太阳能有机朗肯循环发电系统分析

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(1.山东建筑大学 机电工程学院，山东 济南 250101;2.山东建筑大学 热能工程学院，山东 济南 250101)

太阳能有机朗肯循环发电系统分析

王振1，马洪芳1，孟扬2，马龙1，孙朝栋1

(1.山东建筑大学 机电工程学院，山东 济南 250101;2.山东建筑大学 热能工程学院，山东 济南 250101)

为高效利用太阳能，提出了太阳能平板集热器与有机朗肯循环相结合的发电系统。本文从太阳能低温发电系统的基本原理、工质选择及系统组成部分入手，分析了影响系统循环效率的因素。发现具有较大潜热与显热之比的干性或等熵有机工质适合本发电系统，并且膨胀机和冷凝器对系统循环效率影响较大。采用增加内部热交换器的再热循环、抽汽回热循环可以降低冷凝器的冷凝负荷，选择合适的再热度、抽汽量及抽汽压力可以提高系统循环效率。

太阳能；有机朗肯循环；工质；再热循环；抽汽回热

0 引言

将低品位的太阳能转化为高品质的电能是太阳能利用的优先方向。主要手段为光伏发电和光热发电[1]。当前光伏发电主要依靠高纯度的硅晶片，光电转化效率较低，发电成本高，影响了其大规模的普及。与光伏发电相比，光热发电在经济性能、技术及环保等方面均有很大优势。结合太阳能分散性强、品位低、适合得到中低温热能的特点，有机朗肯循环(organic Rankine cycle，简称 ORC)在中低温领域热力循环性能表现优越，将ORC与太阳能集热器相结合，提出太阳能低温有机朗肯循环发电系统[2]。

太阳能低温ORC发电系统采用低沸点有机工质，通过换热器间壁换热汽化，产生高温高压蒸汽，推动动力机械做功，进而带动发电机发电。其优点是发电量可以随充入的循环工质种类和流量等进行调节，并且单机发电量小，整体设备尺寸小，结构简单，成本较低。影响太阳能低温ORC系统的因素较多，本文主要分析系统组成中动力机械的选择、集热器蒸发温度和冷凝器冷凝温度对系统效率的影响、工质与热源的换热及匹配、添加内部换热装置和抽汽回热装置对系统循环效率的影响。

1 系统基本原理

选取有机物作为系统循环工质，由于其沸点低，可以在低温条件下产生较高压力的蒸汽，进而推动膨胀机做功，适用于低温热源发电系统[3]。

太阳能ORC低温发电系统主要包括太阳能平板集热器、膨胀机、冷凝器、储液罐、工质泵等部分。系统原理如图1所示。

图1 太阳能低温ORC原理图

太阳能低温ORC系统基本原理：有机工质液体经平板集热器与太阳能进行换热，产生饱和蒸汽或过热蒸汽流出集热器，然后进入膨胀机做功，将热能转化为机械能，再由发电机转化为电能，膨胀出口的乏汽进入冷凝器冷凝后变成饱和液体进入储液罐，经工质泵加压进入平板集热器，完成一次循环。循环流程图如图2所示。

图2 干工质循环流程图

1-2过程：饱和蒸汽驱动膨胀机进而带动发电机发电，气态工质在此膨胀工程中因焓降较大、散热量小，可简化为绝热膨胀过程。1-2′为可逆的理想等熵膨胀。

2-3过程：低压气态工质在冷凝器中冷凝为液体，对外放热，可简化为定压冷却过程。

3-4过程：有机工质经过泵增压，进入平板集热器。此时工质温度与环境温度相近，泵向周围的散热可忽略不计，可简化为绝热压缩过程。3-4′为理想可逆的等熵压缩。

4-1过程：工质在集热器中加热，由于阻力的存在会有压力损失，为方便计算，将该过程理想为定压吸热过程。

对太阳能低温ORC系统的评价指标通常基于系统循环的热效率、()效率、不可逆损失等[3]。

(1)膨胀机膨胀过程中，工质对外做功

WT=mwf(h1-h2)ηstηmt

(1)

式中mwf——工质的质量流量；

ηst——膨胀机的等熵效率；

ηmt——膨胀机的机械效率。

膨胀机不可逆损失为

IT=T0mwf(s1-s2)

(2)

式中T0——环境温度。

(2)冷凝器冷凝过程中，工质放热

Qc=mwf(h2-h3)

(3)

冷凝过程中不可逆损失为

(4)

式中TL——冷凝器的冷源温度。

(3)蒸发过程中系统吸收的热量

Qe=mwf(h1-h4)

(5)

吸热过程的不可逆损失为

(6)

式中TH——蒸发器热源的温度。

(4)泵加压过程中，工质吸收的外功

(7)

泵的不可逆损失为

Ip=T0mwf(s4-s3)

(8)

朗肯循环热效率

(9)

(10)

系统的总不可逆损失

(11)

2 工质的选择

ORC循环工质一般如下分类:

(1)直链式烃类和芳香族烃类，如丁烷、戊烷等，优点是具有很好的热力学性能，缺点是易燃；

(2)全氟化烃，如六氟苯环等，具有很好的安全性与稳定性，但是热力学性质不佳；

(3)氟代直链烃类，属环境友好型、较高研究潜力型工质；

(4)硅氧烷类，如六甲基二硅氧烷及硅氧烷类混合物等，具有低毒性，低可燃性的特点，适用于高温热源。

Quoilin[4]等人以太阳能为热源，在热源温度为100～200℃范围内，分析比较了4种常用有机工质，认为Solkatherm和R245fa较佳。Bahaa Saleh[5]等人对31种纯工质进行了理论计算，提出R236ea、R245ca、R245fa、R600、R600a、R601a、RE134、RE245均适合作为太阳能有机朗肯循环发电的工质。徐建等[6]对61种工质进行了研究，确定出丙烷、R600等8种适合低温有机朗肯循环的工质。

有机工质沸点低，可在较低蒸发温度下汽化，适合回收低温热能。与水相比，有机工质汽化潜热要小得多，具有两方面优势：首先，有机工质吸收同样的热量，产生的蒸汽量大，参与膨胀做功的质量流量大，发电效率较高；其次，有机工质与低温热源换热过程中，换热温差和不可逆损失较小。如图3所示。

图3 热源与工质传热关系

热源温度在传热过程中如图a→b，温度不断降低。集热器及传热方式确定后，传热温差ΔT随之固定。节点温差限制了工质的最大蒸发温度和蒸发压力。c→f为工质温升曲线。水蒸气汽化潜热(de、d′e′段)较大，在热源温降为a→b时，只能获得较低的蒸发温度和压力。若要大幅度提高蒸发温度和压力，即图中c→d′→e′→f曲线，则热源温降曲线变为a→b′，很明显热回收量大幅减少。有机工质大多具有沸点低、汽化潜热小的特点，在热源温降曲线a→b范围内，可沿c→g→h→f曲线获得较高的蒸发温度和蒸发压力，提高能量回收热效率。

在ORC循环工质的选择上，要满足较低的臭氧耗损潜值(ODP)和全球变暖潜值(GWP)。除此之外，还应考虑两点[7]：

(1)潜热高或者潜热/显热之比大。对R134a、R245fa、R123和R141b四种工质在同样蒸发温度下，进行了计算，如表1所示。

表1 四种工质的循环性能指标

由上表可知，在同样的蒸发温度下，有机工质汽化潜热较高，则潜热与显热比值也较大，系统输出1 kW的功所需要的工质质量流量要小；当工质质量流量为1 kg/s时，系统净输出功大，()效率也较高。

对于同种工质，随着蒸发温度的升高，潜热不断降低。从饱和汽化线分析，蒸发温度升高，则工质饱和汽化线间的水平距离变短(即潜热变小)。“潜热—蒸发温度”关系如图4所示。

图4 潜热随蒸发温度变化曲线

(2)在T-S图中，饱和蒸汽线斜率dT/dS>0为干工质，dT/dS→±∞为等熵工质，dT/dS<0为湿工质。对于湿性工质，循环效率随膨胀机入口处过热度的增加而增加；对于干性工质，循环效率随过热度的增加无明显变化。

饱和蒸汽线斜率可按式(12)计算[8]

(12)

cp——温度为Te时的定压比热容；

Te——集热器蒸发温度；

Tcr——工质的临界温度；

ΔHe——温度Te时的蒸发焓；

n——相关指数，建议取0.375或0.38[9]。

如图5所示。

图5 不同性质的有机工质

太阳能低温ORC系统循环工质的选择一般应从以下几个方面考虑：

(1)环保性能，即具有较低的ODP和GWP；

(2)良好的热力学性能。在相同的集热条件下，可提供更多的动力；

(3)合适的压力水平。蒸发时压力不宜过高，否则会引起承压及密封性能等问题；冷凝时压力不宜过低，以防由于压力低导致外界空气渗入而影响循环性能；

(4)工质的临界参数、标准沸点及凝固温度。冷凝温度受到环境温度的限制，能调节的范围有限(一般在20～30℃之间)，因此工质临界温度不能太低；为确保工质在循环过程中不凝固，工质的凝固温度应小于系统循环中的最低温度。

(5)工质的安全与稳定性。包括无毒、不易燃、不易爆，运行安全可靠；热稳定性能好，不易分解，不腐蚀设备；

(6)工质的经济性能。循环工质应尽量廉价、易购买，便于输送和储存。

3 系统的各组成部分

3.1 太阳能平板集热器

平板集热器的效率是影响系统效率的重要因素，对其进行优化可以提高系统循环性能。大部分低沸点有机工质传热性能比水差，故应增大金属换热面积。从结构上，合理布局增加金属换热面积；从工质上，尽量使工质在加热过程中与热源温度变化相配合，减小换热温差。

平板集热器可接收不同方向的入射光，极大程度地利用了太阳直射和漫射光线。现阶段平板集热器的制造成本较低，且易于模块化，小型化，可与建筑相结合，平板集热器如图6所示。

图6 典型平板集热器

太阳能平板集热器特点:与聚光型集热器相比，结构简单；通常固定安装，不需复杂跟踪装置；太阳辐射能的吸热面积与透光面积基本相等；可同时利用太阳光的直射和散射；成本较低；工作温度较低，在100℃左右。

太阳能平板集热器工作原理:太阳光穿过透明盖板到达吸热板，经选择性吸收涂层吸收，产生光热效应，然后将热能传给集热排管和集管中的工质。

3.2 膨胀机

膨胀机将高压气体膨胀，对外输出机械功。目前膨胀机主要有两类：速度型和容积型。速度型膨胀机将蒸汽的能量转化为高速动能，再由动能转化为旋转机械的轴功。其特点是功率越小，转速越高，高转速对轴承与轴封的要求也较高，成本增加，甚至难以实现，不适用于功率较低的ORC系统。容积式膨胀机通过气体体积的改变来获得相应的膨胀比和焓降。其特点是功率小，则转速也低，适用于小型或微型ORC系统。常见的容积式膨胀机有活塞式、螺杆式、旋叶式及涡旋式。

以往采用的透平机(速度型膨胀机)除不适用于低功率ORC系统外，还存在诸多缺点。有机工质在进入和离开透平机的相态必须保证为纯汽态，否则液滴将损坏高速旋转的叶片。故透平机多与干性工质匹配，必要时还需保证一定的过热度，过热度的存在既不能提高系统热效率，还会降低集热器的集热效率。螺杆膨胀机结构简单、运动部件少，与透平机有着不同的结构特点，通入螺杆机的工质可以为纯气相或气液两相。液体的存在对螺杆机的运行影响很小，甚至在一定程度上起到密封和润滑作用，减少膨胀机的泄漏和磨损。

膨胀比是膨胀机做功能力的重要指标，通常是指膨胀机出口处与入口处的气体体积之比。膨胀机结构参数确定后，机械膨胀比随之确定。系统运行中机械膨胀比应尽量与工质蒸汽膨胀比相匹配。若机械膨胀比大，工质膨胀后气体压力低于背压，造成冷凝工质的回流，影响系统稳定运行；若蒸汽膨胀比大，工质未膨胀至背压便已结束，膨胀不充分，可利用热能直接被冷凝，造成热效率的降低。

3.3 冷凝器

有机工质在膨胀机膨胀做功后，成为低温低压的乏汽，若再次进入集热器完成循环必须经过冷凝器充分冷凝，变为低温饱和液体或者过冷液体。冷凝温度限制了膨胀机背压，影响到工质最大膨胀比，进而决定了系统的做功能力。因此冷凝器要充分考虑集热器换热量和膨胀机的做功能力，根据其差值选择或设计。

当膨胀机乏汽处于过热蒸汽状态时，冷凝器入口先进行过热蒸汽被冷却为饱和蒸汽的单相气体强制对流换热。理论上工质与冷源的最小传热温差越小，冷凝温度越低，发电量也就越高，但冷凝器的换热面积也就越大，通常最小传热温差的取值为3～7℃。

工质在冷凝器中由饱和蒸汽冷凝至饱和液体，这占据了冷凝器换热的绝大部分，也可以从T-S图上得到验证。为了保证工质泵稳定工作，一般要求其入口液体为过冷液体，过冷度控制在-272.65～-272.55℃[10]。过冷段只占冷凝过程中很少的部分。

冷凝器通过低温介质使膨胀机出口的乏汽充分冷凝，为储液罐提供充足的液体。为充分冷凝，冷凝器的面积应适当增大。低温介质温度也不宜过低，否则会对集热器造成负荷。由于环境限制，冷凝温度可调节范围较小，要充分考虑集热器换热量和膨胀机的做功能力，根据其差值选择或设计。

3.4 工质泵

工质泵对冷凝液体加压来维持工质的循环，低工况下工质泵的功耗将不可避免的降低系统的热功转化效率。

工质泵的扬程要满足蒸发压力与冷凝压力之间的压差，功率不易过大，满足正常工作即可，避免系统自身耗电量的进一步增加。

4 系统改进及优化

膨胀机出口乏汽温度较高时，既增加冷凝器的冷却负荷，也造成热能利用的浪费，对系统改进及优化成为解决问题的有效途径。主要采用添加内部换热器的再热式和抽汽回热的方式。

4.1 采用再热型循环

在太阳能ORC系统的基础上增加内部热交换器(Internal Heat Exchanger，简称 IHX)，即采用再热型循环，虽然成本有略微增加，但系统的热效率有相对的提高。膨胀机乏汽不是同基本ORC系统那样直接冷凝，而是先对工质泵流出的低温饱和液或过冷液进行预加热，然后才送入冷凝器冷凝。Costante[11]指出，热交换器对于采用分子量较大工质的ORC系统而言，是提高循环效率的关键设备；Pedro J. Mago[12]认为再热式ORC系统提高了热效率，降低了系统的不可逆损失和蒸发吸热量。再热型太阳能ORC系统原理如图7，T-S如图8所示。

图7 再热型原理图

图8 再热型T-S图

增加换热器后，冷凝器负荷降低，冷却水流量可以明显降低，系统成本也得以降低。但集热器的工质进口温度提高，不可避免造成集热器效率的降低，可通过适当增加工质流量来提高集热效率。

4.2 采用抽汽回热型循环

抽汽回热式通常分为一级抽汽和分级抽汽，在一种或者两种蒸汽压力下抽出部分已做过功的蒸汽，加热冷凝后的液态工质，热效率和()效率均得到提高。分级抽汽和一级抽汽原理相同，循环效率计算公式相似，下面仅就一级抽汽回热进行分析。如图9、图10所示。

图9 抽汽回热型原理图

图10 抽汽回热型T-S图

假设状态1处单位质量的有机工质蒸汽进入膨胀机做功，在温度、压力达到状态2时抽出质量为σ的蒸汽直接进入回热器，剩余(1-σ)质量的蒸汽在状态2下继续膨胀做功到达状态3，经冷凝器冷凝为饱和液体或过冷液体，再经工质泵1加压进入回热器中，与质量为σ的过热蒸汽融合汇成状态6的液体，再经工质泵2加压进入集热器，完成循环。

Mago[13]利用拓扑学的方法分析了采用R113工质的普通ORC和回热循环的()效率，也同样得出再热循环系统具有更高的热效率和或效率，并进一步指出回热循环提高了工质进入蒸发器时的温度，使蒸发器的()损失减少了37%；Mortaza Yari[14]分析了4种ORC系统，分别是基本式、带IHE的再热式、回热式、带IHE的回热式ORC系统。循环效率均得到不同程度的提高。

抽汽压力及抽汽量均是抽汽回热型循环系统的关键参数。由回热器部分能量守恒可知

(13)

可得

(14)

膨胀机输出功

(15)

膨胀机不可逆损失为

(16)

合理的抽汽压力及抽汽量会增加系统的循环效率。但若抽汽压力过大，在有机工质具有较大膨胀做功潜力时将其抽出，造成对外输出功的降低。并且由于集热器入口工质温度的升高，集热效率和吸热量均降低，抽汽压力过大会造成对外输出功比吸热量降低的更快，循环效率反而下降。

5 结论

与太阳能高温热发电相比，太阳能低温ORC发电系统无须聚焦设备及复杂的太阳光跟踪装置，平板集热器成本低且可有效利用漫射。各子系统尺寸小，结构紧凑，易与建筑相结合。总结如下：

(1)对太阳能低温ORC系统的评价指标通常基于朗肯循环热效率、()效率、不可逆损失等。并列举了基本太阳能低温ORC系统相关计算公式。

(2)适合太阳能低温ORC发电系统的工质多为干性工质或等熵工质，重点指出较大的潜热与显热之比的工质具有与低温热源匹配、循环效率更高的优势。

(3)重点分析了膨胀机、冷凝器对系统循环效率的影响，特别是螺杆膨胀机具有较大优势，拓展了工质的选择范围。

(4)再热型、抽汽回热型系统是在基本ORC系统的基础上进行的改进与优化，合适的再热度、抽汽压力及抽汽量能不同程度的提高系统的循环效率，减少系统不可逆损失。

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AnalysisforSolarPowerGenerationSystemofOrganicRankineCycle

WANG Zhen1, MA Hong-fang1,MENG Yang2, MA Long1, SUN Chao-dong1

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China；2.School of Thermal Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China)

A power generation system of solar flat plate collector combined with organic Rankine cycle is proposed in order to use the solar energy efficiently. The factors that influence the circulation system efficiency are analyzed by the basic principles of solar power system at low temperature，working fluid selection and system components. Both the dry and isentropic organic working fluid with bigger ratio of latent heat to sensible heat is suitable for the power system，and expander and condenser have a greater influence on the cycle efficiency of the system. Cooling load of the condenser can be reduced by adding internal heat exchanger of the reheating cycle and regenerative extraction cycle. In addition, the cycle efficiency of the system could be improved by electing the appropriate reheat degree, extraction volume and extraction pressure.

solar energy; organic Rankine cycle; working fluid; reheating cycle; regenerative extraction

2013-11-09修订稿日期2014-03-21

国家自然科学基金(No.51275279)；山东省科技发展计划(No.2010G0020318)；山东省自然科学基金(No.ZR2010EM062)；山东省教育厅科技计划(No.J12LA12)

王振(1987～)，男，硕士研究生，主要从事太阳能光热发电的研究。

TM615

A

1002-6339 (2014) 05-0397-07