，， ， ，

(1.山東建筑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101;2.山東建筑大學(xué) 熱能工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

太陽(yáng)能有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)分析

王振1，馬洪芳1，孟揚(yáng)2，馬龍1，孫朝棟1

(1.山東建筑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101;2.山東建筑大學(xué) 熱能工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

為高效利用太陽(yáng)能，提出了太陽(yáng)能平板集熱器與有機(jī)朗肯循環(huán)相結(jié)合的發(fā)電系統(tǒng)。本文從太陽(yáng)能低溫發(fā)電系統(tǒng)的基本原理、工質(zhì)選擇及系統(tǒng)組成部分入手，分析了影響系統(tǒng)循環(huán)效率的因素。發(fā)現(xiàn)具有較大潛熱與顯熱之比的干性或等熵有機(jī)工質(zhì)適合本發(fā)電系統(tǒng)，并且膨脹機(jī)和冷凝器對(duì)系統(tǒng)循環(huán)效率影響較大。采用增加內(nèi)部熱交換器的再熱循環(huán)、抽汽回?zé)嵫h(huán)可以降低冷凝器的冷凝負(fù)荷，選擇合適的再熱度、抽汽量及抽汽壓力可以提高系統(tǒng)循環(huán)效率。

太陽(yáng)能；有機(jī)朗肯循環(huán)；工質(zhì)；再熱循環(huán)；抽汽回?zé)?/p>

0 引言

將低品位的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)的電能是太陽(yáng)能利用的優(yōu)先方向。主要手段為光伏發(fā)電和光熱發(fā)電[1]。當(dāng)前光伏發(fā)電主要依靠高純度的硅晶片，光電轉(zhuǎn)化效率較低，發(fā)電成本高，影響了其大規(guī)模的普及。與光伏發(fā)電相比，光熱發(fā)電在經(jīng)濟(jì)性能、技術(shù)及環(huán)保等方面均有很大優(yōu)勢(shì)。結(jié)合太陽(yáng)能分散性強(qiáng)、品位低、適合得到中低溫?zé)崮艿奶攸c(diǎn)，有機(jī)朗肯循環(huán)(organic Rankine cycle，簡(jiǎn)稱 ORC)在中低溫領(lǐng)域熱力循環(huán)性能表現(xiàn)優(yōu)越，將ORC與太陽(yáng)能集熱器相結(jié)合，提出太陽(yáng)能低溫有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)[2]。

太陽(yáng)能低溫ORC發(fā)電系統(tǒng)采用低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)，通過換熱器間壁換熱汽化，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，推動(dòng)動(dòng)力機(jī)械做功，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。其優(yōu)點(diǎn)是發(fā)電量可以隨充入的循環(huán)工質(zhì)種類和流量等進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且單機(jī)發(fā)電量小，整體設(shè)備尺寸小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低。影響太陽(yáng)能低溫ORC系統(tǒng)的因素較多，本文主要分析系統(tǒng)組成中動(dòng)力機(jī)械的選擇、集熱器蒸發(fā)溫度和冷凝器冷凝溫度對(duì)系統(tǒng)效率的影響、工質(zhì)與熱源的換熱及匹配、添加內(nèi)部換熱裝置和抽汽回?zé)嵫b置對(duì)系統(tǒng)循環(huán)效率的影響。

1 系統(tǒng)基本原理

選取有機(jī)物作為系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)，由于其沸點(diǎn)低，可以在低溫條件下產(chǎn)生較高壓力的蒸汽，進(jìn)而推動(dòng)膨脹機(jī)做功，適用于低溫?zé)嵩窗l(fā)電系統(tǒng)[3]。

太陽(yáng)能ORC低溫發(fā)電系統(tǒng)主要包括太陽(yáng)能平板集熱器、膨脹機(jī)、冷凝器、儲(chǔ)液罐、工質(zhì)泵等部分。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能低溫ORC原理圖

太陽(yáng)能低溫ORC系統(tǒng)基本原理：有機(jī)工質(zhì)液體經(jīng)平板集熱器與太陽(yáng)能進(jìn)行換熱，產(chǎn)生飽和蒸汽或過熱蒸汽流出集熱器，然后進(jìn)入膨脹機(jī)做功，將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，膨脹出口的乏汽進(jìn)入冷凝器冷凝后變成飽和液體進(jìn)入儲(chǔ)液罐，經(jīng)工質(zhì)泵加壓進(jìn)入平板集熱器，完成一次循環(huán)。循環(huán)流程圖如圖2所示。

圖2 干工質(zhì)循環(huán)流程圖

1-2過程：飽和蒸汽驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī)進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，氣態(tài)工質(zhì)在此膨脹工程中因焓降較大、散熱量小，可簡(jiǎn)化為絕熱膨脹過程。1-2′為可逆的理想等熵膨脹。

2-3過程：低壓氣態(tài)工質(zhì)在冷凝器中冷凝為液體，對(duì)外放熱，可簡(jiǎn)化為定壓冷卻過程。

3-4過程：有機(jī)工質(zhì)經(jīng)過泵增壓，進(jìn)入平板集熱器。此時(shí)工質(zhì)溫度與環(huán)境溫度相近，泵向周圍的散熱可忽略不計(jì)，可簡(jiǎn)化為絕熱壓縮過程。3-4′為理想可逆的等熵壓縮。

4-1過程：工質(zhì)在集熱器中加熱，由于阻力的存在會(huì)有壓力損失，為方便計(jì)算，將該過程理想為定壓吸熱過程。

對(duì)太陽(yáng)能低溫ORC系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)通?；谙到y(tǒng)循環(huán)的熱效率、()效率、不可逆損失等[3]。

(1)膨脹機(jī)膨脹過程中，工質(zhì)對(duì)外做功

WT=mwf(h1-h2)ηstηmt

(1)

式中mwf——工質(zhì)的質(zhì)量流量；

ηst——膨脹機(jī)的等熵效率；

ηmt——膨脹機(jī)的機(jī)械效率。

膨脹機(jī)不可逆損失為

IT=T0mwf(s1-s2)

(2)

式中T0——環(huán)境溫度。

(2)冷凝器冷凝過程中，工質(zhì)放熱

Qc=mwf(h2-h3)

(3)

冷凝過程中不可逆損失為

(4)

式中TL——冷凝器的冷源溫度。

(3)蒸發(fā)過程中系統(tǒng)吸收的熱量

Qe=mwf(h1-h4)

(5)

吸熱過程的不可逆損失為

(6)

式中TH——蒸發(fā)器熱源的溫度。

(4)泵加壓過程中，工質(zhì)吸收的外功

(7)

泵的不可逆損失為

Ip=T0mwf(s4-s3)

(8)

朗肯循環(huán)熱效率

(9)

(10)

系統(tǒng)的總不可逆損失

(11)

2 工質(zhì)的選擇

ORC循環(huán)工質(zhì)一般如下分類:

(1)直鏈?zhǔn)綗N類和芳香族烴類，如丁烷、戊烷等，優(yōu)點(diǎn)是具有很好的熱力學(xué)性能，缺點(diǎn)是易燃；

(2)全氟化烴，如六氟苯環(huán)等，具有很好的安全性與穩(wěn)定性，但是熱力學(xué)性質(zhì)不佳；

(3)氟代直鏈烴類，屬環(huán)境友好型、較高研究潛力型工質(zhì)；

(4)硅氧烷類，如六甲基二硅氧烷及硅氧烷類混合物等，具有低毒性，低可燃性的特點(diǎn)，適用于高溫?zé)嵩础?/p>

Quoilin[4]等人以太陽(yáng)能為熱源，在熱源溫度為100～200℃范圍內(nèi)，分析比較了4種常用有機(jī)工質(zhì)，認(rèn)為Solkatherm和R245fa較佳。Bahaa Saleh[5]等人對(duì)31種純工質(zhì)進(jìn)行了理論計(jì)算，提出R236ea、R245ca、R245fa、R600、R600a、R601a、RE134、RE245均適合作為太陽(yáng)能有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電的工質(zhì)。徐建等[6]對(duì)61種工質(zhì)進(jìn)行了研究，確定出丙烷、R600等8種適合低溫有機(jī)朗肯循環(huán)的工質(zhì)。

有機(jī)工質(zhì)沸點(diǎn)低，可在較低蒸發(fā)溫度下汽化，適合回收低溫?zé)崮?。與水相比，有機(jī)工質(zhì)汽化潛熱要小得多，具有兩方面優(yōu)勢(shì)：首先，有機(jī)工質(zhì)吸收同樣的熱量，產(chǎn)生的蒸汽量大，參與膨脹做功的質(zhì)量流量大，發(fā)電效率較高；其次，有機(jī)工質(zhì)與低溫?zé)嵩磽Q熱過程中，換熱溫差和不可逆損失較小。如圖3所示。

圖3 熱源與工質(zhì)傳熱關(guān)系

熱源溫度在傳熱過程中如圖a→b，溫度不斷降低。集熱器及傳熱方式確定后，傳熱溫差ΔT隨之固定。節(jié)點(diǎn)溫差限制了工質(zhì)的最大蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力。c→f為工質(zhì)溫升曲線。水蒸氣汽化潛熱(de、d′e′段)較大，在熱源溫降為a→b時(shí)，只能獲得較低的蒸發(fā)溫度和壓力。若要大幅度提高蒸發(fā)溫度和壓力，即圖中c→d′→e′→f曲線，則熱源溫降曲線變?yōu)閍→b′，很明顯熱回收量大幅減少。有機(jī)工質(zhì)大多具有沸點(diǎn)低、汽化潛熱小的特點(diǎn)，在熱源溫降曲線a→b范圍內(nèi)，可沿c→g→h→f曲線獲得較高的蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力，提高能量回收熱效率。

在ORC循環(huán)工質(zhì)的選擇上，要滿足較低的臭氧耗損潛值(ODP)和全球變暖潛值(GWP)。除此之外，還應(yīng)考慮兩點(diǎn)[7]：

(1)潛熱高或者潛熱/顯熱之比大。對(duì)R134a、R245fa、R123和R141b四種工質(zhì)在同樣蒸發(fā)溫度下，進(jìn)行了計(jì)算，如表1所示。

表1 四種工質(zhì)的循環(huán)性能指標(biāo)

由上表可知，在同樣的蒸發(fā)溫度下，有機(jī)工質(zhì)汽化潛熱較高，則潛熱與顯熱比值也較大，系統(tǒng)輸出1 kW的功所需要的工質(zhì)質(zhì)量流量要??；當(dāng)工質(zhì)質(zhì)量流量為1 kg/s時(shí)，系統(tǒng)凈輸出功大，()效率也較高。

對(duì)于同種工質(zhì)，隨著蒸發(fā)溫度的升高，潛熱不斷降低。從飽和汽化線分析，蒸發(fā)溫度升高，則工質(zhì)飽和汽化線間的水平距離變短(即潛熱變小)。“潛熱—蒸發(fā)溫度”關(guān)系如圖4所示。

圖4 潛熱隨蒸發(fā)溫度變化曲線

(2)在T-S圖中，飽和蒸汽線斜率dT/dS>0為干工質(zhì)，dT/dS→±∞為等熵工質(zhì)，dT/dS<0為濕工質(zhì)。對(duì)于濕性工質(zhì)，循環(huán)效率隨膨脹機(jī)入口處過熱度的增加而增加；對(duì)于干性工質(zhì)，循環(huán)效率隨過熱度的增加無明顯變化。

飽和蒸汽線斜率可按式(12)計(jì)算[8]

(12)

cp——溫度為Te時(shí)的定壓比熱容；

Te——集熱器蒸發(fā)溫度；

Tcr——工質(zhì)的臨界溫度；

ΔHe——溫度Te時(shí)的蒸發(fā)焓；

n——相關(guān)指數(shù)，建議取0.375或0.38[9]。

如圖5所示。

圖5 不同性質(zhì)的有機(jī)工質(zhì)

太陽(yáng)能低溫ORC系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)的選擇一般應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮：

(1)環(huán)保性能，即具有較低的ODP和GWP；

(2)良好的熱力學(xué)性能。在相同的集熱條件下，可提供更多的動(dòng)力；

(3)合適的壓力水平。蒸發(fā)時(shí)壓力不宜過高，否則會(huì)引起承壓及密封性能等問題；冷凝時(shí)壓力不宜過低，以防由于壓力低導(dǎo)致外界空氣滲入而影響循環(huán)性能；

(4)工質(zhì)的臨界參數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)及凝固溫度。冷凝溫度受到環(huán)境溫度的限制，能調(diào)節(jié)的范圍有限(一般在20～30℃之間)，因此工質(zhì)臨界溫度不能太低；為確保工質(zhì)在循環(huán)過程中不凝固，工質(zhì)的凝固溫度應(yīng)小于系統(tǒng)循環(huán)中的最低溫度。

(5)工質(zhì)的安全與穩(wěn)定性。包括無毒、不易燃、不易爆，運(yùn)行安全可靠；熱穩(wěn)定性能好，不易分解，不腐蝕設(shè)備；

(6)工質(zhì)的經(jīng)濟(jì)性能。循環(huán)工質(zhì)應(yīng)盡量廉價(jià)、易購(gòu)買，便于輸送和儲(chǔ)存。

3 系統(tǒng)的各組成部分

3.1 太陽(yáng)能平板集熱器

平板集熱器的效率是影響系統(tǒng)效率的重要因素，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化可以提高系統(tǒng)循環(huán)性能。大部分低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)傳熱性能比水差，故應(yīng)增大金屬換熱面積。從結(jié)構(gòu)上，合理布局增加金屬換熱面積；從工質(zhì)上，盡量使工質(zhì)在加熱過程中與熱源溫度變化相配合，減小換熱溫差。

平板集熱器可接收不同方向的入射光，極大程度地利用了太陽(yáng)直射和漫射光線?，F(xiàn)階段平板集熱器的制造成本較低，且易于模塊化，小型化，可與建筑相結(jié)合，平板集熱器如圖6所示。

圖6 典型平板集熱器

太陽(yáng)能平板集熱器特點(diǎn):與聚光型集熱器相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；通常固定安裝，不需復(fù)雜跟蹤裝置；太陽(yáng)輻射能的吸熱面積與透光面積基本相等；可同時(shí)利用太陽(yáng)光的直射和散射；成本較低；工作溫度較低，在100℃左右。

太陽(yáng)能平板集熱器工作原理:太陽(yáng)光穿過透明蓋板到達(dá)吸熱板，經(jīng)選擇性吸收涂層吸收，產(chǎn)生光熱效應(yīng)，然后將熱能傳給集熱排管和集管中的工質(zhì)。

3.2 膨脹機(jī)

膨脹機(jī)將高壓氣體膨脹，對(duì)外輸出機(jī)械功。目前膨脹機(jī)主要有兩類：速度型和容積型。速度型膨脹機(jī)將蒸汽的能量轉(zhuǎn)化為高速動(dòng)能，再由動(dòng)能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸功。其特點(diǎn)是功率越小，轉(zhuǎn)速越高，高轉(zhuǎn)速對(duì)軸承與軸封的要求也較高，成本增加，甚至難以實(shí)現(xiàn)，不適用于功率較低的ORC系統(tǒng)。容積式膨脹機(jī)通過氣體體積的改變來獲得相應(yīng)的膨脹比和焓降。其特點(diǎn)是功率小，則轉(zhuǎn)速也低，適用于小型或微型ORC系統(tǒng)。常見的容積式膨脹機(jī)有活塞式、螺桿式、旋葉式及渦旋式。

以往采用的透平機(jī)(速度型膨脹機(jī))除不適用于低功率ORC系統(tǒng)外，還存在諸多缺點(diǎn)。有機(jī)工質(zhì)在進(jìn)入和離開透平機(jī)的相態(tài)必須保證為純汽態(tài)，否則液滴將損壞高速旋轉(zhuǎn)的葉片。故透平機(jī)多與干性工質(zhì)匹配，必要時(shí)還需保證一定的過熱度，過熱度的存在既不能提高系統(tǒng)熱效率，還會(huì)降低集熱器的集熱效率。螺桿膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)部件少，與透平機(jī)有著不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通入螺桿機(jī)的工質(zhì)可以為純氣相或氣液兩相。液體的存在對(duì)螺桿機(jī)的運(yùn)行影響很小，甚至在一定程度上起到密封和潤(rùn)滑作用，減少膨脹機(jī)的泄漏和磨損。

膨脹比是膨脹機(jī)做功能力的重要指標(biāo)，通常是指膨脹機(jī)出口處與入口處的氣體體積之比。膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，機(jī)械膨脹比隨之確定。系統(tǒng)運(yùn)行中機(jī)械膨脹比應(yīng)盡量與工質(zhì)蒸汽膨脹比相匹配。若機(jī)械膨脹比大，工質(zhì)膨脹后氣體壓力低于背壓，造成冷凝工質(zhì)的回流，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；若蒸汽膨脹比大，工質(zhì)未膨脹至背壓便已結(jié)束，膨脹不充分，可利用熱能直接被冷凝，造成熱效率的降低。

3.3 冷凝器

有機(jī)工質(zhì)在膨脹機(jī)膨脹做功后，成為低溫低壓的乏汽，若再次進(jìn)入集熱器完成循環(huán)必須經(jīng)過冷凝器充分冷凝，變?yōu)榈蜏仫柡鸵后w或者過冷液體。冷凝溫度限制了膨脹機(jī)背壓，影響到工質(zhì)最大膨脹比，進(jìn)而決定了系統(tǒng)的做功能力。因此冷凝器要充分考慮集熱器換熱量和膨脹機(jī)的做功能力，根據(jù)其差值選擇或設(shè)計(jì)。

當(dāng)膨脹機(jī)乏汽處于過熱蒸汽狀態(tài)時(shí)，冷凝器入口先進(jìn)行過熱蒸汽被冷卻為飽和蒸汽的單相氣體強(qiáng)制對(duì)流換熱。理論上工質(zhì)與冷源的最小傳熱溫差越小，冷凝溫度越低，發(fā)電量也就越高，但冷凝器的換熱面積也就越大，通常最小傳熱溫差的取值為3～7℃。

工質(zhì)在冷凝器中由飽和蒸汽冷凝至飽和液體，這占據(jù)了冷凝器換熱的絕大部分，也可以從T-S圖上得到驗(yàn)證。為了保證工質(zhì)泵穩(wěn)定工作，一般要求其入口液體為過冷液體，過冷度控制在-272.65～-272.55℃[10]。過冷段只占冷凝過程中很少的部分。

冷凝器通過低溫介質(zhì)使膨脹機(jī)出口的乏汽充分冷凝，為儲(chǔ)液罐提供充足的液體。為充分冷凝，冷凝器的面積應(yīng)適當(dāng)增大。低溫介質(zhì)溫度也不宜過低，否則會(huì)對(duì)集熱器造成負(fù)荷。由于環(huán)境限制，冷凝溫度可調(diào)節(jié)范圍較小，要充分考慮集熱器換熱量和膨脹機(jī)的做功能力，根據(jù)其差值選擇或設(shè)計(jì)。

3.4 工質(zhì)泵

工質(zhì)泵對(duì)冷凝液體加壓來維持工質(zhì)的循環(huán)，低工況下工質(zhì)泵的功耗將不可避免的降低系統(tǒng)的熱功轉(zhuǎn)化效率。

工質(zhì)泵的揚(yáng)程要滿足蒸發(fā)壓力與冷凝壓力之間的壓差，功率不易過大，滿足正常工作即可，避免系統(tǒng)自身耗電量的進(jìn)一步增加。

4 系統(tǒng)改進(jìn)及優(yōu)化

膨脹機(jī)出口乏汽溫度較高時(shí)，既增加冷凝器的冷卻負(fù)荷，也造成熱能利用的浪費(fèi)，對(duì)系統(tǒng)改進(jìn)及優(yōu)化成為解決問題的有效途徑。主要采用添加內(nèi)部換熱器的再熱式和抽汽回?zé)岬姆绞健?/p>

4.1 采用再熱型循環(huán)

在太陽(yáng)能ORC系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加內(nèi)部熱交換器(Internal Heat Exchanger，簡(jiǎn)稱 IHX)，即采用再熱型循環(huán)，雖然成本有略微增加，但系統(tǒng)的熱效率有相對(duì)的提高。膨脹機(jī)乏汽不是同基本ORC系統(tǒng)那樣直接冷凝，而是先對(duì)工質(zhì)泵流出的低溫飽和液或過冷液進(jìn)行預(yù)加熱，然后才送入冷凝器冷凝。Costante[11]指出，熱交換器對(duì)于采用分子量較大工質(zhì)的ORC系統(tǒng)而言，是提高循環(huán)效率的關(guān)鍵設(shè)備；Pedro J. Mago[12]認(rèn)為再熱式ORC系統(tǒng)提高了熱效率，降低了系統(tǒng)的不可逆損失和蒸發(fā)吸熱量。再熱型太陽(yáng)能ORC系統(tǒng)原理如圖7，T-S如圖8所示。

圖7 再熱型原理圖

圖8 再熱型T-S圖

增加換熱器后，冷凝器負(fù)荷降低，冷卻水流量可以明顯降低，系統(tǒng)成本也得以降低。但集熱器的工質(zhì)進(jìn)口溫度提高，不可避免造成集熱器效率的降低，可通過適當(dāng)增加工質(zhì)流量來提高集熱效率。

4.2 采用抽汽回?zé)嵝脱h(huán)

抽汽回?zé)崾酵ǔ７譃橐患?jí)抽汽和分級(jí)抽汽，在一種或者兩種蒸汽壓力下抽出部分已做過功的蒸汽，加熱冷凝后的液態(tài)工質(zhì)，熱效率和()效率均得到提高。分級(jí)抽汽和一級(jí)抽汽原理相同，循環(huán)效率計(jì)算公式相似，下面僅就一級(jí)抽汽回?zé)徇M(jìn)行分析。如圖9、圖10所示。

圖9 抽汽回?zé)嵝驮韴D

圖10 抽汽回?zé)嵝蚑-S圖

假設(shè)狀態(tài)1處單位質(zhì)量的有機(jī)工質(zhì)蒸汽進(jìn)入膨脹機(jī)做功，在溫度、壓力達(dá)到狀態(tài)2時(shí)抽出質(zhì)量為σ的蒸汽直接進(jìn)入回?zé)崞?，剩?1-σ)質(zhì)量的蒸汽在狀態(tài)2下繼續(xù)膨脹做功到達(dá)狀態(tài)3，經(jīng)冷凝器冷凝為飽和液體或過冷液體，再經(jīng)工質(zhì)泵1加壓進(jìn)入回?zé)崞髦?，與質(zhì)量為σ的過熱蒸汽融合匯成狀態(tài)6的液體，再經(jīng)工質(zhì)泵2加壓進(jìn)入集熱器，完成循環(huán)。

Mago[13]利用拓?fù)鋵W(xué)的方法分析了采用R113工質(zhì)的普通ORC和回?zé)嵫h(huán)的()效率，也同樣得出再熱循環(huán)系統(tǒng)具有更高的熱效率和或效率，并進(jìn)一步指出回?zé)嵫h(huán)提高了工質(zhì)進(jìn)入蒸發(fā)器時(shí)的溫度，使蒸發(fā)器的()損失減少了37%；Mortaza Yari[14]分析了4種ORC系統(tǒng)，分別是基本式、帶IHE的再熱式、回?zé)崾?、帶IHE的回?zé)崾絆RC系統(tǒng)。循環(huán)效率均得到不同程度的提高。

抽汽壓力及抽汽量均是抽汽回?zé)嵝脱h(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)。由回?zé)崞鞑糠帜芰渴睾憧芍?/p>

(13)

可得

(14)

膨脹機(jī)輸出功

(15)

膨脹機(jī)不可逆損失為

(16)

合理的抽汽壓力及抽汽量會(huì)增加系統(tǒng)的循環(huán)效率。但若抽汽壓力過大，在有機(jī)工質(zhì)具有較大膨脹做功潛力時(shí)將其抽出，造成對(duì)外輸出功的降低。并且由于集熱器入口工質(zhì)溫度的升高，集熱效率和吸熱量均降低，抽汽壓力過大會(huì)造成對(duì)外輸出功比吸熱量降低的更快，循環(huán)效率反而下降。

5 結(jié)論

與太陽(yáng)能高溫?zé)岚l(fā)電相比，太陽(yáng)能低溫ORC發(fā)電系統(tǒng)無須聚焦設(shè)備及復(fù)雜的太陽(yáng)光跟蹤裝置，平板集熱器成本低且可有效利用漫射。各子系統(tǒng)尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，易與建筑相結(jié)合?？偨Y(jié)如下：

(1)對(duì)太陽(yáng)能低溫ORC系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)通?；诶士涎h(huán)熱效率、()效率、不可逆損失等。并列舉了基本太陽(yáng)能低溫ORC系統(tǒng)相關(guān)計(jì)算公式。

(2)適合太陽(yáng)能低溫ORC發(fā)電系統(tǒng)的工質(zhì)多為干性工質(zhì)或等熵工質(zhì)，重點(diǎn)指出較大的潛熱與顯熱之比的工質(zhì)具有與低溫?zé)嵩雌ヅ洹⒀h(huán)效率更高的優(yōu)勢(shì)。

(3)重點(diǎn)分析了膨脹機(jī)、冷凝器對(duì)系統(tǒng)循環(huán)效率的影響，特別是螺桿膨脹機(jī)具有較大優(yōu)勢(shì)，拓展了工質(zhì)的選擇范圍。

(4)再熱型、抽汽回?zé)嵝拖到y(tǒng)是在基本ORC系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)與優(yōu)化，合適的再熱度、抽汽壓力及抽汽量能不同程度的提高系統(tǒng)的循環(huán)效率，減少系統(tǒng)不可逆損失。

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AnalysisforSolarPowerGenerationSystemofOrganicRankineCycle

WANG Zhen1, MA Hong-fang1,MENG Yang2, MA Long1, SUN Chao-dong1

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China；2.School of Thermal Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China)

A power generation system of solar flat plate collector combined with organic Rankine cycle is proposed in order to use the solar energy efficiently. The factors that influence the circulation system efficiency are analyzed by the basic principles of solar power system at low temperature，working fluid selection and system components. Both the dry and isentropic organic working fluid with bigger ratio of latent heat to sensible heat is suitable for the power system，and expander and condenser have a greater influence on the cycle efficiency of the system. Cooling load of the condenser can be reduced by adding internal heat exchanger of the reheating cycle and regenerative extraction cycle. In addition, the cycle efficiency of the system could be improved by electing the appropriate reheat degree, extraction volume and extraction pressure.

solar energy; organic Rankine cycle; working fluid; reheating cycle; regenerative extraction

2013-11-09修訂稿日期2014-03-21

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.51275279)；山東省科技發(fā)展計(jì)劃(No.2010G0020318)；山東省自然科學(xué)基金(No.ZR2010EM062)；山東省教育廳科技計(jì)劃(No.J12LA12)

王振(1987～)，男，碩士研究生，主要從事太陽(yáng)能光熱發(fā)電的研究。

TM615

A

1002-6339 (2014) 05-0397-07