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太阳能有机朗肯循环热发电研究

发表日期:2018/11/28 11:23:45 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

随着化石能源的不断消耗以及自然环境的不断恶化,人们越来越重视可再生能源和清洁能源的开发和利用。而太阳能是蕴藏最丰富的可再生能源之一,拥有广阔的研究前景,我国的太阳能资源又相当丰富,合理应用有利于缓解当前的能源问题。太阳能虽然具有资源分布广泛,总量巨大,清洁的特点,但同时也存在单位面积能量密度低,资源存在间歇性,受昼夜、天气、季节等影响巨大,空间分布不断变化的局限性。相比于常规能源,太阳能的局限性使得对其充分利用更加困难。

目前,世界上太阳能发电技术主要有光伏发电和聚焦型太阳能光热发电。光伏发电由于光伏电池本身的成本较高,并且效率低,目前只适用于小规模或家庭用户发电。与光伏发电相比,太阳能热发电在经济性能、技术及环保等众多方面具有较大优势,从长远角度看,光热发电比光伏发电更加理想。

传统的高温太阳能光热发电系统通常采用水蒸气朗肯循环,水蒸气的热力特性决定了当热源温度低于371 ℃时,系统运行的经济性显著下降。为保障热源温度,系统需要采用大面积、高聚焦比的聚焦集热方式,这会使系统的运行维护更加复杂,造价昂贵。由于热源温度高,系统通常采用熔盐进行蓄热,但熔盐的熔点高,夜间需要保温,电站的寄生耗电高。

有机朗肯循环系统采用有机工质代替传统朗肯循环的水蒸气,可以实现中低温热能的发电应用,目前广泛应用于工业废热、地热、太阳能、生物质能利用等领域。将有机朗肯循环与太阳能利用相结合,可以降低系统的工作温度、初投资成本和运行成本,使系统运行更加安全可靠。

1  太阳能集热器

太阳辐射具有分散性强,能流密度低的特点,为提高太阳能集热器的出口温度,引入了太阳能低倍聚光器,常见的低倍聚光器是复合抛物面聚光器。太阳能集热器作为太阳能有机朗肯循环系统的热源,其性能的好坏直接影响整个太阳能ORC系统的性能。根据聚光方式的不同可分为点聚焦与线聚焦两种系统,点聚焦系统主要包括塔式太阳能热发电和碟式太阳能热发电系统;线聚焦系统主要包括槽式太阳能热发电和菲涅尔式热发电。其中,槽式系统在上世纪90年代初期实现了商业化,是目前最为成熟的太阳能热发电技术,碟式和塔式系统目前正处于商业化示范阶段。相比于碟式和塔式系统,槽式太阳能集热器的集热温度较低。本节主要介绍槽式太阳能集热器的研究现状。

槽式太阳能集热器(图1)属于聚焦跟踪型集热器,具有一个抛物线横截面的槽式反射器,基于抛物线的特性,可将投射到反射板上的太阳光线汇聚到位于反射镜面的焦点上的接收器上,而接收器再将热量传递给导热介质。由于聚焦的作用,在接收器上形成的能流密度较高,因此,可以在有限的时间将导热介质提高到较高的温度。


国内外针对槽式太阳能集热器进行了大量研究,针对槽式太阳能集热器的研究主要集中在聚光集热特性、流动传热特性、集热效率以及近年来对集热管表面热应力和热流密度的分布。

Marco Binotti等采用第一光学法,建立三维数学模型,研究太阳光入射角、反射镜横向和纵向的坡度误差、反射镜的反射误差对槽式太阳能集热器聚光特性的影响,并通过光线追踪法对模型进行验证。Z. D. Cheng等采用蒙特卡罗(Monte Carlo)光线追踪模型模拟槽式集热器的几何参数对其在理想光学情况和存在光学误差的情况下的集热特性的影响和集热器对光学误差的敏感程度。肖杰等把蒙特卡罗光线追踪法(MCRT)与有限容积法(FVM)相结合,对槽式太阳能集热器进行聚光特性模拟。分析光不平行夹角、几何聚光比和边界角对太阳热流密度分布的影响。东朝阳等通过分析管长、流速和流体温度、太阳辐射强度和环境温度对集热器热效率的影响,并给出了几个改进方面。Hongbo Liang等比较3种基于光线追踪的不同光学模型下槽式集热器的几何参数对其光学效率的影响。

S. D. Oden等对太阳能发电系统中的DSG槽式太阳能集热器进行模拟分析,分析不同辐射条件和不同集热管尺寸对集热器的传热流动的影响。韦彪以DSG太阳能槽式真空集热器为研究对象,建立DSG集热器模型,并运用蒙特卡罗光线追踪法进行辐射计算及分析,通过研究集热器几何聚光比和边界角对集热器吸热管表面圆周方向热流密度分布的影响和集热器的聚光特性。高志超等针对30 m2槽式太阳能集热器装置,研究集热器关键结构参数和运行参数对其性能的影响规律。

2  有机工质

工质的物性对动力循环的性能影响较大,因此,有机工质的选择和物性研究是太阳能ORC发电系统的重要内容。早期的有机朗肯循环工质为氨水、二甲醚等有机物,当前ORC工质大概分为以下几类:制冷剂类、烷烃类、芳香烃类与硅氧烷类。

有机工质的选择一般从工质的环保性能、化学稳定性、安全性、临界参数,正常沸点及凝固温度、流动及换热性能及价格成本几个方面考虑。

近年来,国内外学者对太阳能ORC工质选择和系统参数优化上进行了诸多深入研究。Bahaa Saleh等在设定的低温太阳能的工况下,通过理论计算得出31种纯工质的循环效率,再进行分析对比表明,R236ea、R245ca、R245fa、R600、R600a、R601a、RE13和RE245工质比较适宜。Tchanche等分析比较20种适用于低温(低于90 ℃)太阳能ORC工质的理论性能、热力性能和环境友好性。比较结果表明:R134a最适合小型太阳能电站的应用,R152a、R600a、R600和R290虽然性能都很好,但是具有易燃性,使用中应做好安全措施。Nishith等分析12种不同的工质对槽式太阳能ORC发电的经济性和热效率影响,分析对比表明:R113的发电成本最低,甲苯具有最高的循环热效率。

Rayegan等设计一套程序流程来筛选比较有机循环工质,把工质分为制冷剂和非制冷剂。制冷剂中R245fa、R245ca的性能较好,非制冷剂中丙酮和苯性能最好,丁烷和异戊烷次之。Ferrara比较了R134a、R245fa和丙酮的循环效率,发现丙酮效率较高但要注意其可燃性与爆炸性。Guoqiang选取异戊烷、戊烷、己烷、庚烷、环己烷和甲苯作为研究的循环工质,结果显示环己烷的效率最高,可达19.65%。He等用Trnsys软件设计模拟三级回热的抛物槽式太阳能集热驱动的ORC。文章对比分析了R123、R133和戊烷的性能,当透平进口温度高于185 °C时相同条件下戊烷的性能最好。

韩中合等选取9种有机工质,并对各有机工质的蒸发压力、热效率、功比和不可逆损失等进行了比较,结果表明:R245fa效果最好,R236fa和R236ea次之。高建强等选取R123、R134a、R152a、R22、R245fa共5种有机工质作为候选工质进行太阳能超临界ORC的计算和分析。结果显示R213在系统热效率方面表现出比其他工质更加明显的优势。

综合以上分析,国内外学者对于太阳能低温ORC适用工质的理论研究主要集中在纯工质上面,对于二元或三元有机混合工质用于太阳能ORC系统的研究较少。由于混合工质有过多的配比方式,对于其物性没有实验数据作为支撑,以及混合工质在相变温差过大时会产生组分分离等原因,目前的ORC工质的研究以纯工质为主。然而,在中低温热能利用过程中,具有非共沸特性的混合工质相变过程可以和热源、冷源实现更好的温度匹配。所以与纯工质相比,混合工质拥有自身的优势。

3  膨胀机

膨胀机作为ORC发电系统的关键做功部件,其性能和造价影响太阳能ORC发电系统的技术经济性。研制和选用可靠、高效、低成本膨胀机,可改善发电系统的经济性、促进中太阳能的有效利用,对于节能减排也有重要意义。目前ORC系统中所采用的膨胀机主要有以下两种类型:速度型膨胀机和容积型膨胀机。容积式膨胀机(如涡旋膨胀机、螺杆膨胀机)具有低流量、高压比、低转速的特点。目前,这类膨胀机大多由对应的压缩机经过改造,逆向运行实现膨胀做功,绝热等熵效率不高,且缺乏小型有机工质膨胀机内部流动及热功转换等基础问题的深入研究。涡轮膨胀机主要应用于大规模的ORC发电系统中,技术相对成熟。

Jian Song等基于速度三角形和损耗模型计算向心透平的一维效率。向心透平的效率与工作流体和系统运行参数相互影响,R123作为工作流体时透平效率最高。Emilie等通过CFD模拟以R143a为工质的向心透平的性能。改善透平的叶片负载轮廓,并降低喷嘴出口处的最大马赫数可以优化透平性能。岳松等选用甲苯为工质进行向心透平气动设计、三维造型设计和CFD数值模拟验证。用CFD方法对喷嘴叶栅、蜗壳和整级进行了模拟计算。

Iva等以R245fa为工质用CFD对双螺杆膨胀机进行性能分析及优化设计,分析结果显示流量泄露在低转速和高压力比下的影响较大。Tang等研究膨胀机转速、吸入压力、入口过热等因素对双螺杆膨胀机性能的影响。Ziviani等人研究两种不同工质对单螺杆膨胀机的影响及膨胀机与系统运行的匹配情况。张业强等搭建R123为工质的ORC系统试验台,研究单螺杆膨胀机在ORC系统中的性能。

Pardeep等开发一个ORC系统涡旋膨胀机设计的通用程序,并以工质为R134a的涡旋膨胀机为例研究运行条件和几何特征对膨胀机损耗的影响。韦伟等搭建采用涡旋式膨胀机的小型ORC系统,并采用R134a、R245fa、R22和R32 4种不同循环工质,测试了ORC系统的整体性能以及涡旋式膨胀机特性。高鹏等设计以太阳能作为热源、工质为R600的ORC系统,利用压缩空气对ORC中的涡旋式膨胀机性能进行研究。

由于工质的多样性导致膨胀机设计的不确定性,没有一种有机工质能获得绝对优势,也导致了膨胀机设计没有统一标准。不同工质对应不同的膨胀机,这也限制了ORC的发展。

4  系统循环

由于回收利用中低品位热源的ORC技术在现实系统中的发电效率并不高,不能短期为企业创造出可视的收益,故有不少学者致力于ORC系统的改进研究。

徐荣吉等设计并搭建了带内回热的ORC实验台,以R123作为循环工质,对内回热、无回热两种循环形式进行了实验研究,实验显示内回热循环效率比无回热循环提高1.21%。孙志强等通过选取R27ea、R600和R141b典型有机干流体作为工质,比较回热式ORC与基本ORC的性能。在相同工况下,回热式ORC的循环热效率高于基本ORC,但对于循环输出净功率和循环总不可逆损失,结果则相反。王智等以R245ca和R601作为循环工质,研究低温抽气回热式ORC的两个参数,即抽气压力和抽气系数对系统的影响。韩中合等以R600和R245fa作为循环工质对分级抽气回热式系统和基本ORC的热力性能变化进行对比分析,指出分级抽气回热式系统的热效率更高,产生的不可逆损失更小,具有更优越的性能。

赵国昌等建立了带抛物槽式集热器的太阳能再热式ORC发电模型,研究再热式ORC系统热效率增加量与输出功增加量随蒸发温度的变化规律。王智等以R601和R245ca作为循环工质,研究了再热压力比对低温再热式ORC系统的影响。通过软件编程计算,以系统净功量为目标函数确定系统的最佳再热压力比。徐杰等以系统热效率最大为计算原则,提出以R123为工质的ORC系统最佳再热压力的确定方法。李宁等针对120°C以下的低温余热资源,以R245fa为循环工质,发现与基本ORC相比再热式ORC最大可提高系统净输出功7.08%。

再热型、回热型系统在基本ORC系统的基础上进行了改进与优化,合适的再热度、抽气压力及抽气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。

5  总结与展望

本文对太阳能ORC热发电的研究进行了综述,为设计太阳能ORC系统提供参考。作为太阳能热利用的核心部件,太阳能集热器的性能优劣对整个系统的经济性具有关键影响。工质的选择会影响系统的运行及寿命,选择工质时需要考虑其热物性、热源温度及工质在膨胀机的膨胀过程等因素。膨胀机作为关键部件,它的选择需要考虑输出功率、绝热效率、流量及工质等多种因素。系统循环方式上,再热、回热虽能提高系统效率,但同时要考虑热源的情况和系统的稳定性。

国内ORC技术研究仍处于起步阶段,理论研究工作较多,试验较少,对工程实际运用急需解决的问题涉及较少。随着能源短缺、环境污染等问题的日益严重,人们开始注重开发利用清洁能源和提高能源利用效率。这就推动了有机朗肯循环的发展,而ORC发电技术的逐步完善,必将带动国内低品位热能的利用,促进节能减排,优化能源结构。


本文选自《制冷与空调》2018年2月刊,作者:张永峰  王子龙;未经许可,不得转载



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