基于復疊朗肯循環(huán)的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化和關鍵單元的實驗研究.pdf

1、有機工質由于低沸點的特性，在中低溫條件下可以獲得較高的蒸汽壓力，推動膨脹機做功。相比于水蒸氣朗肯循環(huán)，有機朗肯循環(huán)(organic Rankine cycle，ORC)可以在低環(huán)溫下很好地運行;由于凝固點低，冬季可以防凍;低功率下渦輪設計更加簡單;用干工質能避免水蒸氣循環(huán)中由高過熱度引起的平均吸熱溫度和循環(huán)效率降低的問題。而太陽輻照具有分散性強、能流密度低、易于轉化為中低溫熱源的本質，將其與ORC結合起來有很好的應用前景，但同時太陽能O

2、RC面臨著發(fā)電效率較低，不可逆損失大等挑戰(zhàn)。
　　單級ORC系統(tǒng)由于結構相對簡單目前被廣泛地應用，但是單級系統(tǒng)只適用于冷熱源溫差較小的情形。在大冷熱源溫差下采用單級系統(tǒng)會導致透平多級膨脹，結構設計十分復雜，而容積式膨脹機一般內(nèi)置比體積比較小，也不適用于大冷熱源溫差的單級ORC系統(tǒng)中。采用復疊朗肯循環(huán)系統(tǒng)可以解決以上的弊端，用在大冷熱源溫差下可以提高熱功轉換效率且使透平的設計更加簡單，因此有廣闊的應用前景，但目前復疊朗肯循環(huán)系統(tǒng)的研

3、究還很少。
　　本文圍繞復疊朗肯循環(huán)系統(tǒng)在不同情形下的應用進行了研究，具體內(nèi)容和創(chuàng)新點如下:
　　1)提出將復疊朗肯循環(huán)用于太陽能與液化天然氣(liquefied natural gas，LNG)相結合的發(fā)電系統(tǒng)，集熱器收集到的熱能驅動頂部循環(huán)Ⅰ中工質的蒸發(fā)，循環(huán)Ⅰ釋放的熱量驅動底部循環(huán)Ⅱ中工質的蒸發(fā)，LNG是循環(huán)Ⅱ的冷源。提出了等效效率對系統(tǒng)進行優(yōu)化，它表示由于增加太陽能集熱器而產(chǎn)生的額外發(fā)電量和接收到的太陽輻照之比。闡明

4、了等效效率與已有的熱效率、冷能效率和(炯)效率相比的優(yōu)勢。研究了工質對系統(tǒng)性能的影響，集熱裝置為平板和真空管集熱器。分析表明只有等效效率才能體現(xiàn)太陽能與LNG結合的效能。當采用異戊烷/R125和真空管集熱器時最大等效效率為5.99％。相比于單級LNG-ORC系統(tǒng)，復疊系統(tǒng)中膨脹機的壓比小很多，因此渦輪的設計和制造更加簡單。
　　2)提出將復疊朗肯循環(huán)用于拋物面槽式集熱器(parabolic trough collector,PTC

5、)的熱發(fā)電系統(tǒng)，頂部和底部分別為蒸汽朗肯循環(huán)和ORC。頂部循環(huán)采用對氣液混合物具有良好適應性的螺桿膨脹機(screw expander, SE)。蒸汽直接在PTC中蒸發(fā)并在SE中膨脹，蒸汽冷凝釋放的熱量用來驅動ORC。該系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢:避免了過熱蒸汽、適宜的運行溫度和壓力、集熱和蓄熱的技術要求很低，非常適合于分布式熱發(fā)電。采用10種工質對系統(tǒng)性能進行了計算，熱源和冷源溫度分別為473/313 K，473/293 K，523/313 K

6、和523/293 K。結果表明對應于理論最大熱發(fā)電效率的ORC蒸發(fā)溫度與SE內(nèi)置壓比不匹配。為了使系統(tǒng)發(fā)電效率達到最大，且使底部ORC透平設計更加簡單，SE將不可避免地在變工況下運行，系統(tǒng)的熱效率為13.68-15.62％。
　　3)基于已有實驗數(shù)據(jù)提出了一個SE變工況模型，可以近似地反映實際等熵效率隨運行壓比的變化。并用該模型對基于蒸汽螺桿膨脹機的直膨式復疊朗肯循環(huán)系統(tǒng)進行優(yōu)化，結果表明當采用內(nèi)置比體積比為5的SE，在直射輻射為

7、800W/m2時最大熱發(fā)電效率為13.74-15.45％。當SE內(nèi)置比體積比為3.5時發(fā)電效率為13.12-15.11％。分析了熱源溫度和直射輻射對發(fā)電效率的影響。由于SE良好的變工況性能，低內(nèi)置比體積比對發(fā)電效率的負面影響并不明顯。
　　4)提出了一個等效熱源溫度(TEHST)的新指標，它來源于理想熱力學過程，但可以反映實際ORC效率。對17種工質的研究表明在給定的運行工況下更高的TEHST對應的ORC效率更高。它比已有的臨界溫

8、度、沸點、雅各布斯數(shù)和品質因數(shù)等指標更有普適性。進一步建立了基于誤差傳遞和補償法的ORC模型，定量地反映了ORC效率與TEHST的關系。該模型由液汽曲線上的熱力學參數(shù)組成，與過熱狀態(tài)工質的性質無關，因此更方便。與傳統(tǒng)模型計算的效率相對偏差為-0.7％到3.4％。基于相平衡數(shù)據(jù)對一種新工質HFO1336mzzZ用新模型進行了熱力學性能分析。結果表明在高蒸發(fā)溫度和低泵效率下HFO1336mzzZ比R245fa的性能更好。
　　5)搭建