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熱電聯(lián)產(chǎn)(又稱汽電共生,英語:Cogeneration, combined heat and power,縮寫:CHP),是利用熱機或發(fā)電站同時產(chǎn)生電力和有用的熱量。三重熱電聯(lián)產(chǎn)(Trigeneration)或冷卻,熱和電力聯(lián)產(chǎn)(CCHP)"是指從燃料燃燒或太陽能集熱器中同時產(chǎn)生電和有用的熱量和冷卻。

熱電聯(lián)產(chǎn)是燃料的熱力學有效使用。 在單獨的電力生產(chǎn)中,一些能量必須作為廢熱被丟棄,但是在熱電聯(lián)產(chǎn)中,這些熱能中的一些被投入使用。所有熱電廠在發(fā)電期間排放的熱量,可以通過冷卻塔,煙道氣或通過其它方式釋放到自然環(huán)境中。相反,熱電聯(lián)產(chǎn)捕獲一些或全部用于加熱的副產(chǎn)物,或者非常接近于工廠,或者特別是在斯堪的納維亞和東歐,作為用于生活區(qū)域加熱的熱水,溫度范圍為約80至130℃。這也稱為"熱電聯(lián)產(chǎn)區(qū)域供熱"(combined heat and power district heating, 縮寫CHPDH)。小型熱電聯(lián)產(chǎn)廠是分散式發(fā)電的一個例子。在中等溫度(100-180℃,212-356°F)下的副產(chǎn)物熱量也可以用于吸附式制冷機中以進行冷卻。

熱電聯(lián)產(chǎn)為一種工業(yè)制程技巧,利用發(fā)電后的廢熱用于工業(yè)制造或是利用工業(yè)制造的廢熱發(fā)電,達到能量最大化利用的目的。以先發(fā)電式來說由于傳統(tǒng)發(fā)電機效率只有30%左右,高達70%燃料能量被轉化成無用的熱,汽電共生能再利用30%的熱能于工業(yè),使燃料達到60%效率。系統(tǒng)使用了各種工業(yè)機具原本就會在運作中所產(chǎn)生的廢熱,等于所發(fā)的電都是額外的收益。

熱力發(fā)電廠(包括使用易裂變材料或燃燒煤,石油或天然氣的熱力發(fā)電廠)和一般的熱機不將所有的熱能轉換成電能。在大多數(shù)熱機中,略多于一半的熱量作為多余的熱量被損失(參見:熱力學第二定律和卡諾定理)。通過捕獲多余的熱量,熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)使用在常規(guī)發(fā)電廠中浪費的熱量,對于最好的常規(guī)發(fā)電廠, 有潛力達到高達80%的熱效率。這意味著能夠消耗更少的燃料而產(chǎn)生同樣多的有用能量。

當熱量可以在現(xiàn)場使用或非常接近時,熱電聯(lián)產(chǎn)是最有效的;但當熱量必須傳輸較長距離時,總效率則降低:這需要高度隔熱的管道,其價格昂貴并且低效;而電可以沿著相對簡單的電線傳輸,并且對于相同的能量損耗可以在更長的距離上傳輸。

在冬季寒冷的地區(qū),常見在汽車發(fā)動機的散熱器上連接管道、將熱水導入車廂內(nèi)進行加熱的做法,此時發(fā)動機變成熱電(以及機械動力)聯(lián)產(chǎn)設備。該示例說明了熱電聯(lián)產(chǎn)的部署取決于熱的利用是否集中于熱機附近的觀點。

熱電聯(lián)產(chǎn)是在寒冷氣候中減少供熱系統(tǒng)碳排放的最具成本效益的方法,被認為是將能源從化石燃料或生物質(zhì)轉化為電力的最節(jié)能的方法。熱電聯(lián)產(chǎn)廠通常在城市的區(qū)域供熱系統(tǒng)、醫(yī)院、監(jiān)獄等建筑物的中央供暖系統(tǒng)中使用,并且通常用于工業(yè)用水、冷卻、蒸汽生產(chǎn)等產(chǎn)熱過程中。

先發(fā)電式

鍋爐蒸氣先用于發(fā)電,用剩的蒸氣熱能再投入某種工業(yè)制程,同時發(fā)的電也投入工業(yè)制程,剩電賣給電網(wǎng)。

適合中等溫度制程的產(chǎn)業(yè):食品、造紙、化工、養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè) 現(xiàn)有系統(tǒng):

燃氣渦輪機外掛廢熱爐式
燃氣渦輪機式
蒸氣渦輪機式
復合循環(huán)式
柴油引擎式

后發(fā)電式

鍋爐蒸氣先用于某種工業(yè)制程,用剩的蒸氣熱能再投入發(fā)電,同時發(fā)的電也投入工業(yè)制程,剩電賣給電網(wǎng)。

現(xiàn)有系統(tǒng):

蒸氣渦輪機式
有機朗肯機式(Organic Rankine Cycle)

微型熱電聯(lián)產(chǎn)

微型熱電聯(lián)產(chǎn)(MicroCHP, 或MCHP)是所謂的分布式能源(DER),在房屋或小型企業(yè)中的安裝通常小于5kWe,而不是燃燒燃料僅僅加熱空間或水,除了熱以外,能量被轉換成電。這種電可以在家庭或商業(yè)中使用,或者如果電網(wǎng)管理允許,則被賣回電網(wǎng)。

Delta-ee顧問公司在2013年表示,在全球銷售的64%,燃料電池微型熱電聯(lián)產(chǎn)在2012年超過了常規(guī)系統(tǒng)銷售。2012年在日本"Ene農(nóng)場項目"中銷售了20,000臺。使用壽命約60,000小時。對于在夜間關閉的PEM燃料電池單元,這相當于估計壽命為十年至十五年。安裝前價格為22,600美元。2013年,國家對50,000個單位的補貼已經(jīng)到位。

小型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展為住宅級太陽能光伏(PV)陣列的內(nèi)部電力備份提供了機會。在2011年的一項研究結果表明,PV+CHP混合系統(tǒng)不僅具有從根本上減少現(xiàn)有電力和供暖系統(tǒng)中的能源浪費的潛力,而且還使太陽能光伏的份額能夠擴大約五倍。

微型熱電聯(lián)產(chǎn)裝置使用五種不同的技術:微型燃氣渦輪發(fā)動機,內(nèi)燃機,斯特林發(fā)動機,閉式循環(huán)蒸汽機,和燃料電池。

三重熱電聯(lián)產(chǎn)

產(chǎn)生電,供熱和制冷的工廠稱為"三重熱電聯(lián)產(chǎn)"(Trigeneration), 或多重聯(lián)產(chǎn)工廠。與吸附式制冷機相連的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)使用廢熱進行制冷。

熱電聯(lián)產(chǎn)區(qū)域供熱

參見:紐約市地下蒸汽系統(tǒng)

在美國,聯(lián)合愛迪生公司(Consolidated EDIson)通過其七個熱電聯(lián)產(chǎn)工廠每年向曼哈頓區(qū)的10萬棟建筑分配660億公斤350°F(180°C)的蒸汽,這是美國最大的蒸汽區(qū)。峰值交付量為每小時1000萬磅(或約2.5GW)。

當適應建筑物或需要永久的需要電力,供暖和制冷的建筑群時,三重熱電聯(lián)產(chǎn)具有最大的好處。這樣的安裝包括但不限于:數(shù)據(jù)中心,制造設施,大學,醫(yī)院,軍事設施和學校。本地化三重熱電聯(lián)產(chǎn)具有分布式發(fā)電(Distributed Generation)描述的附加好處。在任務關鍵型應用中冗余的功率,更低的功率使用成本和將電力賣回本地電網(wǎng)的能力是幾個主要優(yōu)點。即使對于小型建筑物,例如單獨的家庭住宅三重熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),由于能源利用增加而提供優(yōu)于熱電聯(lián)產(chǎn)的益處。這種提高的效率還可以提供顯著減少的溫室氣體排放,特別是對于新社區(qū)。

大多數(shù)工業(yè)國家在具有大電力輸出能力的大型集中設施中產(chǎn)生其大部分電力需求。這些工廠具有優(yōu)良的規(guī)模經(jīng)濟,但通常長距離傳輸電力,造成相當大的損失,對環(huán)境產(chǎn)生負面影響。只有在工業(yè)區(qū),附加發(fā)電廠或城市的緊鄰地區(qū)存在足夠的需求時,大型發(fā)電廠才能使用熱電聯(lián)產(chǎn)或三重熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。在主要城市中具有三重熱電聯(lián)產(chǎn)應用的實例是紐約市蒸汽系統(tǒng)。

通常,對于燃氣發(fā)電廠,每千瓦(kW)電力的完全安裝成本約為￡400英鎊/ kW($577美元),這與大型中央發(fā)電站相當。