清华大学梅生伟：第四代发电技术 新型碟式热声发电系统效率已达32%

“我们的碟式热声发电，本质上属于光热，把它叫第四代发电技术，我们可以看基本的原理，它的原理简单的讲是用光热，相当于聚焦、制造一个热端，经过热到声压力波到机械能最后到电能，效率能达到32%。这是我们在青海大学装的碟式发电系统，外表非常的美观，效率很高，没有任何污染，完全静声的系统。”

——清华大学电机系教授、长江学者、杰青、IEEE电子工程师协会会士、IET英国工程技术学会会士 梅生伟

直播专题：第十一届中国（无锡）国际新能源大会暨展览会

以“变革·创新·突破”为主题，集中展示分布式光伏、储能、分散式风电、新能源汽车及充电桩、工业园区综合用能、氢能、智能电网等领域的新产品和新技术。由中国贸促会、江苏省人民政府主办的“第十一届中国（无锡）国际新能源大会暨展览会”于2019年11月7-9日在无锡太湖国际博览中心和无锡君来世尊酒店隆重举行。北极星太阳能光伏网作为战略合作媒体将对大会进行全程直播。

清华大学电机系教授、长江学者、杰青、IEEE电子工程师协会会士、IET英国工程技术学会会士 梅生伟

尊敬的各位领导、各位同仁，大家上午好。我非常容幸有这个机会跟大家交流一下智慧微能源网与太阳能高效利用方面我们做的一些工作。

我本人从2014年开始在青海大学兼职新能源学院院长，所以今天这个工作实际上也是我在青海大学工作的一个总结。

我主要内容分几个部分，一个是提出技术的背景，第二是简述一下我们对于智慧微能源网内涵的理解，第三是核心技术，要组成微能源网，核心是能源枢纽我们提出清洁能源网路由器，第四是我们做的实践。

我们面临的能源发展形势还是比较严峻的，我们国家的能耗总量和能耗强度都应该说是世界之最，所以发展清洁能源，提升清洁能源的占比应该说是我们战略性的选择。

我们看一下电力系统的发展趋势，我们从左边可以看到，从传统的互联电网到十年前的智能电网到今天的智慧能源互联网是走过三个阶段。传统的互联电网一次能源比如说我们常规电厂水电、火电，风光走向发电这一侧，还有电力电网变压器，现在涉及了智慧微能源网，以电能为核心把多能源进行传输存储。在供给侧是多种形式能量综合利用，包括冷热电，这里面我们看到有核心的环节就是储能和综合能源系统，相当于我们过去传统电网的变压器，这么一个层次。尤其今天要涉及的是能源互联网分布式一个形态，我们叫智慧的微能源网，它也能够提高我们能源的综合利用效率，尤其是太阳能作为利用的重点。

储能定位应该是战略性的，美国的前能源部长朱里文（音译）先生说储能技术与太阳能技术相结合其对配电和发电领域的影响可与当年互联网造成的颠覆性冲击相媲美，把储能定位成非常高的战略性位置。

微网实际上是区域电网，我们讲有几个要素，一定要有清洁能源，一定要有储能，严格实现碳排甚至零排放。以自用电为主，装机容量一般小于两位兆瓦级，这是微网。怎么叫智能？满足三方面的指标，安全、经济、环保，在我们传统的物理系统加智能智慧的智慧控制系统，我们可以建立区域化的控制中心，如果实现安全、环保、自趋优的能力我们就称为智能的微电网。

我们把这个概念从微电网扩充到微能源网，它是能源互联网的分布式表现形态，由微网、区域热网、区域共能网组成，关键是有能量的枢纽，把冷热电无论是电源还是供给侧能够结合起来，同样也是一样，如果你要在前面加上智慧两个字，从我们系统科学控制的角度来讲你必须具有安全、经济、环保多指标自趋优能力，有这样的系统就称之为智慧的微能源网。

我们看五大特征，分布式是区域的综合能源系统，多能互补，通过能量枢纽能够耦合热电、气、交通等网络，核心当然是我们的区域电网，并网、离网能够平滑运行，满足热、电、气需求，最大程度消耗可再生资源，就是安全、经济、环保多指标趋优。

最关键的是能量的枢纽能够把冷热电集成起来。一般的冷热枢纽传统做比如说电器热到电冷热可以看到可以直联、转换、存储，功能上也有不同的技术，热电联产、电热水泵，通过枢纽进行连接，这个过程是单向的耦合，冷热电到电器热双向实现耦合还要做工作。我们怎么做？我们提出一种基于压缩空气的清洁能源路由器，可以看到输入可以是风电、光伏，也可以是光热，也可以说是余热。我的压缩机可以制造产生压缩空气，我也可以存储压缩热，我的蓄热单位可以直接压缩空气，最终输出端可以用空气投屏（音），用蓄热单元可以共热，今天讲的能量枢纽实际上是用压缩空气这种技术完成的。

我们看看压缩空气的三代史，1978年德国第一代常规压缩空气储能，第二代提出的压缩空气储能，第三代是复合式压缩空气储能，今天讲的重点是第三代的复合式压缩空气储能用它来做能量的枢纽。

第一代是这样的，我们可以从这边看，德国的补燃式电站，有排放还要依赖天然气。2011年当时清华大学提出非补燃压缩空气储能技术，我们把高压空气存到储存室，把压缩热存到储热室，电力向压缩热能解耦存储。这是一个全部的物理过程没有任何排放，工作介质就是空气，末端可以输出电，因为我是空气透平，我还可以输出冷量，我存在储热室高端可以发电低端还要发热，可以取代燃气轮机的冷热电三联供，我们想拿它来做能量的枢纽。这是在安徽芜湖做的工业试验电站，能量就以高压气体和热能的形式分别存储，发电的时候高压加上高温的空气驱动空气透平发电，完全清洁绿色的冷热电安全系统。

我们第三代复合式压缩空气储能系统就把这个概念大大扩展了。输入侧不光可以输入风电、光伏和低谷电，还可以输入光热也可以进来，我可以储气，可以有熔融焰对应500度的高温，水可以对应100多度的高温，成梯度的工作可以形成梯度趋热系统，我可以供电不同的热，比如说热蒸汽、热水等等还可以输入冷量，实现能量梯级利用，形成新一代的能量枢纽，把这个叫做清洁能源路由器。

它的核心就是复合式的压缩空气储能，所谓复合不光是光伏和风电，还有光热等等也可以进入，主要的功能八个字，多能联储、多能联供。

我们下面看一看我们在青海大学做的工作。青海位于青藏高原面积是72万平方公里，国家把青海定为清洁能源绿色能源的输出基地，太阳能利用实际上关乎我们国家能源战略安全和可持续发展。

我们讲的是集中开发，还有一种利用是分布式这个系统的利用。我们在青海大学尝试这几年做了一个工作，就是校园我基于太阳能搭建了微能源网系统，这个系统有十个子系统加上人工智能的调控系统，就是安全、经济、环保多指标的自趋优，大家看到我有多功能电站，我有光热系统，我有屋顶光伏、太阳池、热气流、全光谱，今天国内外四代太阳能技术、储能技术、光热技术等等在我这个微能源网里面全部都有体现。

从内往外看我这个网络，电、热、冷三个网络，要实现冷热电的综合供给，综合的生产，我靠什么把它集结起来，就靠下侧的复合式压缩空气储能集结起来形成一个网络，最后达到智慧多指标自趋优的层次。

要引入在压缩空气储能在输入端引入热源提供热量我们就瞄准了光热这样一个技术途径。实际上给储热系统加上光源。我们做性能比较槽式、塔式和碟式我们最后在经济比较来看选择了槽式作为主要来源。中间有一个吸热管，这个原理我就不说了。把这样一个槽式系统输入到储热单元里面，提供高温的热量，就在青海大学的校园里面首先建设了这样一个能量的枢纽，我们叫Energy Hub我有压缩机我利用光伏把空气压倒储气室里面，工业四个钢罐。我压缩热还有后面的储热器，我用的高温导热油有320的温度，完成了太阳能向压力势能高压气体还有压缩光热能量存储，现在是可控的原来是波动的我输出的时候可以输出电力和不同的热量包括冷量，实现多能联供、多能联储。

我们做的这个测试系统有三种逆变器，微逆、智能优化和组串式，我们可以维尼十种组合方式，这是组建类型齐全测试功能完备的试验电站，服务于青海大学乃至青海的光伏电站科研包括教学的工作。

第二个系统我们搭建了50千瓦的光热系统，地日镜、反视镜形成600度的光斑，本来是飞机的碳纤维回收的，实际上就是光热电站的流程。大家看到我有地日镜、反射镜，实际上也可以作为锅炉发电的。

第三个我们开发了高原的热气流系统，这实际上就太阳能烟囱，我有一个烟囱，用玻璃钢搭一个温室，温室的四周是开放式的，底下用鹅卵石或者水泥混凝土搭一个平台，相当于温室效应，用温室燥湿空气，然后温度升高密度降低，与外界环境形成气压差，通过烟囱引导空气产生上升气流，从而驱动涡轮发电机发电。混凝土是吸热的材料，到晚上太阳落山仍然可以发热，这是国外做的这样一个系统，100千瓦的。我们在青海大学搭建国内第一个能够发电的太阳能热气流系统，唯一需要的资源就是土地和阳光再加上热空气，所以对青海这样一个地域广阔加上太阳能丰富的地方这是一个完全有推广前景的一个系统。

这是第四代太阳能电池技术，我们现在光伏电站用的光伏能量只是紫外和可见光，只占太阳能全光谱的58%的能量，红外这一块是没有利用的。我们开展了全光谱发电技术，把可见光和红外分开了，一旦红外分出来以后它就能够形成一个热端，我再加一个冷端，冷热端有温差。再一个是BITV，我们在青海大学图书馆有五种发电单元，屋顶、门口栏杆、光顶的木墙还有相当于温室实际上是用来发电的，也是光伏建筑一体化的创新研究平台，我们说形成了现代建筑艺术美和技术美的统一。

我们做了基于太阳能人居环境，主要用太阳能这个能量可以发热、供电，尤其是热，我有蒸汽发射器可以做饭，有蒸饭柜和冷藏台，还可以淋浴，实现热的梯级利用，这是系统具体指标，有办公环境、人居环境，还可以发展农业，这是不同品类热量供给的情况。

再一个研究的是利用青海的丰富盐湖资源，实际上是修盐水池，两米深，因为重力的原因会形成上层是低密度的盐水，下面是高密度。分层以后上层就吸收红外长波的太阳光，低层就吸收短波，就是紫外和可见光，中间形成了一个隔绝层，上下层的对流被阻挡住了，所以下层的高盐分就可以大量吸收热量，仅仅两米深的盐水池就可以产生将近100度的温度，所以是一个聚热器。青海盐湖资源非常丰富的，修建这样一个池子成本也很低，太阳能的辐照强度也是全国最好的。

我们看国外，看以色列的太阳池，七千平米，发电功率可以达到150千瓦，巨大的热容量能够每天产生将近上千吨的开水。所以它可以拿去供热也可以做制冷。所以我们在青海大学也做了这样的系统，我们对于长波、短波、上下分层吸收不同，用这个原理。

再一个就是我们的碟式热声发电，本质上属于光热，把它叫第四代发电技术，我们可以看基本的原理，它的原理我简单的讲可以从这里看见，是用光热，相当于聚焦，制造一个热端，这里面是一个封闭的腔体，里面装上惰性气体，受热以后会膨胀，膨胀到冷端，冷了以后又会回流到热端，冷端膨胀的时候产生一个前向的波，回去又产生反向的，就形成一个声波，我们从太阳能、光热到热端，然后产生声波前后向的声波，中间装一个连感，我用斯特林机就可以发电。经过热到声压力波到机械能最后到电能，效率能达到32%。这是我们在青海大学装的碟式发电系统，外表非常的美观，效率很高，没有任何污染，完全静声的系统。

那几种主要系统装了以后我最后通过压缩空气储能枢纽集成在一块儿再装上监控系统就可以实现多指标，也就是安全、经济、环保综合优化运行。可以观测到整个冷热电从生产、存储到供给过程，实现全过程的优化。这是我们这个系统装设三年以来指标的统计，主要给校园用，今天高校系统，虽然我们起步比较晚，1.7万平米，是国内高校应该讲设备最全、功能最完整也是技术最先进的一个微能源网的试验平台。

接下来有一个五分钟的视频。百闻不如一见，我们看一下现场建设的情况。

我最后简短总结一下，智慧微能源网是一种高效的多能互补能源系统，我们讲智慧还是安全、经济、环保，今天讲的复合式压缩空气储能是一种非常理想的清洁能源路由器，可以构成微能源网的一个中坚。最后讲太阳能的利用其实包括光伏、光热、微电网、太阳能建筑一体化BITV等多种技术，总之是希望实现太阳能的高效利用。

谢谢大家。

（发言根据速记整理，未经本人审核）