王國強，李 俊，楊 晨，石萬元，周永利，劉漢周

（重慶大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，重慶 400030）

能源是人類社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是制約我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的一個重要瓶頸，是國家經(jīng)濟社會發(fā)展的全局性和戰(zhàn)略性問題[1-3]。目前，我國能源利用率不足，大量低品位余熱以各種形式被排放到大氣中，回收利用低品位余熱將具有巨大的發(fā)展?jié)摿4-5]。為此，全世界都在推動與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)不同的第二代能源系統(tǒng)的建設(shè)，積極進行立法準(zhǔn)備，抓緊開發(fā)相關(guān)設(shè)備[6-7]。其中基于低品位余熱利用的冷熱電三聯(lián)產(chǎn)是先進能源利用技術(shù)的一個典型代表，它涉及以下幾個方面：（1）動力與能源轉(zhuǎn)換設(shè)備；（2）一次和二次能源相關(guān)技術(shù)；（3）智能控制與群控優(yōu)化技術(shù)；（4）綜合系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)；（5）資源深度利用技術(shù)[8-9]。由此可見，基于低品位余熱利用的冷熱電三聯(lián)產(chǎn)技術(shù)基本涵蓋并綜合了能源動力類專業(yè)的全部專業(yè)方向，并在深度和廣度方面有極大的延伸。這些變化對能源動力類專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)提出了新的挑戰(zhàn)。高校作為人才培養(yǎng)的高地，需要持續(xù)地對包括實驗教學(xué)在內(nèi)的實踐條件和實踐基礎(chǔ)進行改革和完善，才能為能源行業(yè)的不斷進步及產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級提供人才支撐[10]。

為適應(yīng)能源動力類人才培養(yǎng)新挑戰(zhàn)，以余熱梯級利用為核心，緊密結(jié)合能源動力領(lǐng)域的前沿科學(xué)技術(shù)，建設(shè)了一種基于低品位能源梯級利用的實驗教學(xué)平臺。通過融合理論教學(xué)、實驗教學(xué)和工程實踐，為培養(yǎng)具有實踐創(chuàng)新能力的工程型、應(yīng)用型高素質(zhì)本科生奠定基礎(chǔ)，并最終形成具有鮮明特色能源動力類專業(yè)的實驗教學(xué)新體系和創(chuàng)新能力培養(yǎng)基地。

1 平臺建設(shè)依據(jù)

（1）平臺在人才培養(yǎng)中的重要作用。大眾創(chuàng)業(yè)萬眾創(chuàng)新已成為現(xiàn)代化國家新征程的時代要求，以新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)和新模式為特征的新經(jīng)濟大量需求具有科技創(chuàng)新能力的實踐型人才，從而使得高等教育越來越需要向提高學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的教育模式轉(zhuǎn)變[11-12]。實驗教學(xué)是高等教育實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要教學(xué)手段，而實驗教學(xué)平臺是實驗教學(xué)的場所，是培養(yǎng)實踐創(chuàng)新人才的重要陣地，建設(shè)好實驗教學(xué)平臺是提高能源動力類專業(yè)辦學(xué)水平的重要措施[13-14]。

（2）能動類專業(yè)人才培養(yǎng)的需求。我國高等工程教育越來越重視實踐性，正在轉(zhuǎn)變只注重基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識傳授的教育模式，我校在一流學(xué)科和一流大學(xué)建設(shè)中，調(diào)整了培養(yǎng)方案以強化實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，但與先進水平相比還存在不小的差距。目前，能源動力類專業(yè)現(xiàn)有的實驗教學(xué)課程大多是按照理論課程設(shè)置，僅僅是理論教學(xué)的輔助部分，各門課程按照自身的需要開設(shè)實驗。這種實驗教學(xué)體系最大的缺陷在于各門課程的實驗過于強調(diào)自身的獨立性，實驗內(nèi)容和方法往往出現(xiàn)低水平、同層次的重復(fù)，不利于課程交叉。另外，專業(yè)基礎(chǔ)課程實驗與后續(xù)的應(yīng)用性專業(yè)課程實驗完全隔離，沒有形成系統(tǒng)的實驗框架和體系。這種實驗教學(xué)方式只能有限度地幫助學(xué)生對專業(yè)理論的理解,而對培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力作用不大。由此可見，目前的能動類專業(yè)實驗教學(xué)水平尚不能支撐能源科學(xué)與工程學(xué)科發(fā)展對人才培養(yǎng)的需求，建設(shè)基于先進能源利用系統(tǒng)的實驗教學(xué)平臺已成為現(xiàn)實的迫切要求。

2 平臺建設(shè)思想

以低品位能源梯級利用為主線，協(xié)調(diào)統(tǒng)一冷熱電三聯(lián)產(chǎn)，加強科研向教學(xué)轉(zhuǎn)化，形成高水平的實驗教學(xué)平臺，培養(yǎng)能源動力類的專門人才，在傳授知識和技能的同時，充分調(diào)動學(xué)生積極性，訓(xùn)練學(xué)生自主設(shè)計和研究的能力。

以新能源利用和節(jié)能減排為主題，涵蓋能源動力轉(zhuǎn)換和熱工過程自動控制等能源動力類專業(yè)主要研究方向，有機融合理論教學(xué)和工程實踐，加強學(xué)科交叉，在深度和廣度方面大大延伸，豐富學(xué)生的專業(yè)前沿知識。

3 平臺建設(shè)內(nèi)容

3.1 平臺構(gòu)成

平臺安裝微型燃?xì)廨啓C（Capstone，C30R-FG4-B000）發(fā)電，對微型燃?xì)廨啓C排出的煙氣余熱進行梯級利用。微型燃?xì)廨啓C排出的煙氣溫度為273 ℃，從微型燃?xì)廨啓C排煙管口接出兩路煙管，每路煙管都有電動閥遠(yuǎn)程控制。一路煙氣首先進入溴化鋰吸收式制冷機組，機組輸出10 ℃冷凍水到末端空調(diào)箱，此時煙氣溫度降到185 ℃排出，然后進入ORC（organic Rankine cycle）余熱發(fā)電機組。ORC 余熱發(fā)電機組輸出1 kW 的電功率到并網(wǎng)控制柜，此時煙氣溫度降到120 ℃，然后進入轉(zhuǎn)輪除濕機組。轉(zhuǎn)輪除濕機組先將120 ℃煙氣換熱到90 ℃后，制取高溫干空氣后驅(qū)動轉(zhuǎn)輪除濕器，將室內(nèi)的相對濕度調(diào)節(jié)到人體舒適狀態(tài)（夏季40%，冬季30%）。最后，該路煙氣從轉(zhuǎn)輪除濕機組排出，進入尾部煙氣實驗，供微藻固碳實驗和煙氣分析實驗使用。另一路煙氣進入煙水換熱器，產(chǎn)生90 ℃熱水，并排出190 ℃煙氣。熱水進入相變蓄熱器，煙氣供尾部煙氣實驗使用。低品位能源利用系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺及其建設(shè)內(nèi)容見圖1，主要包括能源來源、電能生產(chǎn)、熱冷轉(zhuǎn)換、熱電儲能和智能控制5 部分。

圖1 低品位能源利用系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺及其建設(shè)內(nèi)容

（1）能量來源。能量來源包括天然氣、電網(wǎng)和太陽能。天然氣是最主要的能量來源，建設(shè)了小型氣源穩(wěn)壓站，天然氣輸出流量25 m3/h，輸出壓力30 kPa。采用電網(wǎng)的電能作為補充能源，鑒于平臺發(fā)電量較小，發(fā)出的電量采用并網(wǎng)不上網(wǎng)的原則，主要自發(fā)自用，不足部分則從電網(wǎng)取得[15]。平臺對太陽能的利用方式包括光伏和光熱利用。同時，微型燃?xì)廨啓C、制冷機組等能源設(shè)備載體在運行時，將生產(chǎn)冷能、熱能和電能等二次能源，通過智能控制，實現(xiàn)冷熱電聯(lián)動供能。

（2）電能生產(chǎn)。電能是高品質(zhì)能源，低品位能量利用的首選方式是實現(xiàn)向電能的轉(zhuǎn)換。平臺電能生產(chǎn)設(shè)備包括微型燃?xì)廨啓C、ORC 余熱發(fā)電機組和太陽能電池陣列。其中微型燃?xì)廨啓C直接利用天然氣發(fā)電，ORC 余熱發(fā)電機組利用微型燃?xì)廨啓C排氣余熱發(fā)電，太陽能電池利用太陽光發(fā)電?？紤]后期擴展需要，平臺預(yù)留了燃料電池發(fā)電部分，采用氫氧燃料電池，通過太陽能制氫和生物質(zhì)制氫獲取氫源。

（3）熱冷轉(zhuǎn)換及儲能。提供冷量的能源設(shè)備載體是吸收式溴化鋰制冷機組。微型燃?xì)廨啓C的排氣，經(jīng)過ORC 余熱發(fā)電機組后，進入吸收式溴化鋰制冷機組轉(zhuǎn)換為冷量，提供給實驗平臺中央空調(diào)系統(tǒng)使用。當(dāng)冷量需求增加時，微型燃?xì)廨啓C的排氣可通過旁路管道直接進入溴化鋰制冷機組，富裕的冷量通過冰蓄冷技術(shù)進行儲存。太陽能平板集熱器收集的熱能，采用相變蓄熱技術(shù)儲存。太陽能光伏發(fā)電量，采用蓄電池儲存，并根據(jù)不同負(fù)載需求使能源利用達(dá)到最大化。

（4）智能控制。工質(zhì)進出設(shè)備的流量、溫度和壓力均可測量，重要測量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳到計算機上虛擬，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。并且配置高仿真操作界面，形象展示整個系統(tǒng)流程及設(shè)備運行情況。通過采集控制信號實現(xiàn)設(shè)備上位啟停操作，同時具備操作各設(shè)備的開關(guān)功能。采集各系統(tǒng)實時能源數(shù)據(jù)獲得動態(tài)報告，方便觀察各系統(tǒng)的實時運行效率情況。針對歷史記錄可以實現(xiàn)存儲，可隨時調(diào)取某一段時間內(nèi)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，進行測試和分析。

3.2 模塊化應(yīng)用

從實驗教學(xué)角度出發(fā)，本實驗教學(xué)平臺可以分為4 個模塊，即：太陽能模塊、制冷模塊、微藻固碳模塊和仿真控制模塊。

3.2.1 太陽能模塊

太陽能模塊包括太陽能光伏利用模塊和光熱利用模塊。太陽能光伏利用模塊由太陽能電池陣列（單塊陣列最大功率285 W，共計4 塊）、離網(wǎng)逆變電源、計量裝置、配電系統(tǒng)、光伏蓄電池、環(huán)境數(shù)據(jù)檢測等部分組成。太陽能通過太陽電池陣列轉(zhuǎn)化為直流電力儲存到蓄電池，當(dāng)使用時，一部分再通過離網(wǎng)逆變電源將直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同頻率、同相位的正弦波交流電，接入樓層配電箱，供辦公照明用電；另一部分通過變壓電源供給直流負(fù)荷。該模塊可供學(xué)生測試數(shù)據(jù)有：風(fēng)速、風(fēng)向、環(huán)境溫度、太陽能電池溫度、太陽總輻射、太陽直接輻射、充電電流、充電電壓、逆變輸出功率、逆變輸出電壓、工作電流、工作電壓特性等指標(biāo)。學(xué)生通過此模塊能掌握太陽能離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的原理與應(yīng)用。

太陽能光熱利用模塊主要設(shè)備是太陽能集熱器和相變蓄熱器。5 塊平板型太陽能集熱器串聯(lián)組成，采光總面積為10 m2；相變蓄熱器額定熱容量為150 MJ。太陽輻射達(dá)到一定強度時，集熱器溫度上升，當(dāng)溫度達(dá)到控制器的設(shè)定溫度時，集熱器循環(huán)水泵開始啟動，將儲熱水箱的水輸送到集熱器陣列，同時太陽能集熱器的熱水流回相變蓄熱器，使用時通過供水管路供應(yīng)熱水。即利用光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)將光能轉(zhuǎn)換為熱能，再利用相變蓄熱技術(shù)儲存熱能。該模塊可供學(xué)生測試的數(shù)據(jù)有：集熱器熱性能、相變蓄熱設(shè)備性能、管內(nèi)溫度、管路流量、管路壓力等。學(xué)生通過此模塊能掌握太陽能光熱利用系統(tǒng)原理、太陽能集熱器的布置、集熱循環(huán)管路設(shè)計、循環(huán)泵選型等工程設(shè)計方法。

3.2.2 制冷模塊

制冷模塊包含吸收式制冷系統(tǒng)和轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)。吸收式制冷系統(tǒng)的主要設(shè)備有：溴化鋰吸收式制冷機組，冷卻水塔，空調(diào)箱，冷卻水泵，冷凍水泵等。本系統(tǒng)是煙氣余熱利用的第一個系統(tǒng)，系統(tǒng)輸入側(cè)是微燃機排出的煙氣，溫度為275 ℃，流量為0.31 kg/s，煙氣驅(qū)動溴化鋰吸收式制冷機組產(chǎn)出 7 ℃冷凍水后排出，溫度約為185 ℃。7 ℃的冷凍水由冷凍水泵輸送到空調(diào)箱中與空氣換熱，達(dá)到制冷目的。系統(tǒng)最大制冷量44.1 kW。該系統(tǒng)可供學(xué)生測試的數(shù)據(jù)有：冷水進出口溫度、冷凍水流量、煙氣進出口溫度，煙氣流量等。學(xué)生通過此系統(tǒng)能掌握中央空調(diào)系統(tǒng)的組成與工作原理，并會計算吸收式制冷系統(tǒng)的COP 值。

轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)入口是來自O(shè)RC 余熱發(fā)電機組排出的煙氣，煙氣溫度約為120 ℃，流量為0.31 kg/s。煙氣先經(jīng)過一臺熱管換熱器，將熱量傳遞給轉(zhuǎn)輪除濕器再生空氣，再生空氣溫度為90 ℃，濕度為6.6%，經(jīng)轉(zhuǎn)輪后降至48 ℃，濕度45%，排到室外。該系統(tǒng)可供學(xué)生測試的數(shù)據(jù)有：轉(zhuǎn)輪進出口溫度和濕度、送風(fēng)溫度和濕度、煙氣進出溫度、電加熱溫度等。學(xué)生通過此系統(tǒng)能掌握處理風(fēng)與再生風(fēng)通過轉(zhuǎn)輪進行熱濕交換完成除濕過程，并會計算系統(tǒng)的除濕量。

3.2.3 微藻固碳模塊

微藻固碳模塊的主要設(shè)備有：臺式離心機、分光光度計、CO2濃度測試儀、采收罐、真空冷凍干燥機、NH4-N 分析儀、COD 分析儀等。該模塊采用微藻固碳技術(shù)對轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)排放的CO2進行利用，實現(xiàn)碳減排。該模塊可供學(xué)生測試的數(shù)據(jù)有：CO2濃度、氣體流速、培養(yǎng)溫度、PH 值、光合生成率、CO2利用率、微藻增長率、CO2溶解和微藻消耗速率等。學(xué)生通過此系統(tǒng)能測量光生物反應(yīng)器內(nèi)微藻生長及固定煙氣CO2的性能，包括獲得不同光照強度下的微藻生長速率、微藻懸浮液中的CO2溶解和微藻消耗速率等特性參數(shù)隨時間的變化關(guān)系。

3.2.4 仿真試驗?zāi)K

仿真試驗?zāi)K的主要設(shè)備有：多核嵌入式控制器、多槽3U PXI Express 機箱、數(shù)據(jù)采集儀、高精度RTD熱敏溫度處理器、壓力電壓扭矩器采集儀等。本模塊構(gòu)建了以微型燃?xì)廨啓C作為原動機的冷熱電分布式能源系統(tǒng)虛擬仿真試驗，能在夏季工況和冬季工況條件下，對冷熱電分布式能源系統(tǒng)的一次能源利用率、?效率隨燃?xì)廨啓C發(fā)電機組發(fā)電功率的變化進行模擬計算。學(xué)生通過此模塊能掌握冷熱電分布式能源系統(tǒng)一次能源利用率、 ?效率的分析計算方法，計算冷熱電分布式能源系統(tǒng)在夏季工況和冬季工況下經(jīng)濟性的差異。

4 初步成效

自平臺建成的2 年來，除服務(wù)于正常實驗教學(xué)任務(wù)外，承擔(dān)國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃15 項、校級大學(xué)生科研訓(xùn)練計劃項目32 項，其中7 個項目獲得優(yōu)秀。根據(jù)2 年的統(tǒng)計，學(xué)生成功申請了發(fā)明專利12 項，發(fā)表SCI 論文4 篇，EI 論文7 篇。平臺服務(wù)于大學(xué)生工程訓(xùn)練、自主創(chuàng)新設(shè)計訓(xùn)練、大學(xué)生社會實踐等，在全國大學(xué)生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽中，獲得特等獎1 項、一等獎4 項、二等獎6 項。依托該平臺，實驗技術(shù)人員獲得省級實驗教學(xué)改革課題2 項，重慶市教學(xué)成果二等獎1 項，計算機軟件著作權(quán)證書2 項。平臺研發(fā)的“分布式能源系統(tǒng)變工況性能虛擬仿真分析實驗”入選為市級虛擬仿真實驗教學(xué)項目。

5 結(jié)語

實驗教學(xué)平臺以低品位能源梯級利用為主線，以新能源利用和節(jié)能減排為主題，協(xié)調(diào)統(tǒng)一冷熱電三聯(lián)產(chǎn)，涵蓋并綜合了本校能源動力類專業(yè)的全部專業(yè)方向。該實驗教學(xué)平臺主要服務(wù)于能源動力類及相關(guān)專業(yè)大學(xué)生的實驗教學(xué)、科研訓(xùn)練等創(chuàng)新實踐活動。平臺建成后已取得初步成效，促進了能源動力類大學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。下一步將結(jié)合能源科學(xué)前沿和行業(yè)新發(fā)展，對該平臺進行拓展建設(shè)，以便更加深入、更加廣泛地服務(wù)于能源科學(xué)與工程學(xué)科學(xué)生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)。