太阳能有机朗肯循环系统

随着人们对环境保护关注度的不断提高，以煤炭为燃料的火力发电将会被逐渐淘汰，采用太阳能的可再生能源清洁发电技术将成为重要的能源供给方式。太阳能光伏发电和太阳能热发电是目前利用太阳能的两种主要形式［1］。太阳能是太阳内部或表面的核聚变反应产生的能量，地球轨道上的平均太阳辐射强度为1 369 W/m2，在海平面上的标准峰值强度为1 kW/m2。太阳能热发电主要有两种方式：（1）将太阳辐射的热能直接转化成电能，包括半导体或金属材料的温差发电、真空器件热电子和热电离子发电、碱金属热电转换和磁流体发电等，目前此技术还处于原理性研究阶段；（2）将太阳热能作为有机朗肯循环热机的热源，整个发电系统与常规热力发电类似，即通常所说的太阳能热发电技术。该技术主要采用聚光型太阳能热发电系统，包括：塔式太阳能热发电系统、槽式太阳能热发电系统、碟式太阳能热发电系统。

塔式太阳能热发电系统的集热器被安置在中央接收塔的顶部，地面上围绕接收塔的大量定日镜排列在接收塔的四周，通过自动跟踪太阳，将反射光精确投射到集热器内，加热盘管内流动的介质产生蒸汽，蒸汽温度最高可达650℃，利用蒸汽吸收的热量驱动有机朗肯循环发电。图4-1所示为我国甘肃敦煌100 MW熔盐塔式太阳能热发电系统。该系统采用硝酸钾熔盐作为导热介质。槽式太阳能热发电系统采用槽形的抛物面聚光器反射太阳光，其结构紧凑，制造成本较低，太阳能收集装置占地面积较小。碟式太阳能热发电系统采用碟式聚光集热系统，主要由碟式聚光镜、吸热器、ORC系统及辅助设备等组成。

图4-1　甘肃敦煌100 MW熔盐塔式太阳能热发电系统［2］

针对太阳能热发电应用，有必要研究高效的ORC系统及其设计方法，以及对ORC系统工作特性进行全面分析，从而为实际工程应用提供参考。作为太阳能热发电系统关键部件的集热器有多种不同的设计形式，需要考虑具体的应用选择合适的集热器。对中低温太阳能热发电应用，常采用真空管式集热器（ETC）和抛物面槽式集热器（PTC）。图4-2显示了平板式集热器（FPC）和真空管式集热器的结构。Romos等对比分析了采用两种不同集热器的小型太阳能CHP系统的性能［3］。FPC为外面罩有玻璃的板管式集热器，FPC单片集热器面积为1.19 m2，包含14组管径为6.8 mm的集热管，吸热层的热导率为310 W/mK，管内采用水/乙二醇混合物作为导热介质，流量范围为0.01～0.03 kg/s，FPC进、出口的温差为50℃～80℃，导热介质在ORC系统蒸发器入口的温度为80℃～100℃。ETC采用商用Gasokol vacuTube 65/20，单个ETC的聚光面积为1.5 m2，采用导热油Therminol 66作为导热介质，流量范围为0.017～0.069 kg/s。工作时，ETC进、出口温差为140℃～160℃，导热油在ORC系统蒸发器入口的温度为180℃～200℃。

图4-2　平板式集热器和真空管式集热器的结构［3］

（a）平板式集热器；（b）真空管式集热器

针对FPC和ETC两种集热器，设计的CHP系统分别如图4-3（a）、（b）所示。由于FPC出口的导热介质温度较低，蓄热器直接并联在FPC出口，家庭供热需求（DHW）直接由蓄热器或蒸发器出口的导热油提供。采用ETC的导热油出口温度较高，可利用ORC系统蒸发器出口的导热油加热蓄热器。采用FPC的CHP系统中，ORC系统采用R245fa为工质，在连续工作时可输出0.46 kW的功率，每年工作时间为2 555 h，可净输出1 105 kWh的电能，并提供10 710 kWh的供热量。对于采用ETC的CHP系统，当导热油温度达到200℃时，采用R1233zd为工质的ORC系统开始工作，可输出1.72 kW的功率，每年净输出3 605 kWh的电能，并提供13 175 kWh的供热量。对比两种不同集热器的太阳能热发电系统，可知提高集热器出口导热介质的温度，可有效改善ORC系统的热效率，提高太阳能的利用效率。

图4-3　采用FPC和ETC的CHP系统［3］

（a）采用FPC；（b）采用ETC

在设计太阳能热发电系统时，常直接采用商用的集热器，可通过建立系统的数学模型来分析不同的集热器对ORC系统工作性能的影响，在此基础上，选择合适的集热器型号。针对集热器出口温度不超过150℃的中低温太阳能热发电应用，Delgado-Torres和Garcia-Rodriguez对比了采用4种不同的集热器时的集热面积需求［4］。对中低温太阳能热发电应用，可采用图4-4所示的两种不同的系统设计：图4-4（a）所示为集热器直接加热ORC系统工质，图4-4（b）所示的集热器采用水作为导热介质，利用水的能量在ORC系统蒸发器中实现有机工质的蒸发。考虑的集热器包括两种FPC——VITOSOL 200F和SchucoSol U.5 DG，一种复合抛物面集热器（CPC）——AoSol 1.12X，一种ETC——VITOSOL 300。图4-5所示为在太阳辐射强度为1 000 W/m2的条件下，4种不同的集热器的工作效率随加热流体平均温度与环境温度差的变化曲线。随着二者温差的增加，太阳能集热器效率逐渐下降，其中VITOSOL 300的效率下降幅度相对较小。

对于两种不同的CHP系统，可分析不同ORC系统工质的工作性能，图4-6所示为单位输出功率下4种集热器的最小聚光面积。图4-6（a）所示为采用集热器直接加热ORC系统工质的CHP系统的结果。采用丙烷、R134a、R152a和R227ea为工质时，不同集热器的聚光面积均较大。对于剩下的ORC系统工质，采用CPC（AsoSol 1.12X）的最小聚光面积为18.9～20 m2/kW，采用FPC（VITOSOL 200F）的最小聚光面积为17.1～18.1 m2/kW，采用FPC（SchucoSol U.5 DG）的最小聚光面积为14.7～15.6 m2/kW，采 用ETC（VITOSOL 300）的 最 小 聚 光 面 积 为10.2～11.8 m2/kW。对于采用导热介质的CHP系统，单位输出功率的最小聚光面积结果如图4-6（b）所示。不同集热器所需要的最小聚光面积的排序与图4-6（a）所示的结果基本相同。除R227ea外的湿工质的最小聚光面积较大，干工质所需的最小聚光面积较小。采用CPC（AsoSol 1.12X）的最小聚光面积为24.8～25.6 m2/kW，采用FPC（VITOSOL 200F）的最小聚光面积为22.4～23.1 m2/kW，采用FPC（SchucoSol U.5 DG）的最小聚光面积为18.0～18.5 m2/kW，采用ETC（VITOSOL 300）的最小聚光面积为11.7～12.3 m2/kW。

对于大型的太阳能热发电系统，由于集热器出口的温度很高，常采用水为工质的传统朗肯循环发电系统。图4-7（a）所示为一种采用FPC的传统朗肯循环发电系统［5］。导热油在集热器中被加热到390℃，随后，依次进入朗肯循环的过热器、蒸发器和预热器，与水交换热量，温度降低到290℃后重新进入集热器吸收太阳能。过热器出口温度为370℃、压力为100 bar的水蒸气进入高压涡轮膨胀，膨胀后压力为17 bar的低压蒸汽再次进入过热器被加热到370℃并进入低压涡轮继续膨胀做功，高压涡轮和低压涡轮均采用抽气回热来提高效率。

图4-4　两种不同的太阳能热发电系统设计［4］

（a）集热器直接加热ORC系统工质（DVG）；（b）采用导热介质间接加热ORC系统工质（HTF）(www.xing528.com)

图4-5　4种集热器的工作效率随加热流体平均温度与环境温差的变化曲线［4］

图4-6　不同集热器的最小聚光面积［4］

（a）集热器直接加热ORC系统工质的CHP系统；（b）采用导热介质间接加热ORC系统工质的CHP系统

由于采用朗肯循环的发电系统要求太阳辐射量较高，当太阳辐射量较低时系统无法正常工作，Mittelman和Epstein提出了一种图4-7（b）所示的朗肯循环与Kalina循环组合的太阳能热发电系统［6］，Kalina循环可在太阳辐射量较低时继续正常工作。朗肯循环采用单级膨胀机，温度为370℃、压力为100 bar的水蒸气在涡轮中膨胀后温度降低到180℃，压力降低到8 bar，随后进入Kalina循环的蒸发器，水蒸气冷凝的同时将氨水溶液加热到气液两相状态，在分离器中，温度为160℃、压力为20 bar、浓度为72%的浓氨溶液进入涡轮膨胀发电。当太阳辐射量大于400 W/m2时，朗肯循环与Kalina循环同时工作，输出电能。当太阳辐射量低于400 W/m2时，朗肯循环停止工作，导热油直接进入Kalina循环的蒸发器与氨水换热。

图4-7　大型太阳能热发电系统［6］

（a）采用传统朗肯循环的CSP系统［5］；（b）采用组合循环的CSP系统

额定功率为50 MW的单一朗肯循环CSP系统和组合循环的CSP系统的工作性能对比见表4-1。虽然采用组合循环的CSP系统的集热器面积大于采用朗肯循环的CSP系统，且峰值发电量和发电效率稍低于采用朗肯循环的CSP系统，但采用组合循环的CSP系统的年净发电量高于采用朗肯循环的CSP系统，平均发电成本低于采用朗肯循环的CSP系统，在采用风冷式冷凝器时采用传统组合循环的CSP系统的成本降低幅度更加明显。

表4-1　采用朗肯循环和组合循环的CSP系统的工作性能对比［6］

ORC系统还可用于基于太阳能的大型制氢和冷热电多联供系统［7］，利用太阳能该系统能提供5种不同的输出模式：供电、制冷、制热、制氢和生物质干燥。整个系统的结构如图4-8所示，集热器采用FPC，可将导热油加热到400℃。集热器出口串联有ORC1的蒸发器，白天太阳光照充足时ORC1和ORC2工作，输出电能，ORC1回路的环己烷工质冷凝放热，用于加热ORC2回路的异丁烷工质，两个回路输出的电能用于电解制氢。导热油离开ORC1蒸发器后进入蓄热系统，对蓄热材料进行加热，蓄热材料采用45%NaNO3+55%KNO3，可在230℃～550℃范围内工作。蓄热材料加热ORC3回路中的异丁烷工质，输出的电能用于夜间供电。随后，导热油给采用溴化锂和水的吸附式热泵系统提供能量，该吸附式热泵系统的蒸发器用于湿空气的除湿，除湿后的干空气用于生物质的干燥。接着，导热油驱动采用氨水为工质的吸附式制冷系统，该系统带有蓄冷器，夜间提供制冷。蓄热系统和蓄冷系统均在白天补充，晚上泄放。最后，导热油给采用R123为工质的热泵系统提供能量，该热泵系统可将生物质干燥用的低温干空气加热到90℃～120℃，另一部分热量将制氢用的电解水加热到70℃。综合考虑白天和晚上的工作性能，在不同输出模式下系统的总热效率和效率结果如图4-9所示。在冷热电多联供及同时制氢的模式下，系统的能量效率和效率分别达到20.7%和21.7%。在热电输出模式和冷热电多联供模式下的能量效率也明显高于仅发电的单一模式。

图4-8　基于太阳能的大型制氢和冷热电多联供系统［7］

图4-9　制氢和冷热电多联供系统不同模式下的热效率和效率［7］