一種低溫太陽(yáng)能熱發(fā)電循環(huán)系統(tǒng)的理論分析

宋建忠 ，張小松

(1. 東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京，210096；2. 常熟市東南應(yīng)用技術(shù)研究院，江蘇 常熟，215500)

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，各種需求不斷增長(zhǎng)，能源作為社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，需求量尤其是對(duì)電力的需求也持續(xù)增長(zhǎng)。目前，電力生產(chǎn)主要依靠化石燃料如煤、石油和天然氣等。但是，化石燃料是不可再生能源，而且其儲(chǔ)量非常有限。同時(shí)，化石燃料的燃燒還會(huì)產(chǎn)生大量的硫化物和氮化物等氣體，導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題。因此，探求可替代的新能源成為研究熱點(diǎn)。研究人員對(duì)太陽(yáng)能、地?zé)崮?、潮汐能、風(fēng)能和生物質(zhì)能等新能源進(jìn)行了大量的研究。太陽(yáng)能作為一種清潔的可再生能源，其總量巨大，被認(rèn)為是最有潛力的替代能源。目前，太陽(yáng)能的利用主要在生活熱水的產(chǎn)生方面，通過(guò)平板式或真空管式等類(lèi)型的集熱器來(lái)實(shí)現(xiàn)，近年來(lái)的研究重點(diǎn)是如何提高集熱器的效率以及如何同時(shí)滿足用戶的多種需求，實(shí)現(xiàn)熱水與供暖等的綜合供應(yīng)。電力需求不斷增加，電力缺口越來(lái)越大，太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)也受到更多關(guān)注。常見(jiàn)的轉(zhuǎn)化方式有太陽(yáng)能光伏技術(shù)、太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)、太陽(yáng)能染料敏化電池、太陽(yáng)能煙囪發(fā)電技術(shù)等。目前，太陽(yáng)能光伏發(fā)電在市場(chǎng)上應(yīng)用較廣，在光伏發(fā)電技術(shù)中主要采用單晶硅或多晶硅等材料，但是，在硅材料的提純過(guò)程中會(huì)消耗大量的能源，目前研究重心在于提高光電轉(zhuǎn)化效率以及并網(wǎng)技術(shù)。太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)中主要采用常規(guī)的設(shè)備，在生產(chǎn)過(guò)程中能耗相對(duì)較低，且對(duì)環(huán)境影響小，是一種理想的技術(shù)選擇。太陽(yáng)能熱發(fā)電有多種循環(huán)流程，針對(duì)不同的循環(huán)，集熱溫度范圍也不同。Mills[1]總結(jié)并對(duì)比分析各種不同類(lèi)型的太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)?？梢杂糜谔?yáng)能熱發(fā)電的基本循環(huán)主要有：朗肯循環(huán)、有機(jī)朗肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle, ORC)、斯特林循環(huán)和卡林那循環(huán)、新型氨吸收式動(dòng)力聯(lián)合循環(huán)等。其中有機(jī)朗肯循環(huán)在低溫?zé)嵩椿厥占袄梅矫婢哂泻艽蟮撵`活性和較大的安全性，也可以用于中低溫太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中[2]。為了提高系統(tǒng)效率和獲得最大產(chǎn)出，研究人員對(duì)不同循環(huán)進(jìn)行了大量深入的研究。目前太陽(yáng)能熱發(fā)電已經(jīng)投入使用的主要集中在美國(guó)和西班牙等地，都采用較高溫度的集熱溫度[3]。在高溫?zé)岚l(fā)電技術(shù)方面，單軸跟蹤的或者多軸跟蹤的系統(tǒng)均大多采用朗肯循環(huán)，大量學(xué)者進(jìn)行了理論以及實(shí)際工程的研究，獲取了一定的改進(jìn)系統(tǒng)的方法[4?6]。也有學(xué)者提出采用聯(lián)合循環(huán)的方法可以有效地提升系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率[7?10]，例如Zhao等[11]提出了一種新系統(tǒng)，將太陽(yáng)能與常規(guī)的火力發(fā)電廠進(jìn)行聯(lián)合，利用集熱器收集的太陽(yáng)能來(lái)代替從汽機(jī)里抽氣來(lái)預(yù)熱給水，實(shí)現(xiàn)溫度對(duì)口應(yīng)用，這種系統(tǒng)能使太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電力的效率大大提升。目前，人們對(duì)中低溫范圍的太陽(yáng)能的熱電轉(zhuǎn)化研究較多，該種技術(shù)除了可以利用太陽(yáng)能之外，還可以利用其他多種低溫?zé)嵩?。針?duì)這種技術(shù)，研究人員對(duì)適用的循環(huán)、適用工質(zhì)、做功裝置和系統(tǒng)性能等進(jìn)行了大量研究[12?14]。Hung等對(duì)于低溫度范圍內(nèi)的熱電循環(huán)的適用工質(zhì)進(jìn)行了研究，得出了工質(zhì)的選用規(guī)律[15?17]。本文作者也提出了一種循環(huán)系統(tǒng)，利用太陽(yáng)能產(chǎn)生一定的電能，并同時(shí)提供一定量的熱水或者熱能輸出。Song等[18?19]對(duì)其進(jìn)行了初步分析，本研究主要分析不同工況下循環(huán)性能以及膨脹機(jī)進(jìn)口溫度和壓力等因素對(duì)性能的影響。

1 系統(tǒng)流程及模型

1.1 系統(tǒng)流程

圖1所示為帶回?zé)崞飨到y(tǒng)的T?S圖，圖2所示為系統(tǒng)的流程圖。系統(tǒng)流程中主要包含2個(gè)回路：工作介質(zhì)回路和集熱介質(zhì)回路(導(dǎo)熱油回路)。工作介質(zhì)回路見(jiàn)圖2中的右半部分，包含蒸汽發(fā)生器、螺桿膨脹機(jī)、回?zé)崞?、冷凝器、?chǔ)液罐和工質(zhì)泵等。T?S圖中基本過(guò)程為：1?2a(2s)表示飽和的或者過(guò)熱的高壓蒸汽在膨脹機(jī)中膨脹成低壓的氣體；2a是指膨脹過(guò)程結(jié)束的實(shí)際狀態(tài)點(diǎn)；2s是指膨脹結(jié)束的理想狀態(tài)點(diǎn)；2a(2s)?3表示膨脹后的氣體在回?zé)崞髦蟹艧幔??4表示放熱后的氣體被水或者空氣冷凝成液態(tài)；4?5表示低壓的液態(tài)工質(zhì)被泵加壓到高壓狀態(tài)；5?6表示高壓液態(tài)工質(zhì)在回?zé)崞髦袕牡蛪簹鈶B(tài)工質(zhì)吸熱，從而被預(yù)熱；6?1表示高壓的工質(zhì)在蒸汽發(fā)生器中吸熱變成高溫高壓的蒸汽。

圖1 系統(tǒng)T?S圖Fig.1 Typical T?S process diagram

圖2 系統(tǒng)流程圖Fig.2 System diagram

導(dǎo)熱油回路見(jiàn)圖2的左半部分，從導(dǎo)熱油罐流過(guò)來(lái)的低溫導(dǎo)熱油被循環(huán)泵輸送到集熱器中，被太陽(yáng)能加熱變成高溫的導(dǎo)熱油。然后高溫的導(dǎo)熱油進(jìn)入到蒸汽發(fā)生器中加熱高壓的液態(tài)工質(zhì)，使其變成高溫高壓的蒸汽，而這時(shí)導(dǎo)熱油溫度降低，重新回到導(dǎo)熱油罐中。

該系統(tǒng)中，當(dāng)高溫高壓蒸汽經(jīng)過(guò)膨脹機(jī)時(shí)對(duì)外輸出機(jī)械功帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，輸出一定的電能。系統(tǒng)中當(dāng)回?zé)崞鞑捎萌闪鞯膿Q熱器時(shí)可以有 2種操作模式：模式一的流程與圖2所示的相同，從膨脹機(jī)出口流過(guò)來(lái)的氣體放熱給被加壓的液態(tài)工質(zhì)使其預(yù)熱，這時(shí)可從冷凝器的水側(cè)出口獲取一定溫度的熱水；模式二中切換閥門(mén)使工質(zhì)泵出口工質(zhì)直接進(jìn)入蒸汽發(fā)生器，而將冷凝器水側(cè)出口連入到回?zé)崞髦?，使膨脹機(jī)出口氣體放熱給從冷凝器出來(lái)的熱水。

本研究的系統(tǒng)分析中采用R245fa為循環(huán)工質(zhì)，其基本性能如表1所示。

表1 R245fa的基本物理性能Table 1 Properties of R245fa

1.2 部件模型

假設(shè)系統(tǒng)本部分均處于穩(wěn)態(tài)，依據(jù)能量平衡建立相應(yīng)的模型。在系統(tǒng)分析中遵循以下假設(shè)：

(1) 系統(tǒng)中的工質(zhì)流動(dòng)穩(wěn)定，各狀態(tài)點(diǎn)的工質(zhì)的性質(zhì)不隨時(shí)間變化；

(2) 所有部件和管道具有良好的絕熱性能，系統(tǒng)部件以及管道與外部環(huán)境無(wú)熱交換；

(3) 管線上的壓力損失以及熱損失忽略不計(jì)。

以下的部件模型公式基于能量平衡，且各部件之間參數(shù)相互依存。循環(huán)效率和功輸出為主要指標(biāo)。

膨脹機(jī)的膨脹功為：膨脹機(jī)的效率為：

其中：h1為膨脹機(jī)的進(jìn)口焓；h2a為膨脹機(jī)的出口實(shí)際焓；h2s為膨脹機(jī)的出口理想焓；m˙為工質(zhì)的質(zhì)量流量。

回?zé)崞鞯哪芰科胶怅P(guān)系如下：

冷凝器r的能量平衡關(guān)系為：

其中：為工質(zhì)質(zhì)量流量；為冷卻水的質(zhì)量流量；hi和ho分別為冷凝器的冷卻水進(jìn)出口的焓值。

液體電解液分為有機(jī)溶劑電解液、水溶液電解液及離子液體電解質(zhì)。其中，有機(jī)溶劑電解液因良好的綜合性能而得到廣泛應(yīng)用[18-22]；水溶液電解液因環(huán)境友好、成本低廉及腐蝕性較小而得到關(guān)注；離子液體電解質(zhì)因其電化學(xué)窗口寬、不可燃及不揮發(fā)等優(yōu)點(diǎn)引起關(guān)注。

工質(zhì)泵需要的功以及其效率表達(dá)式為：

式(5)也可用于油泵水泵等計(jì)算。

蒸汽發(fā)生器的能量平衡關(guān)系式為：

其中：h1和h6分別為蒸汽發(fā)生器工質(zhì)側(cè)的工質(zhì)出口焓和工質(zhì)進(jìn)口焓，而h7和h9分別為導(dǎo)熱油的進(jìn)口和出口焓；oilm˙ 為通過(guò)蒸汽發(fā)生器的導(dǎo)熱油的質(zhì)量流量。

動(dòng)力循環(huán)的凈功輸出為：

系統(tǒng)效率為：

1.3 模擬方法

模擬計(jì)算流程圖如圖3所示。初始變量包括變化的參數(shù)和固定的參數(shù)。在模擬過(guò)程中狀態(tài)點(diǎn)3和4設(shè)定為固定的狀態(tài)，膨脹功輸出設(shè)定為2 kW。變量主要有膨脹機(jī)進(jìn)口的溫度和壓力。模擬主要用于模擬計(jì)算不同工作條件下的系統(tǒng)性能。在初始化輸入?yún)?shù)后，熱物性程序啟動(dòng)用于獲取各狀態(tài)下的工質(zhì)物性，然后，依據(jù)各個(gè)部件的關(guān)系式進(jìn)行性能的模擬計(jì)算，從而獲取整個(gè)系統(tǒng)的性能參數(shù)。模擬程序中物性部分主要基于REFPROP 7.1[20]。

圖3 循環(huán)分析模擬程序流程圖Fig.3 Methodology of cycle analysis

2 結(jié)果與討論

在系統(tǒng)模擬分析過(guò)程中，針對(duì)1個(gè)膨脹機(jī)輸出功率固定為2 kW的系統(tǒng)，采用上面給出的模型進(jìn)行模擬分析，獲取循環(huán)性能。其他的給定參數(shù)為：工質(zhì)的低壓為P2=P3=P4=0.25 MPa，冷凝器的工質(zhì)進(jìn)出口溫度分別設(shè)定為45 ℃和35 ℃。膨脹機(jī)效率設(shè)定為0.8，泵效率設(shè)定為0.9。而膨脹機(jī)的進(jìn)口溫度和壓力則隨工況有一定變化，壓力在1.5～2.0 MPa之間變化。結(jié)果顯示了相同工況下的系統(tǒng)理想循環(huán)與實(shí)際循環(huán)的差別，也顯示了不同工況下的循環(huán)性能。

2.1 膨脹機(jī)進(jìn)口壓力對(duì)性能的影響

圖4所示為膨脹機(jī)進(jìn)口溫度為150 ℃時(shí)不同膨脹機(jī)進(jìn)口壓力對(duì)系統(tǒng)性能的影響，圖5所示為不同膨脹機(jī)進(jìn)口壓力條件下有無(wú)回?zé)崞鲗?duì)理想循環(huán)和實(shí)際循環(huán)的循環(huán)效率增加量的變化情況。從圖4和圖5可見(jiàn)：理想循環(huán)的效率在各種循環(huán)條件下均大于實(shí)際循環(huán)；循環(huán)效率隨著膨脹機(jī)進(jìn)口壓力的增加而增加，因?yàn)楫?dāng)輸出功率一定時(shí)，高壓力狀態(tài)下單位質(zhì)量工質(zhì)的吸熱量低；帶回?zé)崞髦笱h(huán)效率的增加量總是實(shí)際循環(huán)比理想循環(huán)的大，也就是說(shuō)在實(shí)際循環(huán)中適當(dāng)?shù)夭捎没責(zé)崞饔欣谘h(huán)效率的提升，可以使得系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)和有效。并且在固定的膨脹機(jī)進(jìn)口溫度條件下，循環(huán)效率的增加幅度隨著膨脹機(jī)進(jìn)口壓力的增加而減少，也表明在實(shí)際的循環(huán)中壓力和溫度需要適當(dāng)?shù)钠ヅ?；?dāng)膨脹機(jī)進(jìn)口壓力為1.5 MPa，進(jìn)口溫度為150 ℃時(shí)，帶回?zé)崞鞯膶?shí)際循環(huán)效率比不帶回?zé)崞鞯膶?shí)際循環(huán)效率增加 26.7%，而理想循環(huán)的效率增加量為23.5%。

圖4 定進(jìn)口溫度下膨脹機(jī)進(jìn)口壓力對(duì)效率的影響Fig.4 Effect of expander inlet pressure on cycle efficiency

圖5 不同進(jìn)口壓力下循環(huán)效率增加量Fig.5 Cycle efficiency increment under different expander inlet pressures

圖6所示為膨脹機(jī)輸出功率一定和膨脹機(jī)進(jìn)口溫度一定的條件下，不同膨脹機(jī)進(jìn)口壓力對(duì)于循環(huán)工質(zhì)質(zhì)量流量的影響。從圖6可知：循環(huán)工質(zhì)的質(zhì)量流量隨著進(jìn)口壓力的增加逐漸減小。因?yàn)閱挝毁|(zhì)量工質(zhì)在膨脹過(guò)程中的焓降隨著膨脹機(jī)進(jìn)口壓力的增大而增大，這就使得產(chǎn)生相同量的功率輸出所需的工質(zhì)的質(zhì)量流量減少。

圖6 一定進(jìn)口溫度下膨脹機(jī)進(jìn)口壓力對(duì)工質(zhì)流量影響Fig.6 Effect of expander inlet pressure on cycle mass flow rate at certain temperature

2.2 膨脹機(jī)進(jìn)口溫度對(duì)性能的影響

圖7和圖8所示為不同膨脹機(jī)進(jìn)口壓力條件下，膨脹機(jī)進(jìn)口溫度變化對(duì)系統(tǒng)和理想循環(huán)效率的影響。在模擬過(guò)程中，分析了膨脹機(jī)進(jìn)口壓力分別為 1.5，1.75和2.0 MPa條件下，溫度從110 ℃變化到150 ℃時(shí)不同工況下的系統(tǒng)效率。圖7和圖8都表明：帶回?zé)崞飨到y(tǒng)的循環(huán)效率比不帶回?zé)崞飨到y(tǒng)的循環(huán)效率要高，而且不帶回?zé)崞鞯难h(huán)不論是理想循環(huán)還是實(shí)際循環(huán)，其效率基本保持不變，先緩慢增加然后緩慢減小，期間存在1個(gè)最大值。也就是說(shuō)，對(duì)于不帶回?zé)崞鞯南到y(tǒng)，膨脹機(jī)進(jìn)口溫度的提升對(duì)于循環(huán)效率的貢獻(xiàn)小，沒(méi)有必要設(shè)置回?zé)崞?；而帶回?zé)崞鲿r(shí)，循環(huán)效率則隨著膨脹機(jī)進(jìn)口溫度的提升明顯增加；當(dāng)膨脹機(jī)進(jìn)口壓力高時(shí)，循環(huán)效率隨著膨脹機(jī)進(jìn)口溫度的增加越快。圖7和圖8同時(shí)顯示了膨脹機(jī)進(jìn)口工質(zhì)的過(guò)熱度對(duì)于循環(huán)效率的影響：對(duì)于帶回?zé)崞鞯南到y(tǒng)，進(jìn)口的過(guò)熱可以有效地提升循環(huán)效率；而對(duì)于無(wú)回?zé)崞鞯南到y(tǒng)，則沒(méi)有必要對(duì)進(jìn)口有高的過(guò)熱度，只需滿足系統(tǒng)設(shè)備的正常運(yùn)行即可。

圖7 不同進(jìn)口壓力下進(jìn)口溫度對(duì)實(shí)際循環(huán)效率影響Fig.7 Effect of expander inlet temperature on cycle efficiency for actual cycles under different pressures

圖8 不同進(jìn)口壓力下進(jìn)口溫度對(duì)理想循環(huán)效率影響Fig.8 Effect of expander inlet temperature on cycle efficiency for ideal cycles under certain pressure

圖9所示為不同膨脹機(jī)進(jìn)口壓力下，循環(huán)效率的增加幅度隨著膨脹機(jī)進(jìn)口溫度的變化情況。很明顯，當(dāng)膨脹機(jī)進(jìn)口壓力為1.5 MPa，膨脹機(jī)進(jìn)口溫度從110℃增加到150 ℃時(shí)，帶回?zé)崞鞯膶?shí)際循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)效率的增量從7.45%增加到了27.77%。

圖9 不同進(jìn)口壓力下進(jìn)口溫度對(duì)帶回?zé)崞鞯南到y(tǒng)的效率增量的影響Fig.9 Cycle efficiency increment under different expander inlet pressures

雖然工質(zhì)過(guò)熱度越大，系統(tǒng)循環(huán)效率越高，但是，由于氣態(tài)時(shí)候的換熱系數(shù)較低，過(guò)熱度的不斷增加會(huì)加大所需的換熱面積，從而增加設(shè)備成本。因此，對(duì)于過(guò)熱度的設(shè)置，需要綜合考慮系統(tǒng)性能和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，并不是過(guò)熱度越大越好。

3 結(jié)論

(1) 實(shí)際循環(huán)中應(yīng)盡量采用回?zé)崞?，可以大幅度提升系統(tǒng)循環(huán)效率。

(2) 膨脹機(jī)的進(jìn)口參數(shù)需要合理匹配，并不是越高越好。

(3) 回?zé)崞鞯脑O(shè)置可以在一定程度上提升循環(huán)效率，在有回?zé)崞鲿r(shí)，膨脹機(jī)適當(dāng)提高過(guò)熱度可以增加循環(huán)效率，因?yàn)檫^(guò)熱度越高，增加幅度越大，但還需與系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行綜合考慮，以體現(xiàn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

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