有机工质郎肯循环用在太阳能热发电技术中的应用.docx
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有机工质郎肯循环用在太阳能热发电技术中的应用
有机工质郎肯循环技术及其应用
有机工质郎肯循环用在太阳能热发电技术中的应用
有机工质郎肯循环用在太阳能热发电技术中的应用
摘要:
作者通过文献阅读,综述了目前国内及国外学者对于基于低温有机工质郎肯循环的太阳能热发电系统的研究现状。
文章开篇首先介绍了有机工质朗肯循环的基础概念，并简单介绍了有机工质的物理特性及理论特征。
作为工程应用及实验对象，作者也叙述了如何选取合适的工质作为太阳能有机郎肯循环的循环工质
关键词：
有机工质；朗肯循环；太阳能发电
Low-temperatureSolarPoweredRankineCycleSystemBasedonOrganicWorkingFluid
Abstract：
Basedonreferringtoarticles,theauthorsummarizedbothdomesticandinternationalresearchresultsaboutlow-temperaturesolarpoweredRankinecyclesystem.Themostsuitableorganicworkingfluidforlow-temperaturesolarpoweredRankinecyclewillalsobegiven.
Keywords:
organicworkingfluid,RankineCycle,Solar-powered
1引言
能源是人类赖以生活的物质基础，也是国家安全发展及社会繁荣稳定的物质基础。
能源安全不仅仅是简单的能源问题或者是经济问题，而是一个涉及国家安全及对外战略等多层面的国家战略问题，亦是一个关乎国际能源供求和地缘政治与国际战略问题。
在全球范围内，近年来发生了许多由能源引发的问题，诸如资源纷争和区域战争、能源价格飙升和燃料市场博弈、全球气候暖化及减排战略谈判等。
这是全球人类首次对能源课题给予如此高度的重视，为此，以提高能源利用效率及优化能源结构的新型能源技术将成为科技发展的重要方向。
人类自从懂得使用火以来，便开始学习使用外部能源。
随着人类对能源资源使用经验的不断积累与学习，特别是科技不断进步，人类所使用的能源资源模式也在不断更替。
至今为止，人类利用能源的历史经历了三个重要时期：
即以薪柴及木炭等植物燃料为主的“木炭时代”；以煤炭为主的“煤炭时代”；以石油及天然气为主的“石油时代”。
目前世界能源的发展与利用正在往“可再生及可持续”的绿色能源过渡。
能源过渡时期的主要特点是，石油及天然气仍然是消费最多的能源，但消费比重呈逐渐降低的趋势，而核能及一些可再生能源的消费将逐渐上升。
化石能源的大量开发和使用，是造成大气和其他多种类型环境污染与生态破坏的主要原因之一。
如何在开发和使用能源资源的同时保护好我们赖以生存的地球环境与生态，已经成为全球性的重大课题，而大力开发和利用可再生能源是人类走出困境的唯一出路。
而在本文章里，我们将会介绍使用太阳能作为替代能源的可行方案。
2能源资源—太阳能
在目前已经正式投入使用的各式可再生能源中，太阳能具有其与众不同的地方。
太阳能作为一种干净的、持久的、可持续供应的能源，是地球上几乎所有能源的根源。
地球大气层上表面的太阳辐射照度约为1367
地球表面每年接受的太阳辐射约为
J，远大于全球的能源消耗总量。
虽然太阳能的总量巨大，但是其能量密度太低，且不能连续供应，并受到季节与天气的影响，为大规模的开发利用带来了技术上和经济上的困难。
因此，太阳能利用的关键在于提高太阳能装置的效率以及增加有效的能量储存装置。
目前，太阳能利用有许多方式，主要集中在主动和被动的环境供热与制冷、生活热水、工业加热、化工分离、海水淡化及发电等方面。
使用太阳能进行电力生产主要有两种方式，即太阳能热发电及太阳能光伏发电，而在本文中我们将主要探讨太阳能热发电。
在太阳能热发电方面，太阳辐射通过太阳能集热器转化为载热流体的热能，载热流体通过一定的循环方式，将其热能转化为动力机械的机械能，进而转化为供我们使用的电能。
太阳能热发电系统首先需要具有高效收集太阳辐射并能够将太阳辐射进行转换的集热器。
目前主要应用的太阳集热装置有平板集热器、真空集热器、槽式集热器、碟式聚光器及塔式聚光系统，具体参数可以参阅表1。
这几类集热器集热温度范围差别很大，集热温度从150
到1500
不等，因此，不同集热器适用的载热工质和热力循环也有较大的差别。
表1不同集热器工作温度范围及适用热力循环
集热器类型
聚光倍率
典型工作温度范围
适用热力循环
平板集热器
1
小于120
朗肯循环
真空集热器
1
100至200
朗肯循环
槽式聚光集热器
3至50
150至350
朗肯循环
碟式聚光集热器
200至500
250至700
斯特林循环
塔式聚光系统
500至大于3000
500至1000
布莱顿循环
太阳能热发电是目前所有发电方式中唯一无需增加环境热载荷的发电方式，在全球变暖日益严重的情况下，这一点显得尤为重要。
太阳能热发电技术作为一项环保、安全及可持续的能源供应技术，在世界范围内得到了广泛的关注与研究。
由于高温太阳能热发电系统技术较为复杂，建造、使用及管理成本较高，总体上严重缺乏竞争力。
反之，在中低温太阳能热发电系统的研究领域中却取得了不错的进展，使得系统的效率获得了较大的提高。
3有机郎肯循环
随着煤炭、天然气及石油等化石燃料的消耗量不断攀升，以及由于能源消耗带来的环境破坏等系列问题，能源和环境问题已经成为全世界共同关注的重大问题。
因此，使用有机朗肯循环将低品位热量转换为电能引起了越来越多的关注。
3.1有机郎肯循环原理
所谓有机朗肯循环，即在传统朗肯循环中采用有机工质代替水推动涡轮机做功。
图1-1为有机朗肯循环系统示意图。
图1有机郎肯循环示意图
低压液态有机工质（点1）经过泵增压后进入蒸发器吸收热量转变为高温高压蒸气（点2），之后，高温高压有机工质蒸气推动涡轮机做功，产生能量输出，涡轮机出口的低压过热蒸气（点3）进入冷凝器，向低温热源放热而被冷凝为液态（点4）,如此往复循环。
3.2有机郎肯循环的实际应用
目前，有机工质朗肯循环作为回收余热废热进而提高总体热力效率，实现太阳能、地热等新能源利用的一条有效途径，各国学术界和工业界正积极投入力量进行相关研发工作。
有机朗肯循环发电可利用的低品位能主要有以下几种形式：
（1）工业余热。
回收工业余热可减少工业能耗和温室气体的排放。
大多数工业过程或电厂排放大量的烟气，温度一般不高于400
。
（2）地热。
地热发电利用地热蒸汽或者热水作为热源，我国目前已经勘测发现的地热田均属热水型热储。
所利用的地热水大多在饱和状态附近，温度一般不超过300
。
（3）太阳能。
太阳能能量密度低，热源温度不高，需采用基于集热技术的有机朗肯循环热电系统，经过集热装置后，温度可以达到300
。
（4）生物质能。
生物质能也是有机朗肯循环的重要驱动源之一。
生物质能发电采用有机朗肯循环主要是由于在机组规模较小时，有机工质具有更高的涡轮机效率。
此外,有机朗肯循环还被用于液化天然气的冷能回收等场合。
4太阳能有机工质的郎肯循环
太阳能郎肯循环与其他使用有机工质的朗肯循环（主要指地热、工业余热利用）相似，根据循环的最高温度不同，大致可以划分为低温、中温及高温三种类型。
但是对于确切的温度划分，不同的学者之间存在争论。
表2给出了几种不同的划分范围。
表2对太阳能郎肯循环的不同温度划分/
类型
（A）
（B）
（C）
（D）
低温
小于90
小于125
小于100
小于等于150
中文
90至150
125至225
100至200
-
高温
大于150
大于225
大于200
大于150
提出学者及年份：
（A）Muffler与Cataldi1977
（B）Hochstein1990
（C）Benderitter与Cormy1990
（D）Haenel1998
在目前对太阳能郎肯循环的研究中，循环的最高温度不会超过120
，因此属于太阳能低温郎肯循环范围。
在循环大致的温度范围（从环境温度到100
左右）确定以后，太阳能低温郎肯循环系统所使用的集热器类型及其效率也可以大致确定，因此系统的总效率取决于郎肯循环的热效率及膨胀机的效率。
同时，膨胀机的效率与循环工质的膨胀比有密切联系，因此，当前针对太阳能低温郎肯循环的研究主要集中在朗肯循环适用工质的选择上。
4.1太阳能郎肯循环的相关理论
在理论研究方面，BahaaSaleh等人对31种工质进行了理论计算，并在设定工况下分析了它们应用于低温朗肯循环的效率。
其分析结果表明，对于太阳能低温郎肯循环，使用R236ea、R245ca、R245fa、R600、R600a、R60la、REl34和RE245等工质比较适宜；H．D．MadhawaHettiarachchi等人通过对氨、R123、正戊烷、PF5050的理论分析，提出了以地热为热源的低温朗肯循环适用工质的最佳辨别标准，对太阳能低温朗肯循环具有一定借鉴意义；西安交通大学赵远扬等人对低沸点有机工质朗肯循环进行了理论分析，讨论了R113，R123，R600a三种工质在蒸发温度为80℃-120℃，冷凝温度为35℃．50℃时的系统性能；天津大学曹斌滨博士从理论上对比分析了R245fa和R600用100℃以下的工业余热回收的循环性能，指出在使用螺杆膨胀机的条件下，两者的最佳膨胀比分别为4和3。
4.2太阳能郎肯循环的实验研究
实验研究方面，D.Manolakos等人建立了以R134a为工质的太阳能低温朗肯循环系统，输出的轴功用于海水淡化，循环温度范围为35℃．75.8℃，系统总效率约为4％；V.M.Nguyen等人以正戊烷为工质，建立了小型太阳能低温热发电装置，发电量1.5kw，系统热效率为4.3%。
5适用于太阳能低温朗肯循环系统的工质
太阳能低温朗肯循环系统循环理论分析的目的，在于选择对环境友好且热力性能优良的循环工质。
理论循环分析主要是根据工质的热力学性质评价其循环性能的一种稳态简化方法。
它忽略了具体设备情况以及工质在传热、流动阻力和溶油特性等方面的差异，并对所有工质设定相同的循环工况。
优良的热力学性能是循环工质的必备条件，所以理论循环分析进行工质的初步选择是合理的，但理论分析所得的结果需要在实验中得到进一步验证，综合考虑其性能。
如绪论中所述，对于太阳能低温热电循环系统，集热器效率、工质朗肯循环效率以及膨胀机效率是制约系统总效率的三个因素。
太阳能低温热电循环的温度范围大致在环境温度到100℃左右，平板集热器和普通真空管集热器即可满足系统要求。
因此，选取适用于太阳能低温热电循环温度范围的有机工质成为关键，本章将在此温度范围内对太阳能低温朗肯循环适用工质进行理论研究和分析。
5.1太阳能低温郎肯循环系统概况
太阳能低温朗肯循环系统的示意图如图2所示。
系统主要包括图中所示的太阳能集热器矩阵、膨胀机、发电机、冷凝器、储液罐、工质泵等主要部件，还包括相应的温度和压力测量设备。
图2太阳能低温郎肯循环系统示意图
系统运行原理如下：
低温低压的有机工质经工质泵加压后进入太阳能集热器。
高压的液态工质在太阳能集热器中吸收热量，并发生相变。
因此，系统中的太阳能集热器可以被看作为蒸发器。
工质在太阳能集热器入口的温度大致等于环境温度，而工质在集热器出口的温度则受到蒸发压力、工质流量、太阳辐照度、集热器效率等因素的影响。
同时，在其他因素不变的情况下，对应于不同的蒸发和冷凝压力，在膨胀机出口的工质乏气可能出现湿蒸汽、干饱和蒸汽和过热蒸汽三种状态。
为了避免在膨胀过程中出现对膨胀机存在危害的液击现象，因此应该使工质在膨胀机出口存在少量过热。
过热度可以根据不同的工质及不同的工况进行调整。
过热蒸汽被吸入膨胀机膨胀做功，此时蒸汽的热能转化为轴功来驱动发电机。
最后，膨胀机排出的低压工质蒸汽经冷凝器冷凝后流入储液罐。
图3同样显示了上文描述的热力循环过程。
理论循环包括以下基本过程：
1-2：
等熵压缩（工质泵）
2-5：
等压蒸发（太阳能集热器）
5-6：
等熵膨胀（膨胀机）
6-1：
等压冷凝（冷凝器）
图3太阳能低温郎肯循环理论过程示意图（T-S图）
5.2循环工质的选择
面对众多的有机循环工质，如何对其进行挑选并选择基准进行定性与定量的分析是目前所面对的问题，为此提出了“理想有机工质”及“实际有机工质”的概念。
5.2.1太阳能低温郎肯循环的理想工质
Abbin和Leuenberger在1974年提出太阳能低温朗肯循环系统的理想工质i,iv，应具有如图4中所示的如下一些性质：
1.液相的比热要小，即图中的2-2’线要尽可能垂直
2.临界温度要高于系统的最高运行温度，以利于循环吸收热量
3.出于对安全和设备的考虑，循环达到最高温度时的气相压力，不应过大
4.工质的冷凝压力，应该高于环境大气压，防止空气进入系统
5.状态点4（透平出口）的比容应该尽量小，以防止不得不使用大直径的涡轮叶片，外套和冷凝换热器
6.饱和蒸汽线（3-4）应该尽量垂直，以保证膨胀不进入湿蒸汽区
7.对于低功率涡轮应用情况，工质应有大分子量。
以降低流动和叶轮转动的速度，减少涡轮机级数，以及达到合理的质量流速和合理的喷嘴区域
8.三相点温度应该低于循环的最低温度
9.流体应该有较好的输运性质，较高的换热系数，高温下的稳定性、便宜、无毒、不可燃等
图4太阳能低温郎肯循环的理想工质性质图
5.2.2太阳能低温朗肯循环系统的候选工质
应该指出，前述由Abbin和Leuenberger提出的太阳能低温朗肯循环理想工
质的特点，同时也是筛选工质的主要指导原则。
但是在实际应用中，工质很难同时满足上述全部条件。
同时，随着科技的发展和人们认识的深入，环境因素已经成为有机朗肯循环选择工质的首要标准。
要求工质不破坏大气臭氧层，即ODP
值为零；对全球变暖的影响要小，即温室效应GWP值尽可能小，大气中的寿命
尽可能短。
另一方面，对于不同的工质，循环中所体现的循环参数各有不同，对
工质泵、膨胀机、管道等设备要求也不同，因此工质的选择将极大地影响到太阳
能低温朗肯循环系统的初投资。
因此，系统的经济性也必须在选择工质时予以考
虑。
目前，专门针对太阳能低温朗肯循环的研究较少。
另一方面，大多数的太阳能低温热发电实验研究主要以烷类物质为对象，其他应用到实验研究的有机工质比较少，仅有R134a，氨水等几种工质。
5.3实际循环中工质的选取与确定
为了选取用于实验研究的太阳能低温朗肯循环系统工质，天津大学的王晓东选取了R600（丁烷）、R134a、R245fa、R236fa四种典型工质作为候选工质，对其应用于太阳能低温朗肯循环的性能进行分析与比较。
在设定的工况下，对四种候选工质的循环参数分别进行了计算，并从压力水平、做功能力、循环效率、热力学完善度、工质安全性和工质环境性能等方面进行了分析比较。
表3为四种有机工质的特性参数。
表3候选工质的特性参数
工质
分子量（g/mol）
临界温度T（
）
临界压力P（MPa）
ODP
GWP
安全等级
R600
58.12
152.0
3.80
0
20
A3
R134a
102.03
101.1
4.06
0
1200
A2
R245fa
134.05
154.1
4.43
0
950
B1
R236fa
152.04
124.9
3.20
0
9400
A1
分析结果表明，在设定工况下，R600和R245fa的循环热力性能要高于Rl34a和R236fa。
在蒸发温度为90℃时，R600和R245fa效率分别为14.69％和14.50％，R600的朗肯循环效率与热力学完善度略高于R245fa，但考虑到实际系统运行时的安全因素，综合分析后决定选取R245fa作为太阳能低温朗肯循环系统的工质。
理论计算结果还表明，在冷凝和蒸发温度分别为25℃和80℃时，以R245fa为工质的太阳能低温朗肯循环效率能达到约13％。
此工况在实际应用中可以利用普通集热器得到。
同时，如果太阳能集热器可以进一步提高工质蒸发温度，朗肯循环效率会得到进一步提高。
综合考虑以上分析的因素，选取R245fa作为太阳能低温朗肯循环的工质是可行、合理的。
5.3.1有机工质的选取
为了选取用于实验研究的太阳能低温朗肯循环系统工质，天津大学的王晓东选取了R600（丁烷）、R134a、R245fa、R236fa四种典型工质作为候选工质，对其应用于太阳能低温朗肯循环的性能进行分析与比较。
在设定的工况下，对四种候选工质的循环参数分别进行了计算，并从压力水平、做功能力、循环效率、热力学完善度、工质安全性和工质环境性能等方面进行了分析比较。
分析结果表明，在设定工况下，R600和R245fa的循环热力性能要高于Rl34a和R236fa。
在蒸发温度为90℃时，R600和R245fa效率分别为14．69％和14．50％，R600的朗肯循环效率与热力学完善度略高于R245fa，但考虑到实际系统运行时的安全因素，综合分析后决定选取R245fa作为太阳能低温朗肯循环系统的工质。
理论计算结果还表明，在冷凝和蒸发温度分别为25℃和80℃时，以R245fa为工质的太阳能低温朗肯循环效率能达到约13％。
此工况在实际应用中可以利用普通集热器得到。
同时，如果太阳能集热器可以进一步提高工质蒸发温度，朗肯循环效率会得到进一步提高。
通过更加综合的分析，我们可以更好地了解R600与R245fa用在低温太阳能朗肯循环中的优越性。
虽然说在相同的设定工况下，R600的朗肯循环效率与热力学完善度略高于R245fa，但总体差距不大；R245fa压力水平较低且分子量较大，这将有利于太阳能集热器和膨胀机的设计和制造。
同时，与R600相比，R245fa最大的优点在于其安全、不可燃，这是实际工程中必须要考虑的因素。
特别是对于太阳能朗肯循环系统，运行中集热器和膨胀机可能会出现工质泄露的情况，因此使用R600的风险较大。
此外，作为有机工质，R245fa还拥有可以接受的环境参数。
综合考虑以上分析的因素，选取R245fa作为太阳能低温朗肯循环的工质是可行、合理的。
5.3.2以R245fa为工质的郎肯循环参数
表4和表5给出了一个以R245fa为工质的典型的太阳能低温朗肯循环循环参数详细计算结果。
计算中，设定冷凝冷凝温度为25℃；蒸发温度为80℃，实际应用中，此蒸发温度能够通过平板集热器或普通真空管集热器轻松得到。
表4以R245fa为循环工质的郎肯循环工况参数1
状态
t
P（MPa）
h（kJ/kg）
s（kJ/kgK）
1
25
0.1494
233.2
1.116
2
25.2
0.7888
233.7
1.116
3
80
0.7888
312.8
1.359
4
80
0.7888
466.1
1.793
5
85
0.7888
471.9
1.809
6
42.14
0.1494
440.3
1.809
7
25
0.1494
424.1
1.756
表5以R245fa为循环工质的郎肯循环工况参数2
指标
参数
太阳能集热器输入热量
238.2kJ/kg
膨胀机输轴功
31.6kJ/kg
冷凝器放热
207.1kJ/kg
工质泵耗功
0.5kJ/kg
循环输出净功
31.1kJ/kg
朗肯循环效率
13.056%
卡诺循环效率
16.760%
有必要说明，以上计算时设定的工况可能并不是朗肯循环的最佳工况。
分析和计算过程中，冷凝方式认为是水冷，冷凝温度设定为25℃，而冷凝方式和冷凝温度将对低温朗肯循环的效率产生巨大影响，因此循环的最佳工况必须根据实际系统的冷凝方式通过实验确定。
6以R245fa作为循环工质的小型太阳能郎肯循环模型试验
在小型太阳能低温朗肯循环系统实验台上对以R245fa为工质，采用8mm管
板式集热器的太阳能低温朗肯循环系统进行了实验分析。
通过对2007年10月15日的实验结果分析，揭示了以R245fa为工质的太阳能低温朗肯循环系统的总体特点：
与普通太阳能热利用系统集热器不同，太阳能朗肯循环系统的集热器内存在3个不同的区域：
过冷区、相变区和过热区。
这使得太阳能朗肯循环系统的集热器效率会出现阶跃式突变。
通过分析实验过程中过冷与过热出现的原因，以及带来的影响，指出在系统中引入IHE将消除过冷带来不利影响，并可提高循环的热力学完善度。
综合多次实验结果，通过筛选出的数据分析了系统在变工况条件下太阳能集
热器的效率变化情况。
结果显示，在保证工质完全相变的前提下，集热器效率变
化的一般趋势是随太阳辐照度的增加而减小，在相同的太阳辐照度情况下，集热器效率随工质流量的增加而增大。
在变工况分析的基础上提出并拟合得到了太阳能低温朗肯循环系统集热器的“最佳效率曲线”。
7结语
有机工质用在太阳能郎肯循环中不是一件新鲜的事情，然而基于各种因素这项技术仍然还处在一个发展阶段。
其中，由于有机工质种类繁多，如何选择有机工质将会是这项技术的核心所在，与传统的郎肯循环相比，低温低压为有机郎肯循环使得其在材料及机械核心部件上具有一定的优势。
然而，有机工质的价格不一，且对环境有一定危害，这使得在选取工质的时候又多了一项限制。
随着化石燃料的不断减少，如何对低温热源“物尽其用”这个问题将会为有机郎肯循环提供一个全新的演绎舞台！
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