CN104196689A - 一种太阳能有机朗肯循环发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能有机朗肯循环发电系统，包括集热器、膨胀机、冷凝器、储液罐、工质泵，有机工质经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，经工质泵加压进入集热器，所述有机工质为非共沸低温混合工质，所述非共沸低温混合工质由R141b和R600组成。本发明从集热器、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出发，提高太阳能低温有机朗肯循环发电系统循环效率及性能。

Description

一种太阳能有机朗肯循环发电系统

技术领域

本发明涉及太阳能发电领域，尤其涉及一种太阳能有机朗肯循环发电系统。 

背景技术

随着社会的进步和经济的发展，常规能源拥有量急剧下降，这制约了经济和社会的可持性续性发展。当前能源消费结构以不可再生的化石能源为主，造成了全球范围的环境污染和生态破坏。大力发展可再生能源成为应对能源挑战，缓解环境危机的根本方法。太阳能取之不尽、用之不竭、安全无污染，是重要的绿色能源。但太阳能能量密度低、时空分布不连续，这又制约了其发展。 

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。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、品味低、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，采用太阳能低温有机朗肯循环发电系统已成发展趋势。但目前太阳能低温有机朗肯循环发电系统循环效率及性能仍存很大提高空间。 

太阳能低温有机朗肯循环发电系统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。太阳能ORC低温发电系统主要包括集热器、膨胀机、冷凝器、储液罐、工质泵等部分。系统原理如图1所示。 

太阳能低温ORC系统基本原理：有机工质液体经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，经工质泵加压进入集热器，完成一次循环。循环流程图如图2所示。 

1-2过程：饱和蒸汽驱动膨胀机进而带动发电机发电，汽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：低压汽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。 

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种太阳能有机朗肯循环发电系统，从集热器、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出发，提高太阳能低温有机朗肯循环发电系统循环效率及性能。 

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案： 

一种太阳能有机朗肯循环发电系统，包括集热器、膨胀机、冷凝器、储液罐、工质泵，有机工质经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，经工质泵加压进入集热器，所述有机工质为非共沸低温混合工质，所述非共沸低温混合工质包括R141b和R600。

更进一步的，所述非共沸低温混合工质由R141b和R600组成。 

更进一步的，该发电系统采用再热式太阳能有机朗肯循环发电系统，且非共沸低温混合工质R141b和R600的配比为0.1/0.9。 

更进一步的，该发电系统采用抽汽回热式太阳能有机朗肯循环发电系统，且抽气量和抽气压力成正比，抽汽压力为2.5MP±0.1。非共沸低温混合工质R141b和R600的配比为0.1/0.9。 

更进一步的，所述非共沸低温混合工质R141b和R600的配比为0.8/0.2。 

更进一步的，所述集热器为陶瓷太阳板集热器，规格采用610mm×610mm×26mm的中空瓷质板材。 

有益效果：（1）本发明采用非共沸低温混合工质，并采用R141b和R600作为非共沸混合工质的基本组分，经试验以及对比，分别提出普通低温ORC系统、带IHE再热型循环ORC系统和抽汽回热型循环ORC系统最适合的配比，使对应系统热效率、（火用）效率及系统不可逆损失都达到最优，提高太阳能低温有机朗肯循环发电系统循环效率及性能.。（2）本发明集热器采用新型陶瓷太阳板集热器，采用工业废弃物提钒尾渣做的钒钛黑瓷层，经1200℃一次烧成，制造能耗少，大规模生产投入市场后，成品售价约300—500元/m2。陶瓷太阳板规格采用610mm×610mm×26mm的中空瓷质板材，每平方米自重17kg，每平方米容水量12kg，管口直径24mm，陶瓷太阳板在对角线上有2个管口，分左型、右型。阳光吸收比为0.95，系统日得热量为8.6MJ。制造成本低，结构简单，寿命长，效率高，极大的提高了系统循环性能。 

附图说明

图1为太阳能低温ORC原理图。 

图2为图1太阳能低温ORC原理图中干工质循环流程图。 

图3为再热型太阳能ORC系统原理图。 

图4为再热型太阳能ORC系统工质循环流程图。 

图5为抽汽回热式太阳能低温ORC系统原理图。 

图6为抽汽回热式太阳能低温ORC系统工质循环流程图。 

图7为抽汽回热式太阳能低温ORC系统抽汽量与抽汽压力关系曲线。 

图8为抽汽回热式太阳能低温ORC系统热效率与抽汽压力关系曲线。 

图9为抽汽回热式太阳能低温ORC系统（火用）效率与抽汽压力关系曲线。 

图10为抽汽回热式太阳能低温ORC系统不可逆损失与抽汽压力关系曲线。 

图11为普通太阳能ORC系统蒸发温度滑移量与膨胀机入口温度关系曲线。 

图12为普通太阳能ORC系统冷凝温度滑移量与R141b质量配比关系曲线。 

图13为普通太阳能ORC系统系统不可逆损失与膨胀机入口温度关系曲线。 

图14为再热型太阳能ORC系统和普通太阳能ORC系统系统净输出功与R141b质量配比关系曲线。 

图15为再热型太阳能ORC系统和普通太阳能ORC系统系统热效率、热效率增量与R141b质量配比关系曲线。 

图16为再热型太阳能ORC系统和普通太阳能ORC系统系统（火用）效率及增量与R141b质量配比关系曲线。 

图17为再热型太阳能ORC系统和普通太阳能ORC系统系统、集热器不可逆损失及其减量与R141b质量配比关系曲线。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。 

一、系统结构改进 

由于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。本发明分别采用添加内部换热器的再热式和抽汽回热的方式对原太阳能低温ORC系统进行改进。

（1）再热式太阳能低温ORC系统 

在原太阳能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。膨胀机乏汽不是同原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。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；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系统原理图如图3所示，工质循环流程图如图4所示。

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，不和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。 

（2）抽汽回热式太阳能低温ORC系统 

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（火用）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。一级抽汽回热式太阳能ORC系统原理图如图5所示，工质循环流程图如图6所示。

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。 

抽汽回热型需要引入抽汽压力和抽汽量，所谓抽汽压力就是膨胀做功阶段抽汽时的气态工质压力，抽汽量是抽出的工质的质量流量。抽汽压力及抽汽量均是抽汽回热型循环系统的关键参数。 

抽汽回热循环提高了工质进入蒸发器时的温度，使蒸发器的（火用）损失减少了37%，具有更高的热效率和或用效率，合理的抽汽压力及抽汽量会增加系统的循环效率。 

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。本发明系统集热装置采用新型陶瓷太阳板集热器。陶瓷太阳板集热器采用普通陶瓷为基体，表面层喷涂立体网状钒钛黑瓷，结构呈中空薄壁扁盒式。陶瓷太阳板制造成本低，结构简单，寿命长，效率高。阳光吸收比不会衰减，是功能型建筑材料，可以真正实现与建筑一体化，与建筑同寿命。陶瓷太阳板采用工业废弃物提钒尾渣做的钒钛黑瓷层，经1200℃一次烧成，制造能耗少，大规模生产投入市场后，成品售价约300—500元/m2。陶瓷太阳板规格采用610mm×610mm×26mm的中空瓷质板材，每平方米自重17kg，每平方米容水量12kg，管口直径24mm，陶瓷太阳板在对角线上有2个管口，分左型、右型。阳光吸收比为0.95，系统日得热量为8.6MJ。 

二、有机工质改进—混合工质 

混合工质是指由两种或者两种以上的纯工质按照一定配比而组成，在热力循环中各组成工质充分发挥各自的优越性。太阳能集热温度较低，并且考虑到环保、安全等因素，纯工质的选择范围较窄，混合工质的应用可以拓展适用工质的选择范围。本发明对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。

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1kw的功所需要的工质质量流量要小；当工质质量流量为1kg/s时，系统净输出功大，（火用）效率也较高。 

四种工质参与下的循环热效率、（火用）效率均随蒸发温度的升高而提高，R141b的性能最优异。净输出功、热效率、（火用）效率及不可逆损失均随着膨胀比的增大而提高，R141b综合表现较佳。汽化潜热较高，或者潜热与显热比值较大的有机工质在净输出功、（火用）效率等方面具有较大优势，R141b同样蒸发温度下，潜热值及潜热/显热的比值均最大，各项热力学指标也最优。 

另外，根据混合工质的组成成分和配比的不同，大致可分为共沸和非共沸两类。共沸混合工质的特点是在一定蒸发压力下，相变过程同纯工质一样保持恒温，工质物性要好于纯工质，常用的共沸工质环保性能较差，因此它的使用受到限制。因此，本发明采用非共沸混合工质，并选R141b和R600作为非共沸混合工质的基本组分，R141b属于HCFC的等熵工质，安全稳定，但做功能力不如烷类，R600（正丁烷）属于HC干工质，R600做功能力强，无毒环保，但易燃易爆，不可逆损失较大，因此两者作为非共沸混合工质可以优势互补。当然在不影响两者混合性能的前提下，还可以添加其他工质，比如R134a、R245fa或R123，两者的物性参数如表2所示。 

1）普通太阳能低温ORC系统混合工质性能 

如图11所示，混合工质R141b/R600的配比从1/0至0/1的蒸发温度滑移量随着膨胀机进口温度T₁的升高而降低，纯工质温度滑移量为0，R141b质量分数低于0.8时，滑移量随着R141b质量分数的降低而减少，质量分数为0.9时例外，滑移量低于质量分数为0.6时的滑移量，因此质量配比为0.8/0.2时，滑移量最大，在膨胀机进口温度为55℃时，滑移量达到最大值8.83℃。

图12所示，在冷凝泡点温度为30℃时，随着R141b质量配比的增加，冷凝温度滑移量先增大后减小，在配比为0.8左右时达到最大值9.24℃。并且在配比小于0.7时，滑移量近似线性增长，在0.8之后，滑移量陡然下降。 

根据R141b不同配比，蒸发和冷凝温度滑移量的大小关系：0.8>0.7>0.6>0.9>0.5>0.4>0.3>0.2>0.1，效率关系：0.8<0.7<0.6<0.9<0.5<0.4<0.3<0.2<0.1，因此对于R141b/R600混合工质而言，在同样的膨胀机进口温度下，滑移量大的混合工质热效率和（火用）效率小。T1为95℃时，R141b热效率为9.12%，（火用）效率为45.39%，混合工质（配比0.8/0.2）的热效率为7.68%，（火用）效率为38.22%，分别减少了1.44%和7.17%，减少的比重约为15.7%。 

图13所示，在热源温度固定的情况下，系统不可逆损失随着蒸发温度的升高而降低，因为蒸发温度越接近热源温度，换热不可逆损失越小。很明显系统不可逆损失R600>混合工质>R141b，混合工质随着R141b质量比的增加而降低。R600等所代表的烷类尽管无毒环保且做功能力强，热效率、（火用）效率与R141b也较为接近，但所造成的系统不可逆损失较大，这是主要缺点。例如T₁=55℃时，R600系统不可逆损失为60.01kw，比R141b高了23.53kw，比重高达64.53%，T₁=95℃时，R600系统不可逆损失为38.47kw，R141b系统不可逆损失为21.14kw，损失比重高达81.95%。因此与R600相比，R141b/R600混合工质可显著降低系统不可逆损失，并且与R141b相比，可提高系统做功能力。 

2）R141b/R600带IHE再热型循环 

下面以膨胀机进口温度为95℃、冷凝温度为30℃的工况计算比较混合工质在普通型和带IHE的再热型ORC循环系统的性能。

图14可知，普通型和带IHE再热型净输出功相同，并且随着R141b质量比（小于0.9）的增加而减少，在0.9~1区间内增大。质量比为0.9时，净输出功最小为22.74kw，R141b净输出功为24.49kw，混合工质R141b质量配比小于0.7时，净输出功均会大于纯工质R141b。区间0.9~1增加的原因：以质量比0.9为例，相比纯工质减少了0.1的R141b，增加了0.1的R600，但增加的这0.1的R600做功增量低于相等质量的R141b的做功减少量，表现出系统净输出功降低。 

图15看出，再热型循环热效率高于普通型ORC，重要的是混合工质热效率增量明显大于纯工质，R141b普通型和再热型的热效率分别为9.12%和9.55%，仅增加了约0.43个百分点，而混合工质虽在普通型ORC中热效率低于R141b，但增加IHE后，热效率增加明显，例如R141b质量比为0.5的混合工质再热前后的热效率分别为7.96%和9.09%，增加了1.13个百分点，是R141b的2.7倍。再热后质量比为0.1的混合工质热效率达到9.57%，高于R141b的再热效率。在0~0.2区间内有两个配比的混合工质热效率与R141b相同，这就拓展了混合工质的适用范围。因为不同配比混合工质对应的热源温度不同，可适用热源范围广。如果以热效率为优先考虑的评价指标，显然0.1/0.9的R141b/R600混合工质在增加IHE后效果最理想。 

（火用）效率变化趋势同热效率一致，如图16所示，再热前后R141b（火用）效率增加2.11个百分点，混合工质增加约5.55个百分点，解释同上。 

由图17可知，系统不可逆损失和集热器不可逆损失均随着R141b质量比的增加而减小。R141b的系统不可逆损失最小，为21.14kw再热后减小为18.74kw，减幅约为2.40kw，R600不可逆损失最高为38.47kw，再热后减少为30.46kw，减幅约为8.01kw。而混合工质不可逆损失减幅随着质量比的增大而减小，质量比0.1时减幅最大为10.24kw，质量比大于等于0.7之后，混合工质降幅开始低于R600，但仍远大于R141b。 

集热器不可逆损失变化趋势与系统不可逆损失大致相同，在质量比为0.9时，再热型集热器不可逆损失最低，为9.06kw，R141b的为9.30kw，原因是此质量比的混合工质蒸发温度滑移量为5.57℃，蒸发温度下的平均斜率与热源最贴近，因此集热器不可逆损失最小。集热器不可逆损失减量也是随着R141b质量比的增大而减小。 

为了获得尽可能多的发电量，需要较高的净输出功，R141b在热源为100℃的限制下，最大净输出功为24.49kw，若要在此基础提高，需要更高的热源，这将对集热器的性能有较高要求，而R600在100℃热源下净输出功较高，达到38.10kw，但系统不可逆损失较大，综合考虑选择适合质量比的混合工质既可以提高净输出功，同时不可逆损失也相对较低。 

3）R141b/R600抽汽回热型 

本发明还对抽汽回热式太阳能低温ORC系统的抽汽压力和抽汽量s进行参数改进，以期抽汽回热式太阳能低温ORC系统性能的最大化。抽汽量s理论上可以任意取值，但是本发明只针对抽汽量s下与冷凝后的工质融合恰好变为饱和液态时的值（设为s₀）。在同样工况下，s>s₀时，抽出过多的过热蒸汽，状态点6进入两相区。s<s₀时，抽汽量较少，融合后的工质处于过冷状态，即状态点6在饱和液态曲线左侧。抽汽量过多，膨胀机做功减少明显，抽汽量过少，对系统循环效率影响较小，所以仅研究抽汽量为s₀时的情况。从热效率和净输出功考虑，最佳配比为0.1/0.9的R141b/R600。

从图7中可以看出，在保证抽汽融合后（即状态点6）处于饱和液态，抽汽量s随着抽汽压力的增加而增加，并且增长幅度越来越平缓。原因是抽汽压力越大，如图6所示，状态点2越接近状态点1，那么状态点6的焓值及温度也越高，这就需要抽出足够量的过热蒸汽来加热过冷液态工质，同理，抽汽压力越接近膨胀末了时的压力，状态点6的温度及压力越接近状态点5相应的温度及压力，只需抽出少量的过热蒸汽即可达到要求。 

从图8、9可以看出，热效率和（火用）效率随抽汽压力变化的趋势相同，都是随着抽汽压力的增大，效率先增大后减小，抽汽压力在2.5MP±0.1附近时，热效率达到最大为9.70%，（火用）效率也达到最大为43.24%，此时的抽汽量为0.14kg/s，净输出功为22.53kw。 

由图10可以看出系统的不可逆损失随着抽汽压力的增加而大幅减少，并且在0.1MP~0.25MP之间不可逆降幅最快，在2.5MP以后降幅较小。不可逆损失由0.1MP时的20.74kw降为0.5MP时的15.42kw，降幅为5.32kw。由前面可知，系统不可逆损失中集热器部分最大，抽汽混合后工质处于较高温度下的饱和液态，提高了进入集热器的公职温度，平均温度上升，集热器不可逆损失降低，从而系统总不可逆损失也降低，并且抽汽压力越大（超过2.5MP），沿着饱和线上移状态点6的焓值及温升增长幅度变小，所以系统不可逆损失降幅趋向平缓。 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 

  

Claims (8)

1.一种太阳能有机朗肯循环发电系统，包括集热器、膨胀机、冷凝器、储液罐、工质泵，有机工质经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，经工质泵加压进入集热器，其特征在于：所述有机工质为非共沸低温混合工质，所述非共沸低温混合工质包括R141b和R600。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能有机朗肯循环发电系统，其特征在于：所述非共沸低温混合工质由R141b和R600组成。

3.根据权利要求1或2所述的一种太阳能有机朗肯循环发电系统，其特征在于：该发电系统采用再热式太阳能有机朗肯循环发电系统，且非共沸低温混合工质R141b和R600的配比为0.1/0.9。

4.根据权利要求1或2所述的一种太阳能有机朗肯循环发电系统，其特征在于：该发电系统采用抽汽回热式太阳能有机朗肯循环发电系统，且抽气量和抽气压力成正比，抽汽压力为2.5MP。

5.根据权利要求1或2所述的一种太阳能有机朗肯循环发电系统，其特征在于：该发电系统采用抽汽回热式太阳能有机朗肯循环发电系统，且非共沸低温混合工质R141b和R600的配比为0.1/0.9。

6.根据权利要求2所述的一种太阳能有机朗肯循环发电系统，其特征在于：所述非共沸低温混合工质R141b和R600的配比为0.8/0.2。

7.根据权利要求1所述的一种太阳能有机朗肯循环发电系统，其特征在于：所述集热器为陶瓷太阳板集热器。

8.根据权利要求7所述的一种太阳能有机朗肯循环发电系统，其特征在于：所述陶瓷太阳板规格采用610mm×610mm×26mm的中空瓷质板材。