太阳能CHP系统的设计与应用

小型太阳能CHP系统具有环保性好、成本低、可靠性好和结构简单的优势，在家用和建筑节能中有良好的潜力。对于小型的太阳能热利用系统，考虑到经济性和占地面积，难以采用很大的聚光面积来提高集热器出口温度，因此采用ORC系统的太阳能热发电装置更有优势。此时需要根据具体应用的集热器出口温度，合理选择ORC系统的工质，保证采用ORC系统的中低温太阳能热发电系统的效率处于较高水平。图4-10所示为传统的低温太阳能热发电系统的结构，在此基础上，可研究不同工质的系统性能［8］。在该低温太阳能热发电系统中，集热器将储水罐中的水加热到90℃，同时加热后的水给ORC系统提供能量。设ORC系统工质在膨胀机入口的蒸发温度为75℃，在冷凝器出口的冷凝温度为35℃，ORC系统蒸发器内的换热温差为15℃，不同工质的系统热效率随涡轮入口压力的变化曲线如图4-11所示。随着涡轮入口压力的增加，系统热效率逐渐增大。对于低沸点工质，R152a和R134a的系统热效率大于R407C和R290，对于高沸点工质，水和乙醇的系统热效率比正戊烷和R123高。由于水、乙醇和甲醇等工质的冷凝压力太低，膨胀机出口的体积流量过大，不适用于小型低温太阳能热发电应用，同时考虑环保要求，选择R134a、R152a、R290、R600和R600a作为工质是较为适合的。

图4-10　传统的低温太阳能热发电系统的结构［8］

图4-11　不同工质的系统热效率随涡轮入口压力的变化曲线［8］

全球大部分地区的可用地热能温度较低，将低温地热能与太阳能结合使用，利用低温地热能预热ORC系统工质，再由温度较高的太阳能实现ORC系统工质的蒸发，可进一步提高太阳能的利用效率。图4-12所示为一种同时利用太阳能和低温地热能的小型CHP系统［9］，［10］。冷凝器出口的液态有机工质在预热器中被90℃的地热水加热到饱和液态，随后，ETC收集的太阳能将有机工质加热到147℃，ETC不采用聚光装置，可降低系统成本。膨胀机出口的过热气态工质在去过热器（DSH）中放热，用于建筑和家庭供热，同时冷却水吸收有机工质冷凝过程的热量，为建筑和家庭提供低温热水。

图4-12　同时利用太阳能和低温地热能的小型CHP系统［9］

设计的额定功率为50kW的系统，采用R134a、R236fa和R245fa有机工质的ORC系统工作性能见表4-2。采用R245fa为工质的ORC系统膨胀比最大，相应的系统效率也最高，达到13%。采用R134a为工质时ORC系统的蒸发压力最高，为38 bar，但膨胀比最低。由于R134a为湿工质，膨胀机入口的过热度达到49℃，但其系统效率最低，仅为9.1%。根据1月、3月和7月太阳辐射数据分析的ORC系统总成本表明，采用R245fa为工质的ORC系统总成本最低，采用R134a为工质的ORC系统总成本比采用R245fa为工质的ORC系统高约50%，这是由于采用R134a为工质的ORC系统换热器面积更大。同时，从1月到7月，随着太阳辐射水平的提高，所需的ETC面积逐渐减小，导致ORC系统总成本逐渐下降。

表4-2　不同工质的CHP系统的主要性能参数［9］

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利用太阳能的小型CHP系统提供的电能和热水可满足家庭用户日常的大部分需求，适合在广大乡村和偏远地区应用。典型的采用太阳能的CHP系统如图4-13所示，被集热器加热的导热油进入ORC系统蒸发器，向ORC系统工质提供能量，ORC系统工质经过膨胀机输出电能，从ORC系统蒸发器流出的导热油继续加热热水罐，热水罐中热水可提供给家庭日常使用。

图4-13　利用太阳能的小型CHP系统［11］

基于伦敦地区全年平均日照计算的日太阳辐射数据，Freeman等分析了3种不同形式集热器的ORC系统性能［11］。考虑的集热器包括安装倾斜角固定的ETC、安装角度固定的PTC和安装角可跟踪太阳光的PTC。集热器出口温度和跟踪式PTC、固定式ETC的累积输出功随时间变化曲线如图4-14所示。根据具体的日照数据，通过调节ORC系统的蒸发压力和工质流量使ORC系统的净输出功率最大，优化得到的采用跟踪式PTC的ORC系统的导热油流量为0.12 kg/s，工质流量为0.015 kg/s，蒸发压力为16 bar；优化的采用固定式ETC的ORC系统的导热油流量为0.13 kg/s，工质流量为0.010 kg/s，蒸发压力为12 bar。跟踪式PTC的导热油工作温度高于固定式ETC，因此采用跟踪式PTC的ORC系统的蒸发压力也较高，导致采用跟踪式PTC的ORC系统的瞬时输出功率高于采用固定式ETC的ORC系统。但是，采用跟踪式PTC的ORC系统的工作时间比采用固定式ETC的ORC系统短，因此二者的总累积输出功基本相当。图4-14（c）所示为开启储热罐蓄热功能时的ORC系统性能，从ORC系统蒸发器流出的导热油还需加热储热罐中的热水，使集热器入口的导热油焓值下降，ORC系统输出电能的时间大幅缩短，在12：30前导热油的能量全部用于加热储热罐，当储热罐中的热水温度达到上限80℃后，ORC系统才开始工作，导致其累积输出功明显小于不蓄热时的结果。

图4-14　集热器出口温度和跟踪式PTC、固定式ETC的累积输出功随时间变化趋势［11］

（a）跟踪式PTC；（b）固定式ETC；（c）采用ETC时热水罐对CHP系统工作性能的影响

基于年平均日光照数据，ORC系统输出功率随工作参数的变化曲线如图4-15所示。通过参数分析，可识别影响ORC系统性能的主要工作参数，进而可通过调节这些参数实现输出功率的最大化。图4-15（a）所示为输出功率随ORC系统蒸发压力的变化曲线，随着蒸发压力的增加，采用跟踪式PTC、固定式PTC和固定式ETC的ORC系统的输出功率均先迅速增大后稍有减小，其中采用跟踪式PTC和固定式ETC的ORC系统的输出功率在蒸发压力较小时几乎一样，在蒸发压力大于12 bar后，采用跟踪式PTC ORC系统的输出功率明显大于采用固定式ETC的ORC系统，采用固定式PTC的ORC系统的输出功率明显小于其他系统。图4-15（b）和（c）分别显示了导热油和ORC系统工质流量的影响，当导热油流量大于0.1 kg/s或者ORC系统工质流量大于0.01 kg/s时，ORC系统输出功率几乎不再变化，导热油与ORC工质的流量比为8∶1～13∶1时，ORC系统工质的最小过热度可维持在8～9 K。随着集热器内导热油流量的增大，集热器内的流动耗功逐渐增大，应在保持ORC系统输出功水平的同时尽可能降低导热油流量。图4-15（d）所示为ORC系统输出功率随启动ORC系统的最低导热油温度的变化曲线，其与蒸发压力有很大的相关性。图4-15（e）所示为ORC系统冷凝温度对输出功率的影响，随着冷凝温度从17℃升高到35℃，采用固定式ETC的ORC系统的输出功下降了19%，采用跟踪式PTC的ORC系统的输出功下降了17%。然而，冷凝器需要的冷却水流量随着冷凝温度的升高迅速下降，在冷却水不丰富的情况下，可考虑采用风冷等更经济的手段。图4-15（f）显示了导热油用于加热储热罐的比例F coil对输出功率的影响，当蒸发器出口的导热油100%用于加热储热罐时，储热罐内的热水可满足家庭70%～90%的日常需求，但是输出功率相对不加热储热罐的情形下降了60%。

图4-15　ORC系统输出功率随工作参数的变化曲线［11］

（a）ORC系统蒸发压力；（b）导热油流量；（c）ORC系统工质流量；（d）启动ORC系统的最低导热油温度；（e）ORC系统冷凝温度；（f）储热罐流量因子