我國太陽能有機朗肯循環研究現狀

朱正良，張 華

（上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093）

隨著石油、煤炭、天然氣等化石能源迅速消耗，太陽能作為一種可再生的清潔能源，其開發利用已經受到世界各國的普遍關注。我國是一個能源消耗大國，其中工業能源消費量占總消費量的70%以上［1］。為了轉變能源發展方式，加速能源結構調整，加強大氣和環境保護，我國在節能減排的同時，高度重視非化石能源發展，制定了到2020年非化石能源占一次能源消費比重達到15%、2030年達到20%的戰略目標［2］。由此可以看出，太陽能發電具有廣闊的前景和巨大的市場空間。太陽能具有照射分散性強、能流密度低、易于轉化成中低溫熱源的物理特性，而有機朗肯循環則是一種低溫發電技術，兩者相結合可以形成基于太陽能的有機朗肯循環發電系統。與大規模、高聚焦比的太陽能高溫熱發電方式相比，太陽能有機朗肯循環發電不需要通過復雜的聚光系統來保證集熱管有足夠的熱量，因此有機朗肯循環發電系統初期投資較少，風險低，建設周期短，適合大規模普及應用。

1 太陽能熱動力發電

20世紀80年代中期以來，人們對已建成的太陽能熱動力發電站進行了大量實驗研究和分析，認為太陽能熱動力發電從技術上是可行的，只是電站投資過大。但發展到現在，隨著技術的提高，發電成本已經降到5～6美分·（kW·h）-1，可以和常規熱電站競爭［3］。我國具有豐富的太陽能資源，超過2/3的土地面積每年接收的太陽輻射超過5.02 × 106kJ·m-2。按照國際通用標準，太陽直射值（DNI）只要大于每年1 800 kW·h·m-2，太陽能熱發電就會具有較好的經濟效益［4］。目前太陽能發電主要分為兩種，太陽能光伏發電和太陽能熱發電。本文主要研究的是聚焦型太陽能熱發電（CSP）。CSP具有成本低、效率高，相對光伏發電對環境更加友好等特點，尤其是帶有儲熱系統的熱發電站，可以全天穩定發電。所以從長遠角度看，太陽能光熱發電比光伏發電更理想。我國自“七五”計劃起開始了對太陽能熱的利用研究，經過30年的努力，我國在太陽能聚光方法及設備、高溫傳熱儲熱、電站設計、集成以及控制方面，已經取得了實質性成果［5］。目前我國太陽能光熱技術已形成了較完整的體系，掌握了一批光熱發電的核心技術，如高精度高反射率反射鏡、高精度雙軸跟蹤控制系統、高熱流密度下的傳熱、太陽能熱電轉換系統等。我國太陽能光熱技術無論是在市場規模、技術成熟度，還是核心技術方面都處于世界領先水平。例如，我國自主研發的太陽能真空集熱管在150℃工作溫度時，集熱效率可達45%，達到世界領先水平。太陽能集熱設備分為槽式、塔式、盤式、條式等不同種類，其中槽式熱發電站最早商業化，應用最為廣泛。雖然槽式太陽能集熱系統接收器長，散熱面積大，熱損耗相對較大，但所需零件種類不多，易于大批量生產，所以大部分太陽能集熱設備均采用槽式集熱器。太陽光經反射槽反射并聚焦在集熱管上，可使集熱管達到近300 ℃或更高溫度，集熱管內的工質被加熱后進行下一步熱交換，最后通過發電機做功發電。太陽能集熱器的作用相當于一個低溫熱源，工質被加熱后通過熱交換器將熱量傳遞給有機工質，然后結合有機朗肯循環系統進行低溫發電。同時為太陽能集熱系統配備儲熱裝置，白天日照強烈，可將多余熱量儲存在儲熱罐中；夜晚太陽光照少，儲油罐放出熱量。這樣既保證系統可全天候持續發電，又使系統更加穩定、安全。

2 我國有機朗肯循環研究現狀

有機朗肯循環可用于回收余熱、廢熱，是太陽能等新能源利用的理想方式。1924年國外就開始研究采用低沸點有機工質的有機朗肯循環，但真正發展是在近一、二十年。目前國外該技術已趨于成熟并市場化。然而我國針對太陽能發電的研究在近二十年都集中在高溫領域，近年來才開始重視低溫太陽能有機朗肯循環發電。同時國內專業生產制造有機朗肯循環發電機組的公司也是寥寥無幾。而且我國在能源回收利用以及清潔能源的開發上沒有足夠的意識，是一個能源高消耗低產出的國家。近年來我國對有機朗肯循環發電系統的研究越來越多，但是技術水平相較國外還是有很大差距。國內的研究大多是理論研究或計算機模擬，主要包括工質優選、循環優化、循環對比、實驗研究、部件分析等，基于實際應用或實驗的較少，這也就造成了有些實際應用上的問題一直未被發現或解決。因此，我國有機朗肯循環發電技術未能實現實質性的突破。

2.1 太陽能有機朗肯循環發電基本原理

太陽能有機朗肯循環發電系統主要包括集熱器、儲熱罐、油水熱交換器、發電機組以及冷卻塔等。集熱器吸收太陽能加熱導熱油，然后通過熱交換將熱量傳遞給高溫水，最后傳遞給有機工質，有機工質膨脹做功，帶動發電機組發電。太陽能有機朗肯循環系統如圖1所示，圖中：T為溫度測點；M為流量測點。該系統共有四種工質，分別為水、有機工質、導熱油以及冷卻水，分別對應各自的循環。

圖1 太陽能有機朗肯循環系統Fig.1 Solar organic Rankine cycle system

高溫導熱油循環：太陽能集熱槽反射太陽光聚焦在集熱管上，集熱管將熱量傳遞給導熱油。導熱油溫度升高變成高溫導熱油進入儲油罐中，經過輔助電加熱調節溫度，然后流經熱交換器，與水發生熱交換后通過油泵再回到太陽能集熱管中，開始下一輪循環。其中可以通過調節儲油罐中輔助電加熱裝置的功率來調節導熱油的溫度。儲油罐作為一個儲熱裝置起到穩定系統溫度、保護系統平穩安全運行的作用。高溫水循環：水作為一種中間介質在兩個換熱器之間流動。水流經第一個油水換熱器與油發生熱交換吸收熱量，然后在第二個發電機組的熱交換器中將熱量傳遞給制冷劑，然后再回到油水熱交換器中。有機工質循環：制冷劑在發電機組的熱交換器中吸收熱量后變為高壓蒸汽，通入膨脹機中做功，帶動發電機發電。從膨脹機出口排出的乏汽在冷凝器中凝結后并經制冷劑泵再進入熱交換器中，完成循環。

2.2 有機朗肯循環工質的研究

有機朗肯循環工質的物性是該發電技術的關鍵，也是影響有機朗肯循環性能的重要因素之一，且對發電機組的設計有影響。有機朗肯循環工質必須同時滿足運行安全、環境危害性小、傳熱性能好等要求。按飽和汽化線形狀將工質分為干工質和濕工質。濕工質的膨脹過程在飽和汽化線以下，處于兩相區。由于工作環境復雜，氣液兩相流膨脹機還是一個世界性難題，所以大多不考慮使用濕工質。目前，針對有機朗肯循環工質的研究很多，例如：顧偉［6］針對溫度低于100℃的驅動熱源，計算了分別采用R21、R123和R245fa時有機朗肯循環系統的性能，結果表明，綜合考慮環保、循環性能等因素，R245fa是較理想的循環工質；喬衛來等［7］研究了供熱溫度為100℃、冷卻溫度為30℃的有機朗肯循環工質的優化選擇，以滿足較高的循環效率、較大的機械能輸出為目的。通過RKS（Redlich-Kwong-Soave）狀態方程，分析了19 種有機工質的動力循環參數，發現工質R11 的熱力學性能系數最高。結合GWP（全球變暖潛勢） 和ODP（消耗臭氧潛能值）環境指標，發現R142b、Rc318 和R600 適合于低溫朗肯循環。葉依林［8］在不同的蒸發溫度條件下對有機朗肯循環熱力循環特性進行了計算分析，從蒸發壓力、熱效率、功比、膨脹比和汽耗率等方面進行了比較，結果表明，R601是適合該循環系統的最佳工質。劉杰［9］選擇R134a、R245fa、 R407c、 RC318、 R123、 R22、 水 和R11等八種工質進行理論研究，建立了熱力學模型，并對有機朗肯循環特性進行了分析，結果表明，在100℃左右的低溫熱源下，R245fa是最合適的工質。有機朗肯循環工質的選擇需考慮很多因素，比如化學穩定性、環境友好、安全，還有使用工況以及設計的系統溫度。從目前的研究來看，太陽能有機朗肯循環發電中選用R245fa工質的較多。可以看出，我國對有機朗肯循環工質的選擇和性能優化的研究很多，幾乎涵蓋了各種應用領域和溫度范圍。但是大多數結果是通過模擬得到，在應用平衡方程或狀態方程時部分工況會被理想化，與實際情況還有些差距，但是這些結果對實際應用具有參考作用。

2.3 循環性能分析方法

有機朗肯循環發電技術在低溫發電方面有顯著的優點和廣闊的前景，所以研究提高發電效率是該技術的關鍵。從目前國內的研究來看，一般均采用熱效率、?效率或輸出功率等單一指標評價和優化有機朗肯循環系統的性能。從能量轉換系統的幾種分析方法來看，熱效率分析法只是基于熱力學第一定律的簡單分析方法［10］，不能揭示系統內損失發生機制。以熱力學第二定律為基礎的?分析方法可以揭示循環中各過程發生?損的規律，為熱力系統改善和優化提供指導。就熱力學第二定律而言，系統?效率隨著蒸發溫度升高先升高后減小，存在一個最大?效率，系統總不可逆損失隨著蒸發溫度升高先減小后升高，存在一個最小系統不可逆值。20世紀80年代后?經濟分析法在國外就逐漸發展成為一種成熟、完善的方法［12］。目前國內科研人員在研究有機朗肯循環效率時大多采用?分析方法來建立發電系統的?分析模型。而在工程實際應用中，工程技術人員大多將熱效率作為系統機組的評價依據，因為相對來說它更加直觀易懂。

2.4 目前面臨的問題和改善方法

目前我國在太陽能有機朗肯循環研究中存在的主要問題是理論研究較多，多采用Matlab軟件［12］編程模擬以及一些狀態方程、平衡方程等。如馮黎明［13］利用能量方程、連續性方程、氣體流動方程及傳熱方程，建立了活塞式膨脹機的Matlab/Simulink軟件計算模型，分析了不同設計參數和運行工質對膨脹機輸出功、效率和工質流量的影響規律。所得出的結論為膨脹機的設計奠定了理論基礎，但并未在實際應用得到驗證。我國有機朗肯循環發電的實驗性研究較少，這也和實驗臺搭建選型設計較難以及實驗設備價格不菲有關。一方面，我國對中低溫工業余熱技術的利用沒有推廣普及，相關企業沒有利用低溫余熱發電的意識，再加上工業上中低溫余熱品味低，利用難度高，所以大多被廢棄。另一方面，我國有機朗肯循環低溫發電的市場并沒有完全成形，目前還沒有專業的生產有機朗肯循環發電機組用作商業用途的公司。以上原因導致我國有機朗肯循環技術一直沒有得到突破性進展，仍維持在起步階段。科研人員應進行更多的實驗，將實驗數據與理論分析結果進行對比驗證，找出問題并對系統、部件進行優化，將理論與實踐相結合。同時應大力推廣低溫余熱發電技術，將其應用到實際生產中。目前我國工業余熱廢熱回收利用規模不大，而基于太陽能的有機朗肯循環發電更是剛剛起步。隨著國家對于清潔能源的不斷重視，政策的大力推廣，相信太陽能有機朗肯循環發電發展空間會得到拓展。近年來已有公司致力于有機朗肯循環發電機組的研究和生產。

3 結束語

本文綜述了太陽有機朗肯循環發電的基本原理，目前國內的太陽能熱發電技術、有機朗肯循環發電研究的現狀，以及工質的選擇、循環性能分析方法、目前面臨的問題和改善方法。我國針對有機朗肯循環的研究很多但大多是關于工質優選、系統優化、部件分析等，且處于理論分析研究和計算機模擬階段，并沒有很多科研單位通過實驗驗證模擬得到的結論，而理論模擬對于一些復雜工況一般忽略或取理想狀態，不能完全代表實際工況，造成理論研究偏離工程實際。而且國內中低溫余熱發電市場剛剛起步，市場規模較小。雖然國外有機朗肯循環發電技術已經成熟并廣泛應用，但對我國一直處于技術封鎖狀態。改善的方法就是科研單位應該加大科研力度，進行更多的實驗，將理論和實踐相結合。同時國家和企業應推廣這種清潔能源的研發和利用，擴大市場規模，吸引更多的研發人員進行研究。