可再生能源和可持续能源的利用(上)

周子成



可再生能源和可持续能源的利用(上)

周子成

[摘要]随着人类的进步和生产力的发展，能源的消耗量越来越大。地球上常规能源是有限的。可再生能源和可持续能源的利用变得十分重要。本文概述可再生能源和可持续能源的利用途径，重点介绍有机兰金循环的应用。

[关键词]可再生能源；可持续能源；利用

1引言

可再生能源包括水能、风能、太阳能、地热能、生物质能、工业过程的余热能等，它们都属于低品位能。这些能源在地球上十分丰富，而且这些能源在利用过程中对环境没有污染或影响较小。随着人类的进步和生产力的发展，能源的消耗量越来越大。地球上有限的常规能源终归是要用尽的。因而可再生能源和可持续能源的利用变得十分重要。

2015年12月12日，《联合国气候变化框架公约》195个缔约方一致同意通过了《巴黎协定》，为未来全球共同应对气候变化打造了一个可行的框架以及发展方向。该协定指出，各方将加强对气候变化威胁的全球应对，把全球平均气温较工业化前水平升高控制在2摄氏度之内，并为把升温控制在1.5摄氏度之内而努力。全球将尽快实现温室气体排放达峰，本世纪下半叶实现温室气体净零排放。与会各成员都发表各自承诺的减排计划。利用可再生能源和可持续能源是实现减少碳排放的重要措施。

世界银行2015年12月16日发布的社会资本参与基础设施建设数据库最新简报称，尽管2015年前6个月社会资本参与能源、交通和水务基础设施投资额大幅下降，但可再生能源项目(以太阳能为主)投资额上升至投资额的近一半，在投资总额中的占比达到历史上的最高水平。2015年各种形式的能源项目在总投资中占比达到64%。

我国经济正在以创新驱动的方式发展，规模日益增大，对能源的需求也日益扩大，近年来，在风能、太阳能、水源和地源能的利用上发展迅速，取得了较大的成绩。但从利用再生能源和可持续发展能源的技术深度和广度上，仍有很大的发展空间，从我国经济的可持续发展、全面建成小康社会和应对气候变化的需要出发，更大规模和更深层次地利用再生能源具有十分重要的意义。

有机朗肯循环机是一种类似于常规水蒸汽朗肯循环的能量转换系统，它使用制冷剂和烃类作有机物作为工质。由于水在一个大气压下的沸点是100℃，无法将大多数可再生能量转换成有用功。而制冷剂和烃类有机工质在一个大气压下的沸点是在零下几十摄氏度，利用朗肯循环能够将大多数低品位的可再生能量转换成有用功，因而有机朗肯循环机成为一种非常有潜力的用于可再生能量利用的循环。

本文概述可再生能源和可持续能源利用的各种方法和已取得的实际成果，重点介绍Bertrand F.Tchanche等人对有机兰金循环(ORC)应用的论述。

2二元地热发电厂

地球正在变得越来越暖。从地球中心发射的地下能量(通常被称为地热能)可用于工艺过程加热和/或发电。地球的热流—即在单位时间内从内部通过单位表面积释放到空间的热量，随不同的地理位置和时间而变化。地球的总产量估计约为4×1013瓦，比世界能源消费总量大三倍。地球表面附近的平均温梯度为约300K/公里，而且是不均匀分布，使得一些位置比其他位置更适合地热应用。意大利在1904-1905年由吉诺里孔王子蒂首先开始利用地热能发电的试验工作，并于1913年在意大利的Larderello建成第一个商业化的250千瓦的发电厂。目前，在全球有27个国家共504个地热发电厂在运行，总装机容量约10万千瓦。

地热发电厂的主要类型有干蒸汽、单闪发、双闪发和二元循环四类。表1归纳了它们之间一些特点的比较。

闪发系统是被用于中等和液体为主的热源，干蒸汽装置是用于干蒸汽热源，二元循环是适用于低温液体为主的热源。

图1示出了地热二元装置的系统组成。地热流体由泵从出水井抽出，经过蒸发器、预热器由回灌泵送至回灌井。有机制冷剂从液体泵经过预热器、蒸发器、涡轮机、冷凝器回到液体泵。冷凝器可以是空气冷却式、湿式冷却塔或干式冷却塔提供冷却水的水冷式。

第一个二元式地热发电厂1967年在俄罗斯的Paratunka投入运行。它的额定功率为680千瓦，使用水的温度为81℃。这种装置证明了二元概念的可行性。作为低于150℃低温地热流体，闪蒸蒸汽装置是很难实现成本效益的，二元选项是唯一解决方案。今天，二元发电厂是最广泛使用的地热电站类型，全球有162台机组在运行，产生373兆瓦的电力。它们占所有在运行的地热机组的32.14%，但只产生4%的总功率。

表2中给出了部分装置实例。自从1980年起由Ormat科技公司的发展并商业化。在MW级功率范围内，集成传统涡轮机的有机朗肯循环模块具有成本效益，而在较低功率输出范围中，由于缺乏廉价的涡轮机，使该项技术难以适用。Brasz等人提出使用HVAC组件。他们将一个标准350冷吨空调系统转换成200千瓦的有机朗肯循环发电厂。该产品的品牌名称为PureCycleR280，由美国联合技术公司(UTC)商业化。基于该技术的装置还有：东哈特福德(CT)，奥斯汀(德克萨斯州)，丹维尔(IL)和切纳(阿拉斯加州)等。类似的开发工作已经由史密斯和Stosic在英国的城市大学中进行，成功地将螺杆压缩机转换为螺杆膨胀机。生产有机兰金循环商业化螺杆膨胀机的公司有Electratherm和BEP欧洲。

图1　二元地热发电厂流程图

表1不同地源装置类型的比较

类型热源温度(℃)利用效率(%)装置成本和复杂性双闪发干蒸汽单闪发基本二元240-320180-300200-260125-16535-4550-6530-3525-45中等→高低→中等中等中等→高

表2一些二元有机地热发电装置

装置/位置热源温度(℃)热源质量流量工质毛/净功率(MW)热效率(%)美国,Amedee美国,Wineagle奥地利,Altheim日本,Otake日本,Nigorikawa美国,Reno,NV104110106130140158205L/s63L/s86L/s14.661kg/s50kg/s556kg/sR-114异丁烷-异丁烷R-114异丁烷2.0/1.50.75/0.6-/1.0-/1.0-/1.027/21.744---12.99.8110.2

3太阳能利用

太阳能是来自太阳的辐射光和热，它是一种重要的可再生能源，而且是一个巨大的能源，它辐射到地球表面的能量高达400000000000MW，相当于每年360000亿吨标准煤，为全球耗能的2000倍。利用这种能源可以有多种方式，如太阳能采暖，太阳能制冷，光伏发电，太阳能热利用，太阳能建筑和人工光合作用等。

3.1光伏发电

光伏发电是利用光伏效应将太阳能直接转换成电能。光伏效应是指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。

第一个太阳能电池由Charles Fritts在19世纪80年代建造。1931年德国工程师布鲁诺·朗格博士开发了使用硒化银代替铜氧化物的光电池。虽然原型硒电池将太阳入射光转换为电的转换率不到1%，但这是一种重要的发现。继20世纪40年代罗素奥尔的研究工作之后，研究人员杰拉尔德·皮尔森、卡尔文福勒和达里尔蔡平等三人于1954年建造了晶体硅太阳能电池。这些早期的太阳能电池成本达到286美元/瓦，效率达到了4.5%～6%。到2012年，效率超过20%，目前光伏研究的最高效率已达到40%以上。

光伏发电目前已成功应用在路灯、灯塔等照明、宇航、人造卫星等诸多电力应用以及生活中的各种电力需求。

用光伏发电驱动制冷机的流程示于图2.

图2　太阳能光伏转换驱动压缩式制冷机

图3　格力光伏驱动离心式冷水机组

2013年格力推出中央空调光伏直驱变频离心机组，如图3所示。其主要原理是将新能源太阳能与永磁同步变频离心机相结合，可直接在不加任何DC/DC稳压环节的情况下使用太阳能供电，与太阳能直流系统对接。在太阳光伏能富余或机组不工作时，可以反向给市网供电，并通过发电、用电一体化的群控管理系统对系统进行智能化管理和调度，省去了并网逆变器，不仅能有效降低投资成本和占地，还能提高约6%～8%的光伏能利用率。

格力中央空调光伏直驱变频离心式冷水机组的技术核心有二：一是其采用比较省电的永磁同步变频离心冷水机组，二是其利用太阳能发电，节能环保，而且结合光伏发电系统所产生的是直流电，省去了交、直流转换，减少过程损耗。

据珠海格力电器股份有限公司的一位工程师介绍，其应用于珠海格力电器总部的项目建筑主体是一个建筑面积18000平方米的办公楼，由光伏板给空调设备供电。根据建筑的总冷负荷需要，配置功率419kW(按机组满负荷配置)，选定了1562块250W的多晶硅电池组件，功率为390.65kW，给光伏离心式冷水机组供电，光伏板铺设在面积为4000平方米的屋面上。与常规离心式空调系统相比，光伏直驱变频离心式冷水机组系统要增加投资375万元，年发电量是42.1万kWh，一年的综合经济效益(包括国家补贴及多余的电供应给电力公司)在69.2万元左右，投资回收期为5.4年。

3.2光热转换

太阳能光热转换是将太阳的辐射能和热能转换为有用的热能。有被动式和主动式两种利用方式。被动式是依靠建筑结构材料吸收和传递太阳能，通常作为供暖使用。主动式是用集热器接收热量，并用泵输送载热剂到需要供热的空间或工业过程，或生活热水等使用。

太阳能光热转换用作制冷的方式有吸收式制冷和吸附式制冷两种。

太阳能吸收式制冷是利用太阳集热器为吸收式制冷机提供发生器所需要的热水。热水的温度越高，吸收式制冷机的性能系数(COP)越高。若集热器的出水温度60℃至90℃，则吸收式制冷机的COP约为0.70。若出水温度达到120℃左右，则COP可达1.1以上。全球许多国家都建有太阳能吸收式制冷装置，如意大利、西班牙、德国、美国、日本、韩国、新加坡、香港等。

常用的吸收式制冷机有水-溴化锂吸收式制冷机和氨-水吸收式制冷机两种，前者主要用于空调，后者主要用于冷冻冷藏。

太阳能吸附式制冷技术的原理包括吸附和脱附两个过程。

(1)脱附过程。吸附床内充满的吸附剂具有强烈的吸附制冷剂的能力，冷凝器通过冷却水放出热量。工作时，太阳能集热器中流过的热水对吸附床加热，制冷剂获得能量克服吸附剂的吸引力从吸附剂表面脱附，通过管道进入冷凝器，冷却水带走冷凝器的热量，制冷剂被冷凝成液体，然后进入蒸发器，脱附过程结束。在这个过程中，太阳能集热器供热量，冷凝器放出热量。

(2)吸附过程。冷却水对吸附床进行冷却，温度下降，吸附剂开始吸附制冷剂，管道内压力降低。蒸发器中的制冷剂因压力瞬间降低而吸热蒸发，产生制冷效果，然后制冷剂进入吸附床，吸附过程结束。在此过程中，蒸发器吸收载冷水的热量，吸附床放出热量。

如果只有一个吸附床，则吸附式制冷机只能间歇工作，吸附床先进行吸附过程，达到饱和后，通过管路上的换向阀换向，吸附床进行脱附过程，如此反复交替进行。

如果由两个吸附床，就可以通过换向阀使过程连续进行。

图4为德国SolarNext公司开发的吸附式冷水机组流程。当热水进水温度为75℃，出水温度为67℃，冷却水进水温度为27℃，出水温度为32℃，载冷水进水温度为18℃，出水温度为15℃时，额定制冷量为5.5kW.热水由18 m2的平板集热器提供。该系统采用四个止回阀来实现两个吸附床的轮流吸附和脱付过程，加热水和冷却水的切换由四个三通阀来实现。

表3吸附式与吸收式的比较

特征吸附式吸收式初始成本几乎相同几乎相同现象表面现象体积现象热交换放热反应过程吸热反应过程温度喜欢低温不受温度影响反应速度稳定地增加并达到平衡均匀的速度浓度吸收剂表面浓度与体积内浓度不同整个物质的浓度相同例子(1)水蒸汽被硅胶吸附;(2)NH3被木炭吸附(1)水蒸汽被无水CaCl2吸收;(2)水吸搜NH3形成NH3OH连续运转每年超过8000小时遇到结晶时需要停机稀释溴化锂溶液寿命硅胶超过30年10年维修每5年更换真空泵,每年清洁冷凝器管需要对泵和热交换器更多预防性维修,更换控制器,容易有空气漏入制冷剂水水或氨吸附剂/吸收剂硅胶溴化锂或水COP0.7～0.80.8～1.1腐蚀无溴化锂有腐蚀性结晶无有,发生在载冷水温度低时频繁更换吸附剂/吸收剂不需要每5年要求热水温度50～100℃80～120℃要求冷却水温度30～4℃,温度低时制冷量增大应在18～30℃载冷水出水温度3～9℃高于9℃

图4　吸附式制冷机流程图

太阳能吸附式制冷机的集热器可以是平板型集热器，也可以是真空管集热器。

吸附式制冷机通常以水为制冷剂，硅胶为吸附剂。它与吸收式制冷机的特征比较见表3。

3.3模块化有机朗肯循环太阳能系统

小型发电厂市场潜力正在增加，原因是：在边远和发展中国家的偏远地区对分布式电源系统的需要；在发展中国家经济增长对可持续的电力的需要；在发达国家中小型、高效的多联产系统连接到电网应用的需要；通过可再生能源产生清洁电力的需要；以及在全球放松管制和发电部门的私有化。在二元地热发电厂，地热流体被其他的传热流体代替：水，合成/矿物油和硝酸盐在太阳能集热器加热至400℃产生分布式模块化的kW到MW级范围的太阳能发电厂。模块化有机朗肯循环太阳能发电厂的操作与常规抛物面槽式系统的原理相同，但是使用了有机流体代替水蒸汽。这些系统的优点如下：

(1)低温操作(<300℃)：传热流体，如卡路里(Caloria)低温太阳能集热器，和低温有机朗肯循环模块，能够很好地在像撒哈拉以南的非洲地区的低太阳辐射强度下进行运行。

(2)模块化：几兆瓦功率输出的大型太阳能有机朗肯循环装置可以通过在同一个站点联合大量有机朗肯循环模块建造。

(3)降低投资和运行维护费用：可使用廉价的材料-廉价的传热流体，便宜的太阳能集热器，以及相对便宜的有机朗肯循环机。空气冷凝器节约水资源，和远程操作减少操作人员的人数。

传统的聚光太阳能发电(CSP)技术包括：中央接收器系统，抛物线槽(PTC)，集成燃气联合循环(ICGC)和盘斯特林系统。抛物线槽技术在商业化环境中的运行已经证明了它的能力，并在最近建成或正在建设基于此技术的几个装置。它被认为是目前最成熟的CSP技术，但在未来可能会面临线性菲涅尔反射聚光的竞争。由于太阳能材料科学的最新进展，市场上已经提供了在中低温度范围内运行的高效率和相对廉价的各类太阳能集热器。表4给出了不同的太阳能集热器技术的工作温度和聚光比。

20世纪90年代以来对小型有机朗肯循环进行了许多研究，但由于缺乏小的和高效的膨胀设备，尚未被广泛应用。虽然研究了作为潜在的膨胀机候选物的不同类型的设备，但是还没有发现具有良好可靠性和出色性能的到达商业应用阶段的热电联产有机朗肯循环。

巴德尔等为低发电量的涡轮机评估了几种类型的发电机器，包括透平(径向，冲击，反应，和多级)和正排量机器(螺杆，活塞和叶片膨胀机以及汪克尔发动机)，螺杆机与汪克尔膨胀机表现出良好的发展前景。涡轮机在低功率范围内(<1MW)是不合适的，因为他们的效率低和制造成本更高，而它作为代表性的首选技术是在大型系统中。回顾良好的机器所希望的特性，它应该是高度可靠的并在整个操作条件宽范围内具有高效率；具有非常少的运动部件；显示低振动和低噪声水平；并且是便宜的。

凯恩，Lemort，Quoilin等和Smith等人建议采用涡旋式和螺杆式膨胀机，主要是根据所取得的性能-等熵效率高达70%。其他方面：系统的设计和优化，系统动力学和控制等。

对于太阳能集热器的工作液的选择和太阳能模块电站的实验研究，在持续数年里已经开展了大量的工作。但还未发现未来有前途的对象。

Nguyen等建造并测试了低温有机朗肯循环系统的样机。它采用正戊烷作为工作流体，并且包含有：一个60千瓦丙烷锅炉，紧凑型钎焊换热器，压缩空气隔膜泵，和一个径流式涡轮机(65000转)，耦合到一个高速发电机(图5)。热水进口温度：93℃，蒸发温度：81℃，冷凝温度：38℃和工作流体质量流量：0.10千克/秒。所获得的输出功率为1.44千瓦，效率达到4.3%。该机的费用估计为2.156万英镑。涡轮发电机占系统成本的37%以上。作者的结论是该系统可设置在良好的太阳辐射边远地区，提高膨胀机的效率(>50%)，可具有成本效益。并且机组大量生产。中温集热器加上有机朗肯循环模块可在同时产生热能的热电联产应用中提高工作效率。

表4各种太阳能集热技术的典型温度和聚光范围

技术T(℃)聚光比跟踪空气集热器0～501—池集热器0～501—反射镜集热器50～90——太阳能池70～901—太阳能烟囱20～801—平板集热器30～1001—先进的平板集热器80～1501—结合热和功率的太阳能集热器80～1508-80单轴真空管集热器90～2001—复合抛物线集热器70～2401-5—菲涅尔反射技术100～4008-80单轴定日镜场+中央接收器500～800600～1000双轴盘式聚光器500～1200800～8000600～1000

图5　微型有机朗肯循环发电系统

由在莱索托的太阳能国际集团对基于HVAC部件的微型太阳能有机朗肯循环发电机组(图6)现场进行的试验证明：应用在发展中国家数十亿人生活仍然没有用上电的远离电网地区是具有成本效益的。斋藤等人报告了另一种集成了涡旋式膨胀机和蒸汽蓄热器的系统。在后者系统中水被用作传热流体，而R113是作为工作介质。实验室进行了用200升热水储存在蓄热池和0.016kg/s工作流体的质量流量的试验，得出了63%的膨胀机效率，电力输出450W和朗肯循环效率12%。在日本的仙台市典型的夏天自主操作测试：太阳辐射—890W/m2和环境温度30℃，得到的结果是：输出功率350 W，有机朗肯循环效率11%，系统效率7%。

图6　在莱索托的太阳能有机朗肯循环试验系统

除了太阳能以外，包含另一种能源的混合动力系统也已进行了研究。混合动力系统具有近100%的可用性，避免笨重且昂贵的储能的集成系统。Yagoub等人报告了一个混合太阳能/气体驱动微型热电联产(CHP)的系统。图7表示了该系统的示意图，该系统采用25kW的真空管集热器和25kW的燃气冷凝式锅炉。对两种流体/泵进行了试验：HFE-301/电动泵和正戊烷/隔膜泵。HFE-301比正戊烷(R601)呈现出几个优势：较高效率，要求较低的温度，较高的蒸气干度，和更高的等熵效率(85%对40%)。

图7　混合动力太阳能-燃气微型CHP系统的流程

由凯恩等人提出的微型混合太阳能/柴油动力装置集成了太阳能聚光器，两个叠置的有机朗肯循环和柴油发动机的先进理念。线性菲涅耳集热器跟踪太阳，聚集光线到加压水循环的接收管中。叠置循环使用密闭型涡旋式膨胀机/发电机，且采用R123和R134a作为工作流体(图8)。柴油发动机已整合在夜间或在低的辐射的时期，以保证这两个功率和热的可用性的一个最小程度。在瑞士的洛桑联邦理工学院(EPFL)实验室和现场开展了测试，给出了“仅有太阳能”模式7.74%的系统效率和“仅有化石燃料”模式41%的效率。

亚利桑那州公共服务(APS)拥有的1兆瓦太阳能有机朗肯循环发电厂，自2006年起在美国亚利桑那州红岩运行。由Solargenix提供的LS-2集热器耦合到填充有正戊烷的ORMAT有机朗肯循环模块。有机朗肯循环和太阳能转化为电能的效率分别为20.7%和12.1%。

图8　SPS发电机组

麦默恩提出了循环效率最大化(最佳热交换器面积)，以此来降低装置的资本成本(下降到17%)。2009年，一个2兆瓦的太阳能热发电站落成于美国夏威夷科纳沙漠的夏威夷管理局的国家能源实验室(NELHA)。该项目由Sopogy在夏威夷清洁能源计划倡议的资助和开发。太阳能抛物线槽式集热器是由ALANOD Aluminium-Veredlung提供，和有机朗肯循环机器是由ElectraTherm公司提供。根据项目开发的最终目标是到2015年要达到30MW的发电量，考虑到廉价高效太阳能聚光集热器的发展，可靠和具有成本效益的有机朗肯循环模块，可以预期在不久的将来将有更多的中等规模太阳能聚光型发电站建造起来。

3.4太阳能池发电系统

一种太阳能池发电装置(SPPP)由两个子系统组成：一个盐梯度太阳能池和一个常规有机朗肯循环。盐梯度太阳能池(SGSP)是一个平面的，并且无遮盖的大蓄热池作为液体太阳能集热器/储热器。它吸收太阳辐射能(扩散的和直接的)，将其转换成热量，并将其以热水的形式存储。一个盐梯度太阳池被人为地分为三个区：

(1)厚度为0.15 m至0.30 m之间的上对流层带有低矿化度水作为一个透明罩和隔热体。

(2)从2m厚度的底层到高达7m的高度聚光盐水充当吸热器和热存储器。

(3)厚度为1至1.5m的中间层充当附加的隔热体和被称为梯度盐层。在这一层盐度和温度从顶部至底部增加。

这种现象是在1902年由Kalecsinsky在靠近Transyslvania的Szovata湖被发现。在池塘中得到的最高温度是约90～100℃，使得它适合具有低沸点的有机液体如R134a和丙烷(R290)工作的朗肯循环。盐梯度太阳池的配置匹配有机朗肯循环的热源。上层作为冷源用来冷却冷凝器，而底部层将热量供给蒸发器。

操作的原理是简单的;在白天，池塘充入热量，同时热量可以预定的时间周期精确的提取。在操作过程中，底层供应热量到它被用来蒸发工作流体的蒸发器。蒸气状态的流体在涡轮机中膨胀，被泵送至蒸发器之前在冷凝器中被冷却，实现一个封闭循环。一种太阳能池发电系统示于图9。一个太阳池的热性能是15%～25%，而太阳能转化为电能的效率约为0.8%～2%。最早研究太阳池是在1950-1970年在以色列开始，和1100平方米面积的第一个太阳池建于1975年的死海工程。从那时起，基于该技术的几个电厂建造了起来，并在世界各地不同的地点运行：在以色列的Beith Ha′avara有一个5 MW-250000m2SPPP;在以色列的尹波克(150kW/6250 m2);在以色列的亚夫内(6kW/1500 m2);在澳大利亚的爱丽丝泉(15kW/1600 m2);在美国的埃尔帕索(70kW/3350 m2)。

图9　太阳池发电厂原理

4太阳能ORC-RO海水淡化系统

海水淡化是去除原水中的所谓海水或咸水的盐和其它固体颗粒，取决于盐的浓度，使其适合于人类消耗。海水淡化技术根据其分离机构分为两类：热基和膜基技术。热脱盐通过水的蒸发和冷凝分离盐，而膜脱盐是通过一个膜片使水扩散，而盐是几乎完全保留。反渗透(RO)和多级闪发(MSF)是最广泛使用的技术。最近，出现了一种将可再生能源与脱盐技术相耦合的趋势，以降低常规电厂对环境的影响。上述技术可以与太阳能光伏电池板或是与太阳能集热器相结合。RO可以以电力或机械动力提供动力。

反渗透是一种基于称为半渗透性的某些聚合物的性质的压力驱动的分离技术。虽然它们对水是非常渗透的，其对溶解的物质的渗透性是低的。通过施加压力差穿过膜，包含在供给物中的水被强制渗透通过该膜。为了克服供给物侧渗透压，必需要有相当高的供给压力。在反渗透应用中所施加的压力对微咸水为15～25巴和对海水为60～80巴 。泵送过程中可以通过电力或轴功率轻松实现。因此，使RO成为可再生能源驱动的海水淡化系统是最合适的候选物。图10表示了太阳能驱动的ORC-RO系统耦合太阳能热机和反渗透海水淡化子系统。太阳能热发动机将太阳辐射能转换成机械动力。有用的轴功率由机械耦合驱动RO装置的高压泵(HPP)。

图10　朗肯驱动的反渗透海水淡化系统原理图

在涉及朗肯动力循环太阳能光热驱动的水泵系统的早期研究起步于19世纪下半叶的奥古斯丁Mouchot和亚伯Pifre的工作。从那时起，直到20世纪末，有针对性的主要应用是为农场灌溉的小规模的抽水系统。用这个方案操作的很多系统在世界上许多国家都建立起来，如DelgadoTorres和Sumathy所报告的。这些系统中使用的蒸汽或有机化合物如R11，R114和R113作为工作流体。太阳能驱动的灌溉系统是在经济依赖于由贫困农民从事的农业生产活动的国家的远离电网边远地区，在水资源短缺、成品油价格提高的背景下具有特殊的意义。20世纪80年代以来，光伏成本的降低，模块化和运动部件少对太阳能光伏水泵系统的青睐正在作为太阳能热水泵系统的首选。

从全球气候变暖被认为是对我们生命的一大威胁的那时起，太阳能热力发动机被建议作为一种供电的反渗透淡化机组。据报道最早的装置建成在法国的卡达拉舍，高压泵由一个2.5kW的太阳能热力发动机驱动，以R114为工质，从苦咸水生产达250m3/h的淡水。VOROS等和Bouzayani等研究了蒸汽的RC-RO系统，这些作者建议采用涡轮进口蒸汽温度约450℃。适合的临界温度的有机液体如甲苯，硅氧烷，氨，戊烷等在中、低温ORC-反渗透系统的实施是可能的。近日，布鲁诺等人开展了太阳能ORC-RO海水淡化的技术和经济可行性研究，并得出结论认为：太阳能ORC-RO是相比于PV-RO具有成本效益的选择。在单级或双级复叠ORC用甲苯抛物面槽式集热器，戊烷或丙苯作为工作液，可成为大中型太阳能ORC-RO系统的基础技术。用250～400℃最高温度和35℃冷凝温度下操作循环得到约25%～35%的循环效率。在这种条件下，有15 m3/天装置可以从约2.30∈/ m3的微咸水或从5∈/ m3海水中产生淡水。

太阳能ORC-RO可以使用公知的HVAC组件使尺寸缩小。Manolakos等设计和测试了一个采用涡旋膨胀机的小独立的系统，真空管太阳能集热器和R134a为工作介质，经济性比较表明相比于同样大小的PV-RO系统基本朗肯循环的配置是不符合成本效益的；在希腊的Thirasia岛用海水所进行的成本比较研究，给出了7.77∈/m3PV-RO和12.53∈/m3ORC-RO成本数据。Kosmadakis等提出了一个最佳利用太阳能集热器的双有机朗肯循环系统。

The Utilization of Renewable and Sustainable Energy(Part one)

ZHOU Zicheng

Abstract：With the human progress and development of productivity，energy consumption is growing.Conventional energy on earth is limited.The utilization of renewable energy and sustainable energy has become very important.This paper outlines the approach of renewable energy and sustainable energy utilization，with emphasis on the application of organic Rankine cycle.

Key words：Renewable Energy；Sustainable Energy；Utilization

收稿日期：2016-1-5

作者简介：周子成(1935-)，男，教授，主要从事制冷空调的理论研究和新产品设计。Email：zichengzhou@163.com

文章编号：ISSN1005-9180(2016)01-078-09

中图分类号：TU831文献标示码：B

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.01.015