜，管理困難4.2熱能與電能轉換4.2.3發(fā)電廠概述本質原理：化學能→機械能+熱能→機械能→電能核心設備：燃氣輪機、余熱鍋爐、汽輪機關鍵過程：煤粉在燃氣燃燒推動燃氣輪機發(fā)電，其高溫廢氣再進入余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽驅動汽輪機發(fā)電主要優(yōu)點：效率高、啟動快、調峰性能好、污染低主要缺點：依賴天然氣供應，燃料成本較高整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC)4.2熱能與電能轉換4.2.3發(fā)電廠概述工作原理：以CO2為工質，在整個循環(huán)過程中始終保持CO2為超臨界狀態(tài)，利用布雷頓循環(huán)完成能量轉化。基本特征：超臨界二氧化碳工質具有優(yōu)良特性

密度大、傳熱效率高、做功能力強、黏度小、流動性強、系統(tǒng)循環(huán)損耗小、在循環(huán)中無相變、無毒、不可燃、有良好的化學穩(wěn)定性、環(huán)境友好、成本低廉。能量轉換效率高

系統(tǒng)單次循環(huán)效率可達35%以上，多次循環(huán)可以再增加10-15%。當二氧化碳溫度達到550℃時，發(fā)電系統(tǒng)的熱效率高達45%，當溫度接近750℃時，系統(tǒng)的熱效率可達50%。系統(tǒng)簡單、設備緊湊CO2始終處于超臨界狀態(tài)、密度大、動能大、不發(fā)生相變、所需的渦輪級數(shù)較少，渦輪機軸向尺寸小，冷卻器、管路附件尺寸相應減小。一、超臨界二氧化碳（SCO2）布雷頓循環(huán)4.2.4新型熱功過程熱電轉換4.2熱能與電能轉換③

典型SCO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)

高溫高壓的二氧化碳進入透平做功，壓力降低形成低壓高溫的二氧化碳，在回熱器中，低壓高溫的二氧化碳流體與高壓低溫的二氧化碳流體進行換熱后，分別得到低壓低溫的二氧化碳流體和高壓較高溫的二氧化碳流體。其中低溫低壓的部分進入預冷器降溫后，進入壓縮機進行升壓，進入加熱器加熱形成高溫高壓的二氧化碳，形成整個閉環(huán)系統(tǒng)。4.2.4新型熱功過程熱電轉換SCO2簡單布雷頓循環(huán)(a)SCO2簡單布雷頓循環(huán)流程圖

4.2熱能與電能轉換SCO2再壓縮布雷頓循環(huán)系統(tǒng)

與前者相比，超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓循環(huán)增加了如下部件：低溫回熱器（LTR）、再壓氣機、分流器和混合器等。透平出口工質先經(jīng)過高溫回熱器（HTP）和LTR，后經(jīng)過分流裝置進行分流，分別進入主壓氣機和再壓氣機。其中經(jīng)過主壓氣機的工質先經(jīng)過預冷器降溫，主壓氣機出口工質進入LTP進行升溫后與再壓氣機出口工質混合進入HTR進行升溫，最后工質經(jīng)過加熱器，溫度升至透平進口溫度。4.2.4新型熱功過程熱電轉換4.2熱能與電能轉換相比于再壓縮布雷頓循環(huán)，分流再壓縮布雷頓循環(huán)增加了透平分流器等部件。透平的出口工質先經(jīng)過HTR、LTR，過程和再壓縮布雷頓循環(huán)相同。在經(jīng)過加熱器加熱之后進入透平分流器進行分流，分別進入透平A和透平B，兩個透平出口的工質經(jīng)過混合進入HTR形成整個循環(huán)。4.2.4新型熱功過程熱電轉換SCO2分流再壓縮布雷頓循環(huán)SCO2分流再壓縮布雷頓循環(huán)流程圖4.2熱能與電能轉換④

SCO2布雷頓循環(huán)的熱力學計算（簡單SCO2布雷頓循環(huán)）

主壓縮機出口（2點）狀態(tài)參數(shù)由主壓縮機進口（1點）參數(shù)和壓縮機等熵效率確定：

壓縮機耗功為：

透平對外輸出的功為：

回熱器低壓側出口的溫度：

回熱器的換熱量為：

工質在冷卻器中的放熱量和再加熱器中的吸熱量分別為：

可得簡單布雷頓循環(huán)的熱效率為：4.2.4新型熱功過程熱電轉換4.2熱能與電能轉換二、有機朗肯循環(huán)（ORC）4.2.4新型熱功過程熱電轉換工作原理：使用有機溶液作為工作流體的朗肯循環(huán)，即在傳統(tǒng)朗肯循環(huán)中采用有機工質(如R113，R123等)代替水推動渦輪機做功?；緹崃^程：加壓、蒸發(fā)、膨脹和冷凝有機朗肯循環(huán)流程圖和T-S圖4.2熱能與電能轉換4.2.4新型熱功過程熱電轉換③

常用有機朗肯循環(huán)工質及理想情況：常用工質：干性溶液（干流體的高溫高壓蒸汽在渦輪機中膨脹之后呈過熱蒸汽狀態(tài)，不會出現(xiàn)存在液滴的情況，壓降過程不會發(fā)生兩相混合而損壞渦輪葉片，膨脹之后無需設置過熱器，因而更適合作為循環(huán)工質）。理想的有機朗肯循環(huán)工質應該具備有如下的特征：臨界溫度應該略高于循環(huán)中的最高溫度；循環(huán)中最高溫度所對應的飽和壓力不應過高，過高的壓力將會導致機械承壓問題，進而增加不必要的設備費用；循環(huán)中最低飽和壓力不宜過低，最好能保持正壓，以防止外界空氣的滲入而影響循環(huán)性能；工質的三相點要低于運行環(huán)境溫度的最低溫度，使流體不會在循環(huán)中的任意部位發(fā)生固化而造成堵塞甚至損壞；在T-S圖中飽和蒸汽線上應接近零或大于零；4.2熱能與電能轉換4.2.4新型熱功過程熱電轉換較低的臨界溫度和壓力，較小的比熱容，低粘度和表面張力，高汽化潛熱，高熱傳導率，熱穩(wěn)定性好；無毒、不易燃、不爆炸且與設備材料和潤滑油具有良好的兼容性；良好的環(huán)境友好性；價格便宜，且易于獲得。4.2熱能與電能轉換熱電半導體4.2.5非熱功過程熱電轉換低溫區(qū)熱電材料(<250

℃)低溫余熱約占80%。低溫區(qū)熱電材料的研究，對于溫差制冷、小功率溫差發(fā)電具有重要意義。低溫區(qū)熱電材料常用Bi2Te3基與MgAgSb基熱電材料。中溫區(qū)熱電材料(250~650℃)硫屬化鉛基材料是目前熱電性能最好的中溫區(qū)熱電材料之一，包括PbTe、PbSe、PbS以及由他們組成的三元合金和四元合金。高溫區(qū)熱電材料(>650℃)SiGe合金是目前較成熟的高溫熱電材料，具有良好穩(wěn)定性。4.2熱能與電能轉換熱電半導體4.2.5非熱功過程熱電轉換低溫區(qū)熱電材料(<250

℃)

Bi2Te3基熱電材料具有較大的澤貝克系數(shù)、較高的電導率和較低的熱導率，廣泛用于商業(yè)化領域。中溫區(qū)熱電材料(250~650℃)

PbTe具備較小的禁帶寬度和較低的晶格熱導率，可通過摻雜優(yōu)化載流子濃度來提高電導率和熱電性能。高溫區(qū)熱電材料(>650℃)

通過調節(jié)Si和Ge二者比例，可以改善合金材料的塞貝克系數(shù)、抗氧化能力、熱導率等參數(shù)。4.2熱能與電能轉換熱電材料的應用4.2.5非熱功過程熱電轉換低溫區(qū)Bi2Te3熱電半導體工業(yè)廢熱、余熱回收、交通領域中利用溫差發(fā)電器（如圖）回收汽車尾氣廢熱；中溫區(qū)中溫區(qū)PbTe熱電半導體則已經(jīng)開始應用于激光、傳感器件等部分商業(yè)領域。高溫區(qū)熱電半導體則多用于軍事領域中、航空航天領域中電源。例如SiGe合金應用在航空航天領域。4.2熱能與電能轉換熱光伏電池4.2.5非熱功過程熱電轉換熱光伏技術是將高溫熱輻射體的能量通過半導體p-n結直接轉換成電能的技術。通常熱光伏電池（如圖）由以下部件組成：熱輻射器、光學濾波器、熱光伏電池組件、熱回收器和輔助器件。優(yōu)點：無移動部件，理論效率高，噪音低，可便攜，可靠性高，高體積比功率，高重量比功率，將熱能利用與發(fā)電相結合。4.2熱能與電能轉換熱離子發(fā)電4.2.5非熱功過程熱電轉換熱離子發(fā)電是通過加熱某種金屬材料達到一定溫度后，金屬中的電子獲得足夠的動能，可以克服金屬表面“勢壘”的障礙，擺脫金屬原子核的束縛，逸出金屬表面而進入外部空間。如圖，發(fā)射器逸出電子，收集器吸引并加速電子形成電流。當熱離子轉換器作為傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電廠的頂部循環(huán)的一部分使用時，可以提高發(fā)電廠的整體效率。4.2熱能與電能轉換磁流體發(fā)電磁流體發(fā)電技術就是用燃料直接加熱易于電離的工質，使之高溫下電離成導電的離子流，然后讓其在磁場中高速流動時，切割磁場線，產(chǎn)生感應電動勢，即由熱能直接轉換成電流。優(yōu)點：燃料利用率高；缺點：通道和電極的材料要求高，材料壽命短。例如太陽能等離子體發(fā)電裝置（如圖），通過太陽能板光伏效應和逆變器獲得交流電，渦輪熔爐在高頻交流電壓通過渦流效應，可產(chǎn)生足夠溫度和熱量來為電離提供能量來發(fā)電。4.2.5非熱功過程熱電轉換4.2熱能與電能轉換熱能利用的核心指標：裝置能量轉化效率盡管單體設備利用率極高，但系統(tǒng)層面的不可逆損失仍是主要瓶頸傳統(tǒng)熱機燃煤電廠熱能到電能的轉化效率只有45%左右。內燃機、外燃機將熱能轉化為機械能的效率只有10%~50%。而燃氣輪機的效率也只有20%~60%設備效率鍋爐、汽輪機、發(fā)電機等設備單體效率雖超90%，但系統(tǒng)損失巨大。因此，降低能量轉換損失，提高發(fā)電熱效率是我們需要持續(xù)追求的目標。聯(lián)合循環(huán)LNG聯(lián)合循環(huán)電廠通過梯級利用，效率已經(jīng)突破50%，代表了未來的發(fā)展方向。4.2.6熱能與電能轉換的效率與應用熱能與電能轉換效率概述4.2熱能與電能轉換（1）余/廢熱電轉化

基于塞貝克效應的熱電轉化技術，為余熱回收提供了無噪音、壽命長、結構簡單的新途徑。受到日、美、歐等國家地區(qū)的高度重視。應用案例：生物質火爐愛爾蘭團隊開發(fā)的系統(tǒng)，單個組件穩(wěn)定輸出4.5W，可為移動設備充電、LED照明。技術優(yōu)勢：通過增加組件數(shù)量，可靈活獲得更大的輸出電壓或電流，適用于分布式、離網(wǎng)場景。4.2.6熱能與電能轉換的效率與應用熱電轉換應用實例4.2熱能與電能轉換（2）熱-電化學電池創(chuàng)新應用

熱電池作為將熱能直接轉化為電能的新型裝置，正通過材料創(chuàng)新走向實用化，尤其在低溫熱收集領域潛力巨大。傳統(tǒng)熱電池輸出功率相對較低，內阻隨電流變化不明顯，應用場景受限。新型水基熱電池輸出功率提升10-20倍，內阻隨電流增加而降低，使用水作為電解質，成本低廉且安全。俄羅斯NUST-MISIS開發(fā)的由金屬氧化物電極和水電解質組成的新型熱電池，為低溫熱收集開辟了全新道路。4.2.6熱能與電能轉換的效率與應用熱電轉換應用實例4.2熱能與電能轉換3.

熱能的梯級利用梯級利用的核心思想是按品位分級利用熱能，高品位做功，低品位供熱/制冷，提高整體能源效率。4.3熱能的梯級利用4.3.1梯級利用理論概述熱能的梯級利用通過在不同溫度級別上進行能量轉換，可以實現(xiàn)能源資源的充分利用，減少能源的浪費。但是，并不是所有梯級利用都切實可行，還需考慮增加梯級利用的設備后，在經(jīng)濟上的代價是否合理。熱能的品位指單位能量所具有可用能的比例，它常常被認為熱能溫度所對應的卡諾循環(huán)效率。熱力循環(huán)是利用燃燒后工質溫度與環(huán)境溫度之間的溫區(qū)范圍內的熱能，所以系統(tǒng)集成的好壞取決于這部分熱能利用的是否充分和有效?？偰芟到y(tǒng)是通過系統(tǒng)集成把各種過程有機地整合在一起，來同時滿足多目標功能需求的能量系統(tǒng)，而不是各種用能系統(tǒng)的有關過程的簡單疊加。溫度對口、梯級利用原理:溫度對口與熱能的梯級利用概念圖4.3.1梯級利用理論概述4.3熱能的梯級利用從能的“質與量”相結合的思路進行系統(tǒng)集成，其本質是如何實現(xiàn)系統(tǒng)內動力、中溫、低溫余熱等不同品位的能量的耦合與轉換利用。不同的總能系統(tǒng)體現(xiàn)“熱能梯級利用”集成原理的途徑和方法：①聯(lián)合循環(huán)的梯級利用。②熱(或冷)功聯(lián)產(chǎn)的梯級利用。③系統(tǒng)中低溫熱能的梯級利用。4.3.1梯級利用理論概述4.3熱能的梯級利用總能系統(tǒng)能量利用平衡示意圖對于各種熱能轉換利用系統(tǒng)，系統(tǒng)集成的核心科學問題都是熱能梯級利用原理。4.3.1梯級利用理論概述4.3熱能的梯級利用4.3.1梯級利用理論概述熱能轉換利用系統(tǒng)基本方程：Wgt——系統(tǒng)中燃氣循環(huán)

Wst

——蒸汽循環(huán)功率B3——燃氣側循環(huán)技術系數(shù)A3——燃氣側循環(huán)熱源的能量品位

B4——為蒸汽側循環(huán)技術系數(shù)A4——蒸汽側循環(huán)熱源的能量品位Ai——加入蒸汽循環(huán)的其他蒸汽熱源品位4.3熱能的梯級利用4.3.1梯級利用理論概述純產(chǎn)功的系統(tǒng)出功與燃氣側出功之比：對功熱并供系統(tǒng)則：

QR——系統(tǒng)有效熱輸出；

AR——功熱并供系統(tǒng)有效熱能輸出的熱能品位4.3熱能的梯級利用當簡單循環(huán)燃氣輪機擴展集成為聯(lián)合循環(huán)或功熱并供等總能系統(tǒng)時，

和或和

表達了不同熱力循環(huán)的結合和不同用能系統(tǒng)一體化整合時的總能系統(tǒng)效率提升情況，即系統(tǒng)熱能梯級利用完善度。4.3.1梯級利用理論概述系統(tǒng)熱能梯級利用完善度與各熱力循環(huán)技術系數(shù)和系統(tǒng)中各種能量轉換利用時的熱能品位（A3,A4,Bi,AR等）密切相關。4.3熱能的梯級利用圖4-39排氣余熱利用聯(lián)合循環(huán)裝置4.3.2梯級利用的主要應用——聯(lián)合循環(huán)

排氣全燃型聯(lián)合循環(huán)：大部分燃料從鍋爐加入循環(huán)，產(chǎn)生中等品位過熱蒸汽驅動汽輪機，充分回收頂循環(huán)的中低溫排氣余熱，以節(jié)省送風機高品位電功和鍋爐空氣加熱能耗，即通過蒸汽循環(huán)和燃氣循環(huán)的聯(lián)合途徑以充分實現(xiàn)部分輸入燃料的能量梯級利用。聯(lián)合循環(huán)相對性能表達式：為燃氣輪機與汽輪機功率比(功比)；為汽輪機效率；為聯(lián)合循環(huán)效率；式中：對一定的汽輪機，只要確定功比，聯(lián)合循環(huán)的效率收益就基本確定。4.3熱能的梯級利用4.3.2梯級利用的主要應用——冷熱電聯(lián)供（CCHP）特點：能源就近利用，傳輸損耗小，同時滿足電、熱、冷需求。以天然氣為主要能源，風、光等能源為輔，通過燃氣輪機消耗天然氣驅動發(fā)電機，并同時通過余熱鍋爐進行蒸汽燃氣聯(lián)合循環(huán)，提高了低品位熱能的再利用，提高了系統(tǒng)的能源利用效率。圖4-40CCHP系統(tǒng)工藝流程圖典型案例：四川某醫(yī)院CCHP系統(tǒng)主機：2臺燃氣內燃機(526kW/臺)余熱利用：2臺煙氣熱水型溴化鋰機組(制冷640kW/臺)