有機工質郎肯循環(huán)用在太陽能熱發(fā)電技術中的應用

1、有機工質郎肯循環(huán)技術及其應用有機工質郎肯循環(huán)用在太陽能熱發(fā)電技術中的應用有機工質郎肯循環(huán)用在太陽能熱發(fā)電技術中的應用摘要: 作者通過文獻閱讀,綜述了目前國內及國外學者對于基于低溫有機工質郎肯循環(huán)的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀。文章開篇首先介紹了有機工質朗肯循環(huán)的基礎概念，并簡單介紹了有機工質的物理特性及理論特征。作為工程應用及實驗對象，作者也敘述了如何選取合適的工質作為太陽能有機郎肯循環(huán)的循環(huán)工質關鍵詞：有機工質；朗肯循環(huán)；太陽能發(fā)電Low-temperature Solar Powered Rankine Cycle System Based on Organic Working FluidA

2、bstract：Based on referring to articles, the author summarized both domestic and international research results about low-temperature solar powered Rankine cycle system.The most suitable organic working fluid for low-temperature solar powered Rankine cycle will also be given.Key words: organic workin

3、g fluid, Rankine Cycle, Solar-powered1 引言能源是人類賴以生活的物質基礎，也是國家安全發(fā)展及社會繁榮穩(wěn)定的物質基礎。能源安全不僅僅是簡單的能源問題或者是經濟問題，而是一個涉及國家安全及對外戰(zhàn)略等多層面的國家戰(zhàn)略問題，亦是一個關乎國際能源供求和地緣政治與國際戰(zhàn)略問題。在全球范圍內，近年來發(fā)生了許多由能源引發(fā)的問題，諸如資源紛爭和區(qū)域戰(zhàn)爭、能源價格飆升和燃料市場博弈、全球氣候暖化及減排戰(zhàn)略談判等。這是全球人類首次對能源課題給予如此高度的重視，為此，以提高能源利用效率及優(yōu)化能源結構的新型能源技術將成為科技發(fā)展的重要方向。人類自從懂得使用火以來，便開始學習使用外部

4、能源。隨著人類對能源資源使用經驗的不斷積累與學習，特別是科技不斷進步，人類所使用的能源資源模式也在不斷更替。至今為止，人類利用能源的歷史經歷了三個重要時期：即以薪柴及木炭等植物燃料為主的“木炭時代”；以煤炭為主的“煤炭時代”；以石油及天然氣為主的“石油時代”。目前世界能源的發(fā)展與利用正在往“可再生及可持續(xù)”的綠色能源過渡。能源過渡時期的主要特點是，石油及天然氣仍然是消費最多的能源，但消費比重呈逐漸降低的趨勢，而核能及一些可再生能源的消費將逐漸上升?；茉吹拇罅块_發(fā)和使用，是造成大氣和其他多種類型環(huán)境污染與生態(tài)破壞的主要原因之一。如何在開發(fā)和使用能源資源的同時保護好我們賴以生存的地球環(huán)境與生態(tài)

5、，已經成為全球性的重大課題，而大力開發(fā)和利用可再生能源是人類走出困境的唯一出路。而在本文章里，我們將會介紹使用太陽能作為替代能源的可行方案。2 能源資源太陽能在目前已經正式投入使用的各式可再生能源中，太陽能具有其與眾不同的地方。太陽能作為一種干凈的、持久的、可持續(xù)供應的能源，是地球上幾乎所有能源的根源。地球大氣層上表面的太陽輻射照度約為1367W/m2地球表面每年接受的太陽輻射約為5x1024J，遠大于全球的能源消耗總量。雖然太陽能的總量巨大，但是其能量密度太低，且不能連續(xù)供應，并受到季節(jié)與天氣的影響，為大規(guī)模的開發(fā)利用帶來了技術上和經濟上的困難。因此，太陽能利用的關鍵在于提高太陽能裝置的效率

6、以及增加有效的能量儲存裝置。目前，太陽能利用有許多方式，主要集中在主動和被動的環(huán)境供熱與制冷、生活熱水、工業(yè)加熱、化工分離、海水淡化及發(fā)電等方面。使用太陽能進行電力生產主要有兩種方式，即太陽能熱發(fā)電及太陽能光伏發(fā)電，而在本文中我們將主要探討太陽能熱發(fā)電。在太陽能熱發(fā)電方面，太陽輻射通過太陽能集熱器轉化為載熱流體的熱能，載熱流體通過一定的循環(huán)方式，將其熱能轉化為動力機械的機械能，進而轉化為供我們使用的電能。太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)首先需要具有高效收集太陽輻射并能夠將太陽輻射進行轉換的集熱器。目前主要應用的太陽集熱裝置有平板集熱器、真空集熱器、槽式集熱器、碟式聚光器及塔式聚光系統(tǒng)，具體參數(shù)可以參閱表1。這

7、幾類集熱器集熱溫度范圍差別很大，集熱溫度從150到1500不等，因此，不同集熱器適用的載熱工質和熱力循環(huán)也有較大的差別 William B. Stine,Raymond W,Harrigan.Solar Energy Fundamentals and Design,John Wiley & Sons,Inc,1985,287-315。表 1不同集熱器工作溫度范圍及適用熱力循環(huán)集熱器類型聚光倍率典型工作溫度范圍/適用熱力循環(huán)平板集熱器1小于120朗肯循環(huán)真空集熱器1100至200朗肯循環(huán)槽式聚光集熱器3至50150至350朗肯循環(huán)碟式聚光集熱器200至500250至700斯特林循環(huán)塔式聚光系統(tǒng)5

8、00至大于3000500至1000布萊頓循環(huán)太陽能熱發(fā)電是目前所有發(fā)電方式中唯一無需增加環(huán)境熱載荷的發(fā)電方式，在全球變暖日益嚴重的情況下，這一點顯得尤為重要。太陽能熱發(fā)電技術作為一項環(huán)保、安全及可持續(xù)的能源供應技術，在世界范圍內得到了廣泛的關注與研究。由于高溫太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)技術較為復雜，建造、使用及管理成本較高，總體上嚴重缺乏競爭力。反之，在中低溫太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的研究領域中卻取得了不錯的進展，使得系統(tǒng)的效率獲得了較大的提高。3 有機郎肯循環(huán)隨著煤炭、天然氣及石油等化石燃料的消耗量不斷攀升，以及由于能源消耗帶來的環(huán)境破壞等系列問題，能源和環(huán)境問題已經成為全世界共同關注的重大問題。因此，使用有

9、機朗肯循環(huán)將低品位熱量轉換為電能引起了越來越多的關注。3.1 有機郎肯循環(huán)原理所謂有機朗肯循環(huán)，即在傳統(tǒng)朗肯循環(huán)中采用有機工質代替水推動渦輪機做功。圖1-1為有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)示意圖。圖 1 有機郎肯循環(huán)示意圖低壓液態(tài)有機工質（點1）經過泵增壓后進入蒸發(fā)器吸收熱量轉變?yōu)楦邷馗邏赫魵猓c2），之后，高溫高壓有機工質蒸氣推動渦輪機做功，產生能量輸出，渦輪機出口的低壓過熱蒸氣（點3）進入冷凝器，向低溫熱源放熱而被冷凝為液態(tài)（點4）, 如此往復循環(huán)。3.2 有機郎肯循環(huán)的實際應用目前，有機工質朗肯循環(huán)作為回收余熱廢熱進而提高總體熱力效率，實現(xiàn)太陽能、地熱等新能源利用的一條有效途徑，各國學術界和工業(yè)界正積

10、極投入力量進行相關研發(fā)工作。有機朗肯循環(huán)發(fā)電可利用的低品位能主要有以下幾種形式：(1)工業(yè)余熱。回收工業(yè)余熱可減少工業(yè)能耗和溫室氣體的排放。大多數(shù)工業(yè)過程或電廠排放大量的煙氣，溫度一般不高于400。(2)地熱。地熱發(fā)電利用地熱蒸汽或者熱水作為熱源，我國目前已經勘測發(fā)現(xiàn)的地熱田均屬熱水型熱儲。所利用的地熱水大多在飽和狀態(tài)附近，溫度一般不超過300。(3)太陽能。太陽能能量密度低，熱源溫度不高，需采用基于集熱技術的有機朗肯循環(huán)熱電系統(tǒng)，經過集熱裝置后，溫度可以達到300。(4)生物質能。生物質能也是有機朗肯循環(huán)的重要驅動源之一。生物質能發(fā)電采用有機朗肯循環(huán)主要是由于在機組規(guī)模較小時，有機工質具有更

11、高的渦輪機效率。此外, 有機朗肯循環(huán)還被用于液化天然氣的冷能回收等場合。4 太陽能有機工質的郎肯循環(huán)太陽能郎肯循環(huán)與其他使用有機工質的朗肯循環(huán)（主要指地熱、工業(yè)余熱利用）相似，根據(jù)循環(huán)的最高溫度不同，大致可以劃分為低溫、中溫及高溫三種類型。但是對于確切的溫度劃分，不同的學者之間存在爭論。表2給出了幾種不同的劃分范圍。表 2對太陽能郎肯循環(huán)的不同溫度劃分/ Saaoguang Lu,Termodynamic Analysis and Optimization of a New Ammonia Based Combined Power/Colling Cycle,Dissertation for

12、the Degree of Doctor Philosophy,University of Florida,2002類型（A）（B）（C）（D）低溫小于90小于125小于100小于等于150中文90至150125至225100至200-高溫大于150大于225大于200大于150提出學者及年份：（A） Muffler 與 Cataldi 1977（B） Hochstein 1990（C） Benderitter 與 Cormy 1990（D） Haenel 1998在目前對太陽能郎肯循環(huán)的研究中，循環(huán)的最高溫度不會超過120，因此屬于太陽能低溫郎肯循環(huán)范圍。在循環(huán)大致的溫度范圍（從環(huán)境溫度到1

13、00左右）確定以后，太陽能低溫郎肯循環(huán)系統(tǒng)所使用的集熱器類型及其效率也可以大致確定，因此系統(tǒng)的總效率取決于郎肯循環(huán)的熱效率及膨脹機的效率。同時，膨脹機的效率與循環(huán)工質的膨脹比有密切聯(lián)系，因此，當前針對太陽能低溫郎肯循環(huán)的研究主要集中在朗肯循環(huán)適用工質的選擇上。4.1 太陽能郎肯循環(huán)的相關理論在理論研究方面，Bahaa Saleh等人對31種工質進行了理論計算，并在設定工況下分析了它們應用于低溫朗肯循環(huán)的效率。其分析結果表明，對于太陽能低溫郎肯循環(huán)，使用R236ea、R245ca、R245fa、R600、R600a、R60la、REl34和RE245等工質比較適宜 Bahaa Saleh,Ger

14、ald Koglbauer,Martin Wendland,Johann Fischer,Working fluids for low-temperature organic Rankine cycles,Energy,2007,32:1210-1221；HDMadhawa Hettiarachchi等人通過對氨、R123、正戊烷、PF5050的理論分析，提出了以地熱為熱源的低溫朗肯循環(huán)適用工質的最佳辨別標準 Madhawa Hettiarachchi HD,et al.Optimum design criteria for an Organic Rankine cycle using low

15、-temperature geothermal heat sources,Energy 2007,32:1698-1706，對太陽能低溫朗肯循環(huán)具有一定借鑒意義；西安交通大學趙遠揚等人對低沸點有機工質朗肯循環(huán)進行了理論分析，討論了R113，R123，R600a三種工質在蒸發(fā)溫度為80-120，冷凝溫度為3550時的系統(tǒng)性能 趙遠揚，李連生，劉云霞等，工質對低沸點有機工質朗肯循環(huán)的影響，中國工程熱物理學會工程熱力學與能源利用學術會議，2007，中國紹興；天津大學曹斌濱博士從理論上對比分析了R245fa和R600用100以下的工業(yè)余熱回收的循環(huán)性能，指出在使用螺桿膨脹機的條件下，兩者的最佳膨脹比分

16、別為4和3 曹斌濱，螺桿膨脹機余熱回收系統(tǒng)分析，碩士論文，天津大學，2007，25-4l。4.2 太陽能郎肯循環(huán)的實驗研究實驗研究方面，D.Manolakos等人建立了以R134a為工質的太陽能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)，輸出的軸功用于海水淡化，循環(huán)溫度范圍為3575.8，系統(tǒng)總效率約為4 D.Manolakosa,G.Papadakisa,S.Kyritsisa,Experimental evaluation of an autonomous low-temperature solar Rankine cycle system for reserve osmosis desalination.Desa

17、lination,2007,203:366-374；V.M.Nguyen等人以正戊烷為工質，建立了小型太陽能低溫熱發(fā)電裝置，發(fā)電量1.5kw，系統(tǒng)熱效率為4.3% V.M.Nguyen,P.S. Doherty and S.B. Riffat,Development of a prototype low-temperature Rankine cycle electricity generation system,Appl. Thermal Eng,2001,21:169-181。5 適用于太陽能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)的工質太陽能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)理論分析的目的，在于選擇對環(huán)境友好且熱力性能優(yōu)良的

18、循環(huán)工質。理論循環(huán)分析主要是根據(jù)工質的熱力學性質評價其循環(huán)性能的一種穩(wěn)態(tài)簡化方法。它忽略了具體設備情況以及工質在傳熱、流動阻力和溶油特性等方面的差異，并對所有工質設定相同的循環(huán)工況。優(yōu)良的熱力學性能是循環(huán)工質的必備條件，所以理論循環(huán)分析進行工質的初步選擇是合理的，但理論分析所得的結果需要在實驗中得到進一步驗證，綜合考慮其性能。如緒論中所述，對于太陽能低溫熱電循環(huán)系統(tǒng)，集熱器效率、工質朗肯循環(huán)效率以及膨脹機效率是制約系統(tǒng)總效率的三個因素。太陽能低溫熱電循環(huán)的溫度范圍大致在環(huán)境溫度到100左右，平板集熱器和普通真空管集熱器即可滿足系統(tǒng)要求。因此，選取適用于太陽能低溫熱電循環(huán)溫度范圍的有機工質成為關

19、鍵，本章將在此溫度范圍內對太陽能低溫朗肯循環(huán)適用工質進行理論研究和分析。5.1 太陽能低溫郎肯循環(huán)系統(tǒng)概況太陽能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。系統(tǒng)主要包括圖中所示的太陽能集熱器矩陣、膨脹機、發(fā)電機、冷凝器、儲液罐、工質泵等主要部件，還包括相應的溫度和壓力測量設備。圖 2 太陽能低溫郎肯循環(huán)系統(tǒng)示意圖系統(tǒng)運行原理如下：低溫低壓的有機工質經工質泵加壓后進入太陽能集熱器。高壓的液態(tài)工質在太陽能集熱器中吸收熱量，并發(fā)生相變。因此，系統(tǒng)中的太陽能集熱器可以被看作為蒸發(fā)器。工質在太陽能集熱器入口的溫度大致等于環(huán)境溫度，而工質在集熱器出口的溫度則受到蒸發(fā)壓力、工質流量、太陽輻照度、集熱器效率等因素的影

20、響。同時，在其他因素不變的情況下，對應于不同的蒸發(fā)和冷凝壓力，在膨脹機出口的工質乏氣可能出現(xiàn)濕蒸汽、干飽和蒸汽和過熱蒸汽三種狀態(tài)。為了避免在膨脹過程中出現(xiàn)對膨脹機存在危害的液擊現(xiàn)象，因此應該使工質在膨脹機出口存在少量過熱。過熱度可以根據(jù)不同的工質及不同的工況進行調整。過熱蒸汽被吸入膨脹機膨脹做功，此時蒸汽的熱能轉化為軸功來驅動發(fā)電機。最后，膨脹機排出的低壓工質蒸汽經冷凝器冷凝后流入儲液罐。圖3同樣顯示了上文描述的熱力循環(huán)過程。理論循環(huán)包括以下基本過程：1-2：等熵壓縮(工質泵)2-5：等壓蒸發(fā)(太陽能集熱器)5-6：等熵膨脹(膨脹機)6-1：等壓冷凝(冷凝器)圖 3 太陽能低溫郎肯循環(huán)理論過程

21、示意圖（T-S圖）5.2 循環(huán)工質的選擇面對眾多的有機循環(huán)工質，如何對其進行挑選并選擇基準進行定性與定量的分析是目前所面對的問題，為此提出了“理想有機工質”及“實際有機工質”的概念。5.2.1 太陽能低溫郎肯循環(huán)的理想工質Abbin和Leuenberger在1974年提出太陽能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)的理想工質i,iv，應具有如圖4中所示的如下一些性質：1. 液相的比熱要小，即圖中的2-2線要盡可能垂直2. 臨界溫度要高于系統(tǒng)的最高運行溫度，以利于循環(huán)吸收熱量3. 出于對安全和設備的考慮，循環(huán)達到最高溫度時的氣相壓力，不應過大4. 工質的冷凝壓力，應該高于環(huán)境大氣壓，防止空氣進入系統(tǒng)5. 狀態(tài)點4(透

22、平出口)的比容應該盡量小，以防止不得不使用大直徑的渦輪葉片，外套和冷凝換熱器6. 飽和蒸汽線(3-4)應該盡量垂直，以保證膨脹不進入濕蒸汽區(qū)7. 對于低功率渦輪應用情況，工質應有大分子量。以降低流動和葉輪轉動的速度，減少渦輪機級數(shù)，以及達到合理的質量流速和合理的噴嘴區(qū)域8. 三相點溫度應該低于循環(huán)的最低溫度9. 流體應該有較好的輸運性質，較高的換熱系數(shù)，高溫下的穩(wěn)定性、便宜、無毒、不可燃等圖 4 太陽能低溫郎肯循環(huán)的理想工質性質圖5.2.2 太陽能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)的候選工質應該指出，前述由Abbin和Leuenberger提出的太陽能低溫朗肯循環(huán)理想工質的特點，同時也是篩選工質的主要指導原則。

23、但是在實際應用中，工質很難同時滿足上述全部條件。同時，隨著科技的發(fā)展和人們認識的深入，環(huán)境因素已經成為有機朗肯循環(huán)選擇工質的首要標準。要求工質不破壞大氣臭氧層，即ODP值為零；對全球變暖的影響要小，即溫室效應GWP值盡可能小，大氣中的壽命盡可能短。另一方面，對于不同的工質，循環(huán)中所體現(xiàn)的循環(huán)參數(shù)各有不同，對工質泵、膨脹機、管道等設備要求也不同，因此工質的選擇將極大地影響到太陽能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)的初投資。因此，系統(tǒng)的經濟性也必須在選擇工質時予以考慮。目前，專門針對太陽能低溫朗肯循環(huán)的研究較少。另一方面，大多數(shù)的太陽能低溫熱發(fā)電實驗研究主要以烷類物質為對象，其他應用到實驗研究的有機工質比較少，僅有

24、R134a，氨水等幾種工質。5.3 實際循環(huán)中工質的選取與確定為了選取用于實驗研究的太陽能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)工質，天津大學的王曉東選取了R600(丁烷)、R134a、R245fa、R236fa四種典型工質作為候選工質，對其應用于太陽能低溫朗肯循環(huán)的性能進行分析與比較。在設定的工況下，對四種候選工質的循環(huán)參數(shù)分別進行了計算，并從壓力水平、做功能力、循環(huán)效率、熱力學完善度、工質安全性和工質環(huán)境性能等方面進行了分析比較。表3為四種有機工質的特性參數(shù)。表 3 候選工質的特性參數(shù)工質分子量(g/mol)臨界溫度T()臨界壓力P(MPa)ODPGWP安全等級R60058.12152.03.80020A3R1

25、34a102.03101.14.0601200A2R245fa134.05154.14.430950B1R236fa152.04124.93.2009400A1分析結果表明，在設定工況下，R600和R245fa的循環(huán)熱力性能要高于Rl34a和R236fa。在蒸發(fā)溫度為90時，R600和R245fa效率分別為14.69和14.50，R600的朗肯循環(huán)效率與熱力學完善度略高于R245fa，但考慮到實際系統(tǒng)運行時的安全因素，綜合分析后決定選取R245fa作為太陽能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)的工質。理論計算結果還表明，在冷凝和蒸發(fā)溫度分別為25和80時，以R245fa為工質的太陽能低溫朗肯循環(huán)效率能達到約13。

26、此工況在實際應用中可以利用普通集熱器得到。同時，如果太陽能集熱器可以進一步提高工質蒸發(fā)溫度，朗肯循環(huán)效率會得到進一步提高。綜合考慮以上分析的因素，選取R245fa作為太陽能低溫朗肯循環(huán)的工質是可行、合理的。5.3.1 有機工質的選取為了選取用于實驗研究的太陽能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)工質，天津大學的王曉東選取了R600(丁烷)、R134a、R245fa、R236fa四種典型工質作為候選工質，對其應用于太陽能低溫朗肯循環(huán)的性能進行分析與比較。在設定的工況下，對四種候選工質的循環(huán)參數(shù)分別進行了計算，并從壓力水平、做功能力、循環(huán)效率、熱力學完善度、工質安全性和工質環(huán)境性能等方面進行了分析比較。分析結果表明，

27、在設定工況下，R600和R245fa的循環(huán)熱力性能要高于Rl34a和R236fa。在蒸發(fā)溫度為90時，R600和R245fa效率分別為1469和1450，R600的朗肯循環(huán)效率與熱力學完善度略高于R245fa，但考慮到實際系統(tǒng)運行時的安全因素，綜合分析后決定選取R245fa作為太陽能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)的工質。理論計算結果還表明，在冷凝和蒸發(fā)溫度分別為25和80時，以R245fa為工質的太陽能低溫朗肯循環(huán)效率能達到約13。此工況在實際應用中可以利用普通集熱器得到。同時，如果太陽能集熱器可以進一步提高工質蒸發(fā)溫度，朗肯循環(huán)效率會得到進一步提高。通過更加綜合的分析，我們可以更好地了解R600與R245

28、fa用在低溫太陽能朗肯循環(huán)中的優(yōu)越性。雖然說在相同的設定工況下，R600的朗肯循環(huán)效率與熱力學完善度略高于R245fa，但總體差距不大；R245fa壓力水平較低且分子量較大，這將有利于太陽能集熱器和膨脹機的設計和制造。同時，與R600相比，R245fa最大的優(yōu)點在于其安全、不可燃，這是實際工程中必須要考慮的因素。特別是對于太陽能朗肯循環(huán)系統(tǒng)，運行中集熱器和膨脹機可能會出現(xiàn)工質泄露的情況，因此使用R600的風險較大。此外，作為有機工質，R245fa還擁有可以接受的環(huán)境參數(shù)。綜合考慮以上分析的因素，選取R245fa作為太陽能低溫朗肯循環(huán)的工質是可行、合理的。5.3.2 以R245fa為工質的郎肯循環(huán)參數(shù)表4和表5給出了一個以R245fa為工質的典型的太陽能低溫朗肯循環(huán)循環(huán)參數(shù)詳細計算結果。計算中，設定冷凝冷凝溫度為25；蒸發(fā)溫度為80，實際應用中，此蒸發(fā)溫度能夠通過平板集熱器或普通真空管集熱器輕松得到。表 4 以R245fa為循環(huán)工質的郎肯循環(huán)工況參數(shù)1狀態(tài)tP(MPa)h(kJ/kg)s(kJ/kgK)1250.1494233.21.116225.20.7888233.71.1163800.7888312.81.3594800.7888466.11.7935850.7888471.91.809642.1