基于多能互补的分布式能源系统实验教学平台

邓清华, 颜晓江, 丰镇平

(西安交通大学 能源与动力工程学院 陕西省叶轮机械及动力装备工程实验室, 陕西 西安 710049)

能源是人类社会发展的重要物质基础,也是社会经济发展的重要制约因素,是国家经济社会发展的全局性和战略性问题,对国家繁荣富强、人民生活改善、社会长治久安至关重要[1-2]。国际能源署、美国能源信息署、英国石油公司(BP)以及中国国家能源局等全球权威能源机构近两年发布的预测结果都表明,能源供应正在向多元化发展,至2035年可再生能源发电(包括水电)将占全球发电量增长的50%,在全球发电总量的占比将增加至31%[3]。

近年来,基于能源资源禀赋及高效绿色低碳发展需求,我国在天然气利用、新能源开发、电能供给侧改革、分布式能源多联产、多能互补、智慧能源等方面开展了大量基础性工作,无论在能源政策的制定实施、能源产业的转型升级,还是能源科技的创新发展等方面,都取得了显著进步[4-7]。以上这些变化对相关人才培养提出了新的挑战,作为人才培养高地,高校在能源动力类专业人才培养方面需要与时俱进,包括实验教学在内的实践教学必须改革和完善,只有这样才能为能源行业的不断进步及产业的转型升级提供所需的人才支持及智力保障。

基于推进一流大学人才培养的根本任务,以及建设与世界能源发展新趋势、国家能源政策新动向、能源动力行业动态新发展、能源动力类人才培养新挑战相适应,根据前瞻性、创新性、共享性以及可持续发展能力的教学实验平台的客观需求,结合我校能源与动力工程学院能源与动力工程专业国家级实验教学示范中心的现状,提出一种基于多种能源互补的分布式能源实验教学平台,旨在为培养具有扎实科学基础、先进用能理念、科技创新能力和工程实践能力的高素质本科学生奠定基础,最终服务于国家清洁低碳、安全高效现代能源体系的建设。

1 实验平台建设依据

1.1 能源政策稳步推进及能源技术创新发展的需要

近10年来,国家发改委、财政部等多部委在天然气分布式能源、可再生能源规划以及能源消费与规划方面推出一系列重大举措,要求“在条件具备的地方结合太阳能、风能、地热泵等可再生资源进行综合利用”[8]“通过不断完善可再生能源扶持政策,创新发展方式和优化布局,促进技术进步和成本降低,扩大应用规模,提高消费比重”[9]“坚持分布式和集中式并举,以分布式利用为主,推动可再生能源高比例发展,全面建设“互联网+”智慧能源,促进能源与现代信息技术深度融合”[10]“强化创新基础,依托骨干企业、科研院所和高校,建设一批具有影响力的能源技术研究基地。”

在政府相关政策的引导下,2011年国家能源局批复,由华电集团公司和中科院工程热物理研究所合作共同建设“国家能源分布式能源研发中心”,主要开展“关键技术攻关和设备研制及试验研究；引进技术的消化、吸收、再创新和国际合作；系统集成和测试方法研究、标准体系研究；分布式微网研究”。与此同时,各种国家级的天然气分布式能源示范项目[11]及相关的智慧能源项目[12]如雨后春笋般涌现,如华电集团泰州医药城楼宇型分布式能源站工程、北京延庆能源互联网综合示范区项目等。另外,2017年上海电力学院临港校区的新能源智能微电网示范项目启动及陕西鼓风机(集团)有限公司能源互联岛全球运营中心揭幕,为分布式能源及微电网的进一步研发与应用开启了新征程。

2017年初,教育部高等教育司发布《关于开展新工科研究与实践的通知》[13],指出了“人才培养的新模式：在总结卓越工程师教育培养计划、CDIO等工程教育人才培养模式改革经验的基础上,开展深化产教融合、校企合作的体制机制和人才培养模式改革研究和实践”。其后4月8日,天津大学举办了“工科优势高校新工科建设研讨会”[14]。

包括实验教学在内的实践教学是巩固理论知识和加深理论认识的有效途径,是培养具有创新意识的高素质工程技术人员的重要环节,是理论联系实际、培养学生掌握科学方法和提高动手能力的重要平台[15]。结合能源动力类专业人才培养对实践教学的新需求与新发展,我们应该认识到,在当前国际能源资源与环境现状的大背景下,清洁能源、低碳能源、分布式能源、多种能源互补以及智慧能源是未来发展的趋势和方向,为此我们需要积极推进新的实验教学平台建设。

1.2 能源动力类人才培养需求

进入21世纪以来,经过多轮教育教学的改革,我国已经成为高等教育大国,特别是我们已经拥有世界上最大规模的工程教育[16]。但必须清醒地看到,我们的人才培养与国家需求和国际先进水平相比还存在不小差距。

(1) 受传统教育思想影响,我国高等工科教育存在的主要问题之一还是比较重知识传授、轻能力培养,重理论教学、轻实践教学。多年来在实践教学条件建设方面的投入还是明显不足,相对于能源科学技术和能源动力行业的快速发展,现有的实验教学装置，特别是综合性实验教学平台已远不能满足创新型人才培养需求。此外,由于新版培养方案对学分学时作了较大幅度压缩,学生到企业生产实习从经费和时间上都受到一定的制约,为保证实践教学效果,必须探索校内外结合的实习模式,所以校内综合性实验教学平台的建设尤其必要。

(2) 片面强调通识教育,专业教育课程及其实践教学受到挤压,大部分专业课程学时减少,有的甚至取消,相应的实验教学内容缩减或取消。以我校能源与动力学院热动力工程系为例,取消汽轮机装置课程后,汽轮机自动调节实验和汽轮机发电并网实验随之取消,目前仅存汽轮机原理课程要求的汽轮机平面叶栅吹风实验和近年恢复运行的汽轮机变工况实验。可见学生在专业教育方面的实践活动受到了严重削减和影响。

(3) 缺乏创新和跨界能力的培养环节和实践条件。根据我校能动学院2015版本科专业培养方案,能源与动力工程专业教学分为热模块、冷模块、汽车模块和新开设的热流国际4个专业模块,其教学实验和实践活动由支撑这些模块的各个专业方向实验室负责。尽管分模块教学在一定程度上从热力系统的正循环、逆循环出发实现了模块内的跨界整合,但面对快速发展的能源动力行业的新需求以及向多能互补分布式能源系统发展的新挑战,如何进一步有效整合能源绿色低碳、安全高效利用系统(如热电冷联产、联合循环、多能互补、分布式能源等具有复杂循环特征的能源动力系统),以满足本科生培养过程中对创新和跨界整合能力提升的需求,是一个亟待解决的问题。

(4) 当前高校中缺乏多能互补的实验平台。近10余年来,国家在能源领域的大政方针始终强调“能源科学利用”“分布式能源”“多能互补”“能源互联网”等,国内有关企业也投入巨资,建立了部分实验平台,如华电集团建设的国家能源分布式能源技术研发(实验)中心,以及陕鼓集团建设的陕鼓临潼厂区能源互联岛项目示范中心等,对行业的发展起到了重要的推动作用。然而高等学校作为人才培养的主要阵地,各学科专业仅分别建立了单一功能的专业教学实验平台,缺乏有机整合,无法契合能源行业的新发展与新理念。调研显示,少数高校仅建立了关于热电冷联产的分布式能源利用实验平台,但是距离多能互补、储能以及微电网等科学用能的关键技术,仍相去甚远。

2 实验平台建设内容

图1给出了本实验教学平台系统及其建设内容。其建设内容主要包括能源资源、电能生产、热冷转换、冷热电储能和智能微电网5部分：

图1 多能互补的分布式能源系统实验教学平台及其建设内容

(1) 能源资源。本实验教学平台的特点之一是多种能源互补,能源资源主要包括天然气这样的传统化石能源,也包括太阳能/地热能这样的可再生能源。因此需要建设天然气的气源稳压站、太阳能/风能利用的小型气象站,以及地源热井等供能辅助系统。整个平台系统设计还考虑了后期进一步发展时对能源资源的扩展建设需求,如风能、生物质能等。同时,该平台运行时将通过微型燃气轮机、制冷机等不同能源设备载体,产生二次能源,如电能、热能和冷能等。

(2) 电能生产。根据能源能量品质的不同,实现能量梯级利用的首选方式是实现向电能的转换。本实验教学平台的电能生产部分主要包括微型燃气轮机、燃气内燃机、燃料电池、有机朗肯循环余热回收装置、太阳能电池及太阳能斯特林机等6种热动力设备,其中微型燃气轮机、燃料电池和燃气内燃机直接利用天然气发电；太阳能电池和斯特林机利用太阳光发电；有机朗肯循环余热回收装置利用微型燃气轮机、燃料电池和燃气内燃机的排气余热发电。

(3) 热冷转换。在夏天需要冷量时,微型燃气轮机、燃料电池和燃气内燃机的排气，在有机工质在朗肯循环余热回收装置前全部或根据需要部分分流,通过进入吸收式溴化锂制冷机转换为冷量,供建筑物中央空调系统使用。

(4) 冷热电储能。本实验教学平台拟采用冰蓄冷、熔盐储热、电池储电技术,实现冷热电3种能量形式的储存,以提升实验平台运行和储能系统转换的灵活性。

(5) 智能微电网。本实验教学平台最终将向基于智能微电网的多能互补的分布式能源系统平台发展。拟采用智能微电网能量管理系统,控制分布式电源的输出功率,分析分布式能源负荷,实现冷、热、电多种能源的综合优化,以保证整个微电网系统的经济运行为目标。以满足安全性、可靠性和供电质量要求为约束条件,对分布式发电供能系统的电源进行优化调度、合理分配出力,实现分布式能源微电网系统的优化运行与模拟实验。

同时,通过微电网与国内若干企业的分布式能源中心实现重要运行数据的交换、采集和分析,并实现利用区域能源互联网开展若干项多能互补分布式能源系统的模拟实验教学。

3 实验平台模块化应用方案

鉴于本实验教学平台的系统总容量较小,发出的电力采用“并网不上网”的原则,主要自发自用。通过智能控制,电力不足部分从电网取得,真正做到冷热电联动分布式供能方式。

从实验教学及示范角度出发,本实验教学平台可以分为热力系统设计模块、热力系统测试模块、热力调度控制逻辑优化模块、各种热力设备教学演示模块和跨学科交叉研究及应用转化综合模块。

(1) 热力系统设计模块。热力系统涉及到我校能源与动力工程学院能源动力类专业热模块和冷模块的各个专业方向,学生可以在此平台对整个系统进行灵活匹配设计,并根据季节性需求进行热力系统计算,最终可在教学实验平台上进行实验验证,从而探索多能互补的最佳设计方案。

(2) 热力系统测试模块。在热力系统中,对各类设备能耗测试系统的研究和开发,对于整个系统运行的能耗的监测和评价以及节能改造和优化运行具有重要意义。本教学实验平台可以让学生根据各个设备能耗参数的特点,结合发电系统已有的状态监测参数,应用相关测量仪器和测量方法,分析热力系统的测试特性及其变化规律,为实现可靠运行打下基础。

(3) 热力调度控制逻辑优化模块。热力调度控制逻辑与系统的变工况运行息息相关,也是多能互补关键技术的一个重要环节。在变工况运行条件下,系统中各种电源和储能设备的运行情况及其交互作用对于系统的稳定运行至关重要。在这个实验教学平台上,学生可根据需求,制定相应的控制逻辑,不仅可以加深对热力系统中各种设备的认识,还可以进一步拓展各个专业在热力系统中的应用。

(4) 各种热力设备教学演示模块。本实验教学平台涵盖了动力设备、制冷设备、换热设备以及其他各种辅助设备，可以让学生结合不同的专业方向,进行基于设备级别和多设备交互的实验教学和演示实验。

(5) 跨学科交叉研究及应用转化综合模块。该综合模块与前4个模块不同,它是基于这些模块实体进行多学科、跨学科交叉研究的有机整合,以及实施相关研究方案的一个平台。依托该平台,可以进行能动、电气、电信、管理等学科的多学科交叉课题设计,并开设相应多学科交叉课程供学生选择,使各专业学生发挥本专业特长,从不同视角提供思路和方法,为学生进一步拓展视野、深化知识及进行创新的跨学科交叉研究,提供具有创新实践功能的综合实验平台。

4 结语

(1) 多能互补的分布式能源系统实验教学平台建设,基于人才培养的根本任务,具有前瞻性、创新性、共享性和可持续发展能力,旨在与国家能源政策新动向、国际能源科学前沿及能动行业动态新发展、能动类人才培养新挑战相适应,为培养具有扎实科学基础、先进用能理念和工程实践能力的高素质学生奠定基础,最终服务于国家清洁低碳、安全高效的现代能源体系的建设。

(2) 本实验教学平台主要为能源动力类专业的本科生教学、项目设计、科研训练及新工科建设发展服务；同时为能动等相关学院学生参与能源领域的创新实践活动提供重要的创新训练与实践平台,如节能减排大赛、大学生创新创业大赛、挑战杯等全国性大学生比赛等活动。

(3) 本实验教学平台的建设,将在创新型人才培养的实验教学环节和创新实践层面,促进能源动力类专业及能源科学与工程学科的办学水平和人才培养更上一层楼,为推进我校一流学科和一流大学建设做出贡献。

本文工作得到了中国华电集团华电电力科学研究院分布式能源技术部周宇昊主任的指导,特此致谢。