低溫熱能發(fā)電的現(xiàn)狀和發(fā)展前景(共8頁)

1、PAGE 6PAGE 8低溫(dwn)熱能(rnng)發(fā)電(fdin)的現(xiàn)狀和發(fā)展前景摘要： 目前，地球上人口數(shù)量已經(jīng)接近70億，近一個世紀以來，化石燃料的使用量幾乎增加了30倍。如何實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為擺在人類面前的一個重要課題。在各種新式能源利用研究中，低溫熱能發(fā)電近年來成為科學(xué)家研究的一個熱點。低溫熱能種類繁多，數(shù)量巨大，從人類熱能工業(yè)余熱利用，到自然環(huán)境中的太陽能、地熱資源、海洋溫差、生物質(zhì)能等，涉及多方面的低溫熱資源利用?，F(xiàn)階段低溫熱能發(fā)電的研究重點有：工質(zhì)的熱物性和環(huán)保性能、循環(huán)優(yōu)化研究：提高低溫熱能發(fā)電效率的研究，包括混合工質(zhì)循環(huán)、Kalina循環(huán)、回熱、氨吸收式動力制冷

2、循環(huán)等；基于有限時間熱力學(xué)的系統(tǒng)最優(yōu)控制等方面的研究。關(guān)鍵詞 低溫熱能 朗肯循環(huán) 熱力發(fā)電 概述： 低溫熱能是指品位相對較低的熱能，一般溫度低于200，這些能源種類繁多，包括太陽熱能、各種工業(yè)廢熱、地熱、海洋溫差等可再生能源；同時總量巨大，以工業(yè)廢熱為例，有統(tǒng)計指出，人類所利用的熱能中有50%最終以低品位廢熱的形式直接排放。低溫熱能因發(fā)電教率很低、技術(shù)利用難度很大，因而在很多情況下都被直接排放至環(huán)境，造成大量浪費。利用和回收這部分能源，既有助于解決我國的能源問題，又能減少能源生產(chǎn)過程中的環(huán)境污染。 對低溫熱能發(fā)電技術(shù)研究的第一次熱潮始于石油危機的爆發(fā)，人們對以戊烷、異丁烷以及一些氟利昂為工質(zhì)的

3、熱力發(fā)電系統(tǒng)進行了大量的研究。但是隨著石油危機的結(jié)束，對這項技術(shù)的研究也走人低谷。近年來隨著人類對能源環(huán)境危機意識的增強，對低溫熱能技術(shù)的研究又逐漸增溫，現(xiàn)階段人類對其的研究相比較第一次熱潮來講更注重能源利用的可持續(xù)性，可以預(yù)見，這項技術(shù)將隨著人類節(jié)約能源意識的增強而得到廣泛的應(yīng)用，從而為人類能源的可持續(xù)發(fā)展做出重大貢獻。 一、低溫(dwn)熱能發(fā)電利用的現(xiàn)狀1、太陽能熱電利用(lyng)技術(shù)除了太陽能電池外，太陽能熱電技術(shù)(jsh)也是利用太陽能的方法之一。由于太陽能能量密度低，熱源溫度不高，所以太陽能熱電系統(tǒng)主要是基于集熱技術(shù)的朗肯循環(huán)（如有機物朗肯循環(huán)）系統(tǒng)。20世紀50年代后期，以色列

4、國家物理實驗室設(shè)計制造了用于有機物朗肯循環(huán)的透平，其熱源為平板集熱器收集的低于100的太陽熱能。石油危機時期，人們注意到太陽能對于人類的重要作用，美國從80年代開始建造的SEGS，其總發(fā)電量達到354MW，單系統(tǒng)的最大裝機容量達到80MW（SEGS & SEGS ），是世界上最大的太陽能熱電系統(tǒng)。太陽能熱電系統(tǒng)有槽式、塔式、碟式3種。有研究指出，在容量為10KW10MW范圍內(nèi)，模塊化槽式有機物朗肯循環(huán)系統(tǒng)可能是風(fēng)險最小且投資回報效益最高的太陽能熱電技術(shù)，采用拋物面集熱裝置可以達到300，工作工質(zhì)可以是戊烷、異丁烷等。2、工業(yè)余熱發(fā)電 各類的工業(yè)如發(fā)電行業(yè)、鋼鐵行業(yè)、陶瓷行業(yè)、化工行業(yè)等大大小小

5、的工業(yè)窯爐，其大部分熱量是以低溫熱能被耗散掉，如熱煙氣、熱水、熱蒸汽等。而我國單位產(chǎn)值能耗比世界平均水平高2.4倍，能源效率比國際先進水平低10個百分點，回收工業(yè)余熱具有巨大的節(jié)能潛力。尤其近年來工業(yè)節(jié)能減排成為國家關(guān)注重點，各類的工業(yè)熱源利用技術(shù)逐漸應(yīng)用到實際中。例如，利用ORC循環(huán)回收工業(yè)余熱，以美國2002年能源消耗計算，可以減少286萬噸CO2、5063噸NOX、12159噸SO2的排放。不過，這些系統(tǒng)所采用的工質(zhì)多為CFC 類工質(zhì)，會對臭氧層產(chǎn)生破壞?，F(xiàn)階段的ORC循環(huán)需要采用對臭氧層沒有破壞的HFC類工質(zhì)，因而給ORC系統(tǒng)的研究和應(yīng)用帶來了新的問題。3、地熱(dr)發(fā)電 地熱發(fā)電一

6、般利用地熱蒸汽或者熱水。地熱發(fā)電系統(tǒng)有擴容法和中間(zhngjin)介質(zhì)法，擴容法是將地熱蒸汽通過閃蒸器降壓擴容，然后通入汽輪機做功；而中間介質(zhì)法是將地熱熱水或蒸汽作為閉式有機物朗肯循環(huán)的熱源來進行發(fā)電，采用的工質(zhì)可以是各種有機物工質(zhì)，如異戊烷、異丁烷等，也可以采用Kalina循環(huán)來進行地熱(dr)發(fā)電。 4、生物質(zhì)能發(fā)電 對于使用生物質(zhì)能的小型熱電系統(tǒng)，與水蒸氣朗肯循環(huán)相比較，ORC系統(tǒng)表現(xiàn)出更高的性能。生物質(zhì)的集中燃燒由于可以控制燃燒過程，因而也具有很好的環(huán)保效應(yīng)。意大利TURBODEN公司的生物質(zhì)ORC系統(tǒng)采用具有回熱的ORC系統(tǒng)，其商業(yè)化產(chǎn)品有從1500KW的一系列產(chǎn)品，可以為用戶提供

7、電和熱，實現(xiàn)分布式供能。2005年在歐洲生產(chǎn)的電力達到約17MW，其所采用的生物質(zhì)原料主要是家具工業(yè)的廢棄木材等。 5、海洋溫差發(fā)電 海洋溫差能利用海水表面和深層的溫度差來進行發(fā)電。該系統(tǒng)主要有開式循環(huán)和閉式循環(huán)兩種系統(tǒng)，開式循環(huán)的工作工質(zhì)為海水；閉式循環(huán)的工質(zhì)可以是各種低沸點工質(zhì)，如戊烷等。海水通過換熱器與工質(zhì)進行換熱，工質(zhì)進入透平進行做功。二、低溫發(fā)電(fdin)的關(guān)鍵性問題 到目前為止，低溫熱能發(fā)電技術(shù)主要是基于朗肯循環(huán)(xnhun)的發(fā)電系統(tǒng)，所采用的工質(zhì)多為各種有機物或其它一些低沸點工質(zhì)，對有機物朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)和應(yīng)用過程進行重點(zhngdin)研究。 1、工質(zhì)的選擇工質(zhì)的選擇特別

8、是一些新的環(huán)保型工質(zhì)的開發(fā)與研究是低溫熱電技術(shù)研究的重要內(nèi)容。如何選擇工質(zhì)使其技術(shù)可行、經(jīng)濟性好，并且符合環(huán)保要求，是低溫熱電技術(shù)的重要問題之一。首先從技術(shù)可行性角度講，其最重要的因素就是工質(zhì)在循環(huán)過程中的壓力不能過高，也不能太低，必須在裝置抗壓性和密封性允許的范圍之內(nèi)。另外，工質(zhì)需盡量選擇干性工質(zhì)，以保證透平工作的安全性。其次從經(jīng)濟性角度講，主要從系統(tǒng)的效率因素考慮，系統(tǒng)的效率盡可能慣。不同的有機物工質(zhì)主要通過以下3個方面來影響系統(tǒng)的效率：（1）工質(zhì)熱物性影響ORC循環(huán)特性；（2）工質(zhì)的傳熱特性影響換熱器換熱特性以及在其它部件中的換熱損失；（3）工質(zhì)的流動特性影響系統(tǒng)的流動損失。從環(huán)保角度，

9、工質(zhì)應(yīng)該是環(huán)境友好的，包括對臭氧層沒有破壞作用，且溫室效應(yīng)低。另外，工質(zhì)選擇還需要考慮以下一些因素：傳熱性和流動性、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性、毒性、價格等。特別還需要注意工質(zhì)可燃性，應(yīng)該盡量采用不可燃的工質(zhì)，以使系統(tǒng)更具安全性。2、熱交換器的優(yōu)化 換熱器特別是蒸發(fā)器的效率是影響系統(tǒng)整體效率的最重要因素之一，換熱器性能的優(yōu)化是提高循環(huán)性能的重要途徑。提高換熱器效率的核心是減小換熱過程的不可逆損失，盡量減小換熱溫差。從設(shè)備上考慮，可以增加換熱器換熱面積、合理地設(shè)計換熱器的結(jié)構(gòu)、采用(ciyng)換熱系數(shù)更高的材料等；從工質(zhì)角度考慮，可采用換熱好的有機物工質(zhì)，同時盡量使工質(zhì)的加熱過程與熱源溫度變化過程相

10、配合，從而減小換熱溫差。對換熱器換熱過程的分析，特別是蒸發(fā)器和冷凝器兩相換熱過程的熱力學(xué)分析，是低溫熱電技術(shù)理論分析的難點(ndin)之一。如何分析換熱過程的靜態(tài)和動態(tài)過程，包括過程的流動、傳熱等參數(shù)的計算，能對低溫熱電換熱器的設(shè)計制造以及運行過程中的控制起到很好的指導(dǎo)作用。 3、系統(tǒng)(xtng)熱經(jīng)濟性評價 由于低溫熱能發(fā)電應(yīng)用的熱源有很多種，因此對其進行經(jīng)濟性評價難度較大，而對系統(tǒng)的熱經(jīng)濟性評價將對設(shè)計建造有著非常重要的指導(dǎo)作用，因而如何進行熱經(jīng)濟性評價也是低溫熱電技術(shù)的難點之一。ORC性能的評價主要從熱力學(xué)第一定律和第二定律來考慮。首先從熱力學(xué)第一定律來看，ORC系統(tǒng)比在相同熱源下的水蒸

11、氣朗肯循環(huán)系統(tǒng)效率高。此外，從第二定律或者整個系統(tǒng)的性能上考慮，ORC系統(tǒng)也是優(yōu)于水蒸氣系統(tǒng)。從換熱效率角度考慮，一般有機物的蒸發(fā)潛熱值較小，因此在工質(zhì)等溫蒸發(fā)過程占整個加熱過程的比例較小，因此工質(zhì)加熱過程與熱源溫度變化過程的配合程度較好，換熱的不可逆損失小。上述的研究(ynji)主要從工質(zhì)角度分析系統(tǒng)經(jīng)濟性。對于實際的系統(tǒng)而言，更需要從設(shè)備成本等各個方面分析系統(tǒng)的經(jīng)濟性，不同的分析方式很有可能得到完全不同的結(jié)果，因此正確的分析低溫熱電系統(tǒng)的熱經(jīng)濟性是保證系統(tǒng)高效運行的前提之一。三、低溫(dwn)熱能發(fā)電發(fā)展趨勢隨著我國可再生能源法的頒布，作為可再生能源的重要組成部分的低溫熱能（如太陽能熱、地

12、熱(dr)、工業(yè)余熱等）也將有一個大的發(fā)展，根據(jù)國家規(guī)劃到2010年，小水電、風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電、地熱發(fā)電和太陽能發(fā)電系統(tǒng)裝機容量的目標是6000萬KW，其中相當部分是采用低溫熱能的發(fā)電技術(shù)。因此，需要加強對低溫熱能發(fā)電技術(shù)的研究，低溫熱能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢是高效、環(huán)保的能源系統(tǒng)。1、環(huán)保型工質(zhì)工質(zhì)是有機物朗肯循環(huán)及基于此循環(huán)的其它循環(huán)的關(guān)鍵性問題之一，工質(zhì)選擇的發(fā)展趨勢：高效、環(huán)保、安全，主要趨勢是混合工質(zhì)、自然工質(zhì)、HFC類工質(zhì)等。大氣環(huán)境的保護對工質(zhì)的選擇提出了更高的要求，需要選擇ODP為零，GWP值較低的工質(zhì)。自然工質(zhì)如氨等工質(zhì)對環(huán)境是友好的，但是這些工質(zhì)在熱物性方面可能存在一些不足

13、，因此需要優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以提高系統(tǒng)性能。HFC類工質(zhì)對于臭氧層沒有破壞能力，即ODP值為零。但是，大多數(shù)新工質(zhì)在熱力性能方面不盡如人意，需要在熱力性能和環(huán)保等因素中做出權(quán)衡。 2、復(fù)合循環(huán)低溫熱能發(fā)電的熱源品位較低，采用復(fù)合循環(huán)是提高熱能利用率的有效辦法之一。自D.Yogi Goswami提出動力制冷復(fù)合循環(huán)以來，國內(nèi)外對此進行了大量的研究工作，該系統(tǒng)在分布式供能方面有很好的應(yīng)用潛力。 3、優(yōu)化循環(huán)(xnhun)過程對低溫熱能系統(tǒng)的優(yōu)化主要包含兩個(lin )方面：（1）從系統(tǒng)和裝置的靜態(tài)(jngti)特性考慮，提高包括蒸發(fā)器、透平等裝置的性能。例如通過研究工質(zhì)，特別是用于ORC系統(tǒng)的分子量較高

14、的有機物工質(zhì)流過透平時的流動特性來改進透平的設(shè)計，以使透平效率更高；（2）低溫熱能發(fā)電系統(tǒng)通常工作在周圍環(huán)境時變很大的工況下，如晝夜日照的變化對太陽能熱電裝置的影響、工廠作息制度對工業(yè)余熱回收的影響，因此，需要從時變的角度來對系統(tǒng)進行優(yōu)化控制，對此可以采用有限時間熱力學(xué)及最優(yōu)控制等方法。 結(jié)語：從近幾年低溫熱能發(fā)電技術(shù)研究的發(fā)展情況來看，研究工作主要集中在對動力循環(huán)工質(zhì)的研究和循環(huán)過程的改進和最優(yōu)控制等方面。Kalina循環(huán)、氨吸收式動力制冷復(fù)合循環(huán)等在理論上可以達到比簡單循環(huán)更高的能量利用率。基于有限時間熱力學(xué)的低溫熱能發(fā)電在考慮時變因素對系統(tǒng)的影響時具有重要意義，可能實現(xiàn)系統(tǒng)的能量利用的最大化。提高發(fā)電效率和環(huán)保是低溫熱電技術(shù)的核心內(nèi)容。從熱力學(xué)角度講，提高效率的有效方法是提高熱源溫度，如改善太陽能熱電的集熱技術(shù)；第二就是對于熱源溫度一定時（如地熱等熱源），則應(yīng)最大可能地減少熱力學(xué)不可逆損失，采用高效換熱器、混合工質(zhì)或Kalina循環(huán)等。參考文獻1 顧偉、翁一武、曹廣益，翁史烈，低溫熱能發(fā)電的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢2 朱江，鹿院衛(wèi)，馬重芳，吳玉庭，低溫地熱(dr)有機朗肯循環(huán)(ORC)工質(zhì)選擇(xunz)3 劉雪玲、李寧、戴傳山，低焓能源(n