太陽能有機朗肯循環(huán)中低溫?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)的數(shù)值優(yōu)化及實驗研究.pdf

1、結(jié)合太陽輻照分散性強、能流密度低、易于轉(zhuǎn)化為中低溫?zé)嵩吹奈锢硖匦?本文提出低倍聚焦集熱與有機朗肯循環(huán)(organic Rankine cycle,ORC)相結(jié)合的太陽能中低溫?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)。與大規(guī)模、高聚焦比的太陽能高溫?zé)岚l(fā)電方式相比,太陽能中低溫?zé)岚l(fā)電通過無須復(fù)雜跟蹤裝置的低倍聚焦復(fù)合拋物面集熱器(compound parabolic concentrator,CPC)獲取熱能,集熱效率高且可有效利用漫射輻照。ORC循環(huán)由于工質(zhì)低沸點的特

2、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,其中低溫?zé)峁D(zhuǎn)換性能優(yōu)于水蒸氣朗肯循環(huán)。ORC與CPC集熱器相結(jié)合將是實現(xiàn)低成本、規(guī)?；柲軣岚l(fā)電利用的有效途徑之一。系統(tǒng)初投資少,建設(shè)周期短,風(fēng)險小,加上易模塊化的特點,其技術(shù)容易成熟。同時太陽能ORC熱發(fā)電系統(tǒng)的冷凝端可實現(xiàn)熱水及暖氣輸出,100-250℃的集熱溫度可實現(xiàn)熱能驅(qū)動的制冷循環(huán),中低溫相變蓄熱技術(shù)易于實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定持續(xù)運行。這些特點有利于形成基于太陽能的冷熱電綜

3、合供能系統(tǒng)。
　　 目前ORC主要與工業(yè)余熱、地?zé)岬葻嵩聪嘟Y(jié)合,在工業(yè)余熱、地?zé)犷I(lǐng)域的應(yīng)用已具備一定基礎(chǔ)。許多學(xué)者也對ORC的重要部件膨脹機進行了研究,但是采用的膨脹機通常為螺桿膨脹機或渦旋膨脹機。這些膨脹機大多是在壓縮機的基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)改造,絕熱等熵效率不高,且缺乏小型有機工質(zhì)膨脹機內(nèi)部流動及熱功轉(zhuǎn)換等基礎(chǔ)問題的深入研究。在太陽能集熱方面,過去很長一段時期相關(guān)研究主要在高溫(300℃以上)和低溫(100℃以下)集熱領(lǐng)域,太陽能

4、中溫光熱利用(100-250℃)只在最近幾年時間才引起較為廣泛的重視,并得到了快速發(fā)展。盡管太陽能中溫集熱技術(shù)具有很強的應(yīng)用前景,但相關(guān)的應(yīng)用基礎(chǔ)問題研究相對滯后。
　　 本文圍繞100-250℃溫度范圍內(nèi)太陽能ORC熱發(fā)電應(yīng)用基礎(chǔ)問題開展研究。擬解決的問題主要包括:
　　 1)傳統(tǒng)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)正常運行時,換熱介質(zhì)從集熱器獲得熱量并通過蒸發(fā)器把熱量傳遞給有機工質(zhì)。蒸發(fā)器中存在巨大的傳熱不可逆損失,是ORC效率低于卡諾

5、循環(huán)效率的重要因為。蒸發(fā)器中可用能的損失占整個ORC可用能總損失的比例達70％以上。巨大的傳熱不可逆損失導(dǎo)致了高的換熱介質(zhì)平均工作溫度,與之相應(yīng)的是較低的太陽能集熱效率。
　　 2)膨脹機是太陽能ORC熱發(fā)電的關(guān)鍵部件之一,目前商業(yè)化膨脹機大多為MW級,且采用的做功介質(zhì)通常為水蒸氣或空氣,因此已有的膨脹機流動及熱功轉(zhuǎn)換關(guān)系式是基于水蒸氣或空氣物性的。相同溫度條件下,有機工質(zhì)不論是粘度、密度、壓力、絕熱指數(shù)還是聲速等都與水蒸氣或空

6、氣有著巨大差異,在新的物性參數(shù)作用下,傳統(tǒng)大功率膨脹機熱功轉(zhuǎn)換效率的經(jīng)驗關(guān)系式有可能不具備適用性。工質(zhì)泵的加壓也存在新的科學(xué)問題,泵機械運動的不可逆損失將導(dǎo)致有機工質(zhì)流入泵時溫度上升,有機工質(zhì)常溫下高汽化壓力容易產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象,并導(dǎo)致泵機械效率下降或斷液等問題。
　　 為此,本文建立了系統(tǒng)的輻照集熱-相變蓄熱-熱力循環(huán)三者之間的參量耦合及能量匹配數(shù)學(xué)模型,對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運行方式、有機工質(zhì)、光熱光電性能等方面進行了數(shù)值優(yōu)化,并利用初步

7、搭建的實驗平臺對kW級小型有機工質(zhì)膨脹機、工質(zhì)泵及ORC循環(huán)進行了測試和性能驗證。論文的主要創(chuàng)新點為:
　　 1)設(shè)計了兩級集熱結(jié)構(gòu),集熱器傳熱介質(zhì)與有機工質(zhì)通過雙循環(huán)進行換熱,有效降低了蒸發(fā)器內(nèi)可用能的損失。
　　 2)在兩級集熱的基礎(chǔ)上,提出了平板集熱器與CPC集熱器聯(lián)合工作的思想,提出了平板集熱器比例的優(yōu)化方法,設(shè)計了系統(tǒng)優(yōu)化運行方案。
　　 3)設(shè)計了內(nèi)蓄熱結(jié)構(gòu),在維持太陽能ORC熱發(fā)電穩(wěn)定性的同時減少了