可再生能源和可持續(xù)能源的利用（下）

周子成

可再生能源和可持續(xù)能源的利用（下）

周子成

隨著人類的進(jìn)步和生產(chǎn)力的發(fā)展，能源的消耗量越來越大。地球上常規(guī)能源是有限的?？稍偕茉春涂沙掷m(xù)能源的利用變得十分重要。本文概述可再生能源和可持續(xù)能源的利用途徑，重點(diǎn)介紹有機(jī)蘭金循環(huán)的應(yīng)用。

可再生能源；可持續(xù)能源；利用

5　復(fù)式朗肯制冷系統(tǒng)

復(fù)式朗肯制冷系統(tǒng)是由低品位熱能驅(qū)動(dòng)的正向朗肯循環(huán)產(chǎn)生機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)逆向朗肯循環(huán)的制冷系統(tǒng)產(chǎn)生制冷量。低品位熱能可以是太陽能、地?zé)崮?、工業(yè)過程的余熱等。

太陽能輔助空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以減少夏季用電高峰負(fù)荷和建筑能耗，在20世紀(jì)70年代石油危機(jī)時(shí)期，一直是行業(yè)中大量研究的課題，但在石油危機(jī)過去以后便消聲匿跡。近年來，許多有關(guān)太陽能制冷應(yīng)用的研發(fā)工作又重新活躍起來。包括以下一些由太陽輻射能產(chǎn)生制冷效應(yīng)的技術(shù)方案:吸附（吸附，吸收，除濕），光伏發(fā)電（蒸氣壓縮）和熱力機(jī)械（朗肯，噴射器，斯特林）等。圖11示出了一種太陽能熱力-機(jī)械的制冷系統(tǒng)，一臺(tái)熱機(jī)將太陽能熱量轉(zhuǎn)換成機(jī)械功，驅(qū)動(dòng)一臺(tái)蒸汽壓縮式機(jī)械制冷機(jī)。熱機(jī)可以采用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、布雷頓循環(huán)或朗肯發(fā)動(dòng)機(jī)等。

在一個(gè)復(fù)式朗肯制冷系統(tǒng)中，朗肯發(fā)動(dòng)機(jī)作為熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，傳熱流體通過太陽能集熱器獲得的太陽能轉(zhuǎn)化成熱量。此熱量通過蒸發(fā)器進(jìn)一步轉(zhuǎn)移到朗肯發(fā)動(dòng)機(jī)的工作流體中。隨后朗肯發(fā)動(dòng)機(jī)將接收到的熱量轉(zhuǎn)換為機(jī)械動(dòng)力，去驅(qū)動(dòng)蒸汽壓縮式制冷機(jī)。

太陽能復(fù)式朗肯制冷系統(tǒng)的總性能系數(shù)COP被定義為所產(chǎn)生的制冷量Qo與入射的太陽輻射能量之比，它是太陽能集熱器、朗肯動(dòng)力循環(huán)和制冷機(jī)三者效率的乘積。

式中GT是太陽輻射能，Asc是集熱器的面積，COPVC是蒸氣壓縮式制冷機(jī)的效率，ηRC是朗肯動(dòng)力循環(huán)的效率，ηSC是太陽能集熱器的效率。

在20世紀(jì)70年代至80年代，有關(guān)這種技術(shù)的大量活動(dòng)和重要的理論研究在美國、日本和沙特阿拉伯開展起來。利奧爾研究了以太陽能為動(dòng)力并結(jié)合一個(gè)蒸汽渦輪機(jī)的燃料過熱朗肯循環(huán)。為了避免渦輪機(jī)在兩相運(yùn)行，系統(tǒng)中集成了一個(gè)過熱器。這種系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成制冷和供熱模式。從規(guī)模經(jīng)濟(jì)考慮，這種技術(shù)只適用于大型制冷系統(tǒng)。對低功耗系統(tǒng)和中溫?zé)嵩磿?huì)出現(xiàn)以下的設(shè)計(jì)問題:渦輪軸轉(zhuǎn)速過高，過熱度太高（560℃），以及渦輪葉片腐蝕等問題。為了克服這種設(shè)計(jì)難點(diǎn)，瓦利評估了各種可能性，并建議采用R113作為合適的有機(jī)流體。

圖11　太陽能熱力機(jī)械制冷系統(tǒng)

由霍尼韋爾公司和美國國家科學(xué)基金會(huì)共同資助的一個(gè)項(xiàng)目中，美國的巴伯-尼科爾斯工程有限公司設(shè)計(jì)和測試了一臺(tái)太陽能朗肯驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)的樣機(jī)。如圖12所示。它是由一臺(tái)由太陽能加熱的朗肯循環(huán)供給住宅制冷和/或電力的示范裝置，包括一臺(tái)3冷噸的R12空調(diào)器、1kW的電力系統(tǒng)、一個(gè)R113朗肯循環(huán)，和一個(gè)提供102℃熱水的太陽能集熱器，以及一臺(tái)效率為85%的渦輪機(jī)和一臺(tái)效率為80%的壓縮機(jī)。朗肯/空調(diào)聯(lián)合系統(tǒng)的性能系數(shù)是0.71。系統(tǒng)的熱能比或太陽能的COP為0.21，太陽能集熱器的效率為30%。

在20世紀(jì)70年代，復(fù)式-朗肯系統(tǒng)與吸收式系統(tǒng)之間出現(xiàn)了更加劇烈的競爭，但后來被放棄了。這種系統(tǒng)在非設(shè)計(jì)工況下部件的性能和部件匹配成一個(gè)完整的系統(tǒng)，使得不容易預(yù)測全面優(yōu)化的整體系統(tǒng)性能。為了確保朗肯循環(huán)和空調(diào)器的匹配，需要合適的控制策略。此外，工質(zhì)對環(huán)境是有害的。由金姆和費(fèi)雷拉所作的系統(tǒng)成本比較表明，每kW冷量2300 D的復(fù)式-朗肯循環(huán)是比其他熱力機(jī)械系統(tǒng)便宜（D是希臘貨幣德拉馬克），但與吸附式相比要昂貴兩到三倍。基于上述原因，采用環(huán)保工質(zhì)的吸附式系統(tǒng)便成為當(dāng)今的首選。

同時(shí)制冷和發(fā)電的朗肯和噴射器/吸收式循環(huán)的組合是目前正在探索的一條新路。哥斯瓦米提出了一種組合朗肯和吸收式制冷循環(huán)的發(fā)電和制冷聯(lián)合循環(huán)，并采用氨水混合物作工質(zhì)。王等人提出并完成了對朗肯和噴射式制冷循環(huán)相結(jié)合的新復(fù)合制冷、供暖和發(fā)電（CCHP）系統(tǒng)的熱力學(xué)分析。在這種系統(tǒng)中，從渦輪機(jī)中提取的蒸汽供給噴射器和給用戶供熱。奧利維拉等人設(shè)計(jì)、建造和測試了另一個(gè)聯(lián)合朗肯/噴射系統(tǒng)。如圖13。噴射器被設(shè)置成與膨脹機(jī)并聯(lián)。兩臺(tái)樣機(jī)分別在葡萄牙的波爾圖和英國的拉夫堡測試。在95℃鍋爐溫度和約20℃的環(huán)境溫度時(shí)，所獲得的總COP為3.5%左右。

圖12　太陽能加熱朗肯和發(fā)電/制冷聯(lián)合系統(tǒng)

6　海洋熱能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

海洋熱能轉(zhuǎn)換，是科學(xué)運(yùn)用海洋表面較暖的海水與約1000米深較冷海水之間的溫差，來推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。海洋熱能轉(zhuǎn)換發(fā)電機(jī)可設(shè)于陸地上，亦可安裝在浮臺(tái)或海面的船上。巨型輸水管是海洋熱能轉(zhuǎn)換發(fā)電機(jī)的主要組件，負(fù)責(zé)將深層的冷海水輸送到海洋表面。

地球上的海洋覆蓋了70%以上的地球表面，并且?guī)缀跏侨≈槐M可以利用的可再生能源的來源。海洋是地球上最大的太陽能收集器，它每年收集的能量約為37萬億kW，是全世界人類所消耗電力的4000倍。在典型的1平方公里的海洋表面蘊(yùn)含的能量相當(dāng)于1萬多桶石油的能量。

利用海洋中熱能自然分層的海洋熱能轉(zhuǎn)換（OTEC）方法，是把存儲(chǔ)在海洋表層海水的太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電力。從世界許多地區(qū)海洋的海水垂直溫度分布的測量結(jié)果表明，在海平面50米以內(nèi)的表層海水是溫暖的20～29℃，而在約800米深和更深處的海水溫度約為2～7℃。海洋表層與深層之間的最小溫差至少應(yīng)該達(dá)到20℃才是有效的。這樣的溫度梯度是處在赤道附近的熱帶地區(qū)。

第一個(gè)著名的海洋熱能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在1881年由溫格·迪阿松瓦爾建造，選用沸點(diǎn)低的氨作為工質(zhì)，可以在低溫下沸騰。喬治·克勞德提出并成功測試了開啟式循環(huán)，然而，他的海洋熱能轉(zhuǎn)換成實(shí)際應(yīng)用的大部分嘗試以失敗告終。1962年，H·安德森和他的兒子詹姆斯·H·小安德森開始對OTEC系統(tǒng)做了全面設(shè)計(jì)分析，并且克服了克勞德系統(tǒng)的缺點(diǎn)，構(gòu)思出一個(gè)全新的海洋熱能轉(zhuǎn)換裝置。在后來的1973年能源危機(jī)時(shí)期為日本和美國進(jìn)行的基礎(chǔ)研究提供了有力的參考依據(jù)。

如今，已有五個(gè)不同的用于海洋熱能轉(zhuǎn)換的著名循環(huán)。它們是:開啟式海洋熱能轉(zhuǎn)換循環(huán)、封閉式海洋熱能轉(zhuǎn)換循環(huán)、混合式海洋熱能轉(zhuǎn)換循環(huán)、卡林娜循環(huán)和上原循環(huán)。

封閉混合式海洋熱能轉(zhuǎn)換循環(huán)發(fā)電廠最早的概念由迪阿松瓦爾在1881年提出，它使用如氨、丙烷或R134a之類的低沸點(diǎn)工作流體，運(yùn)行一個(gè)朗肯循環(huán)。工作流體被加熱并在蒸發(fā)器中通過溫暖的表面海水而蒸發(fā)，所產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動(dòng)與發(fā)電機(jī)相聯(lián)的渦輪機(jī)。在膨脹過程之后，低壓的蒸氣工作流體再與來自深海的冷海水進(jìn)行熱交換而被冷凝。然后被泵送回到蒸發(fā)器，循環(huán)重復(fù)地連續(xù)進(jìn)行。圖14示出了一個(gè)封閉式海洋熱能轉(zhuǎn)換循環(huán)的流程圖。

圖13　噴射器與朗肯聯(lián)合循環(huán)

圖14　封閉式海洋熱能轉(zhuǎn)換循環(huán)的流程圖

在2001年，作為一項(xiàng)日本和印度合作的成果，建造了一個(gè)1兆瓦的發(fā)電廠，并且在不遠(yuǎn)的將來計(jì)劃建造其他許多項(xiàng)目。

2015年8月21日，美國首個(gè)目前世界上最大的海洋熱能轉(zhuǎn)換發(fā)電廠在夏威夷正式聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，由洛克希德·馬丁公司設(shè)計(jì)建造。在零排放的條件下，該電廠裝機(jī)容量105 kW，可滿足120戶居民的電力消費(fèi)。估計(jì)其發(fā)電成本不高于每kWh 0.2美元。該項(xiàng)目得到美國海軍研究局的資金支持，并計(jì)劃與日本公司合作將于2020年在沖繩建設(shè)容量達(dá)1000 kW的海洋熱能轉(zhuǎn)換發(fā)電廠。

洛克希德-馬丁公司還和中國華彬集團(tuán)合作，在中國一個(gè)度假勝地的海岸附近，將建造10MW的世界最大的海洋熱能發(fā)電廠。

利用能源品位很低的海洋熱能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率是非常低的，只有約3%～5%。因此，產(chǎn)生大容量電力就需要數(shù)量巨大的海水和泵水的能量，例如，一個(gè)10MW級(jí)的試驗(yàn)工廠的管道直徑需要4米，一個(gè)100MW級(jí)的試驗(yàn)工廠的管道直徑需要10米，昂貴的投資可能會(huì)降低成本效益，因而有人建議將海洋熱能轉(zhuǎn)換集成到一個(gè)多工業(yè)綜合體中。

一種海洋熱能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（I-OTECS）除了發(fā)電以外，還可以作以下的其他應(yīng)用:淡水生產(chǎn)、空調(diào)和制冷、冷水農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖和海水養(yǎng)殖、制氫、提取鋰等。海洋熱能轉(zhuǎn)換的潛在市場大部分是在太平洋，有50個(gè)國家正在研究將它作為替代能源和實(shí)施水資源短缺可持續(xù)的解決方案，這些國家是:印度、韓國、帕勞共和國、菲律賓、夏威夷、巴布亞新幾內(nèi)亞等。目前，這項(xiàng)技術(shù)是作為面向世界大多數(shù)解決方案中最可靠的方案之一，正受到全世界的關(guān)注。

7　有機(jī)朗肯循環(huán)（ORCs）在余熱回收中的應(yīng)用

余熱（廢熱）是在燃燒過程中或任何其它化學(xué)反應(yīng)/熱力過程中產(chǎn)生，然后直接排放到環(huán)境中的未曾利用熱量。在加拿大八大制造行業(yè)內(nèi)進(jìn)行的一項(xiàng)研究顯示，高達(dá)70%的能源輸入被丟棄掉。據(jù)美國能源部（DOE）在2008年發(fā)表的一份報(bào)告顯示，在全美國的總能量消費(fèi)中，工業(yè)部門就占了大約三分之一，并產(chǎn)生相同比例的溫室氣體排放。熱量丟失的總量大約占輸入能量的20%～50%，這其中部分是可以回收的。

中國能源利用率僅為33%左右，比發(fā)達(dá)國家低約10%，至少50%的工業(yè)耗能以各種形式的余熱被直接廢棄。因此，廣泛存在于工業(yè)生產(chǎn)過程中的余熱資源十分豐富，余熱資源約占其燃料消耗總量的17%～67%，其中可回收率達(dá)60%。

余熱流的關(guān)鍵參數(shù)是:流體物質(zhì)的狀態(tài)，質(zhì)量流量，熱量的溫度，流體的組分和可用性。液體流和固體流，熱空氣和煙道/工藝過程氣體，加壓熱水，廢水和廢蒸氣都是典型的流體。

按照溫度水平，可以將余熱源分為三類:高溫（＞650℃）、中溫（230～650℃）和低溫（＜230℃）。熱源溫度是一個(gè)重要的參數(shù)，它決定了能量回收過程的效率和顯著影響熱交換器的設(shè)計(jì)。表5列出了各種余熱所在地和溫度水平。

表5　余熱地點(diǎn)和溫度范圍

已經(jīng)開發(fā)出能夠利用大量余熱的能量回收技術(shù)。包括各種類型的熱交換器（同流換熱器，再生器，空氣預(yù)熱器，經(jīng)濟(jì)器，熱管，余熱鍋爐等），熱泵，吸收式/吸附式制冷機(jī)和熱-電轉(zhuǎn)換器。采用下列熱動(dòng)力循環(huán)可以實(shí)現(xiàn)余熱發(fā)電:蒸汽朗肯循環(huán)，有機(jī)朗肯循環(huán)，卡林娜循環(huán)，哥斯瓦米循環(huán)和跨/超臨界循環(huán)，或下列直接過程:熱電，熱離子和壓電器件。熱驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力循環(huán)是先進(jìn)的或者是已經(jīng)成熟的，而直接轉(zhuǎn)換技術(shù)仍然處于發(fā)展階段。

在一般情況下，傳統(tǒng)的蒸汽循環(huán)運(yùn)行在中溫到高溫，并且自20世紀(jì)70年代以來已經(jīng)成熟，但是在較小規(guī)?；蚴窃诘蜏?zé)嵩磿r(shí)都不具成本效益。已經(jīng)證明，在低溫到中等溫范圍中，復(fù)雜性較小的有機(jī)朗肯循環(huán)和卡林娜循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)位居首位。從熱側(cè)向動(dòng)力循環(huán)的傳熱可通過兩種方式來實(shí)現(xiàn):（1）排氣/工藝過程熱量與工作流體在同一個(gè)熱交換器中熱交換；（2）被集成在一個(gè)熱油回路，避免排氣流和易燃工作流體之間接觸引起的危險(xiǎn)（圖15）。選擇有機(jī)朗肯機(jī)器主要取決于熱源溫度和所期望的功率輸出。

圖15　朗肯循環(huán)配置在余熱回收中的應(yīng)用

有機(jī)朗肯循環(huán)在余熱回收中的應(yīng)用有（但不限于）以下一些特點(diǎn):（1）可以用于現(xiàn)場發(fā)電。（2）節(jié)省電力和工廠的附加收入。（3）運(yùn)行維護(hù)成本低（不需要雇用額外的工作人員）。（4）不干擾操作者的主要任務(wù)。（5）減少污染（溫室氣體的排放，熱能污染）。

由于燃料效率和環(huán)境保護(hù)的優(yōu)勢，在有可用余熱的不同領(lǐng)域和工藝過程中，這種技術(shù)正在被逐步采用，包括:發(fā)電廠、制造工藝過程、技術(shù)裝備的冷卻、汽車業(yè)、海上運(yùn)輸?shù)?。下面分析三個(gè)有前途的領(lǐng)域:水泥行業(yè)、汽車行業(yè)、以及航運(yùn)行業(yè)。

水泥制造過程是非常耗能的。生產(chǎn)一噸水泥需要3至5GJ之間的能量。發(fā)展中國家在經(jīng)濟(jì)增長推動(dòng)下，水泥產(chǎn)量穩(wěn)步增長。中國在2008年就生產(chǎn)了約13.88億公噸，占世界水泥總產(chǎn)量的近一半。水泥制造工藝過程的關(guān)鍵步驟是約消耗80%總能量的水泥熟料生產(chǎn)。熟料是燃燒一些材料混合物的產(chǎn)物，主要是石灰石、氧化硅、鋁和鐵的氧化物。從窯出口處的排出氣體經(jīng)過4級(jí)預(yù)熱器被排放到大氣中大約是300～350℃，經(jīng)過5～6級(jí)預(yù)熱器為200～300℃。熟料出窯約1000℃被環(huán)境空氣冷卻到100～120℃，這會(huì)產(chǎn)生約200～300℃的熱空氣。排出到環(huán)境的熱空氣和氣體，可以使用由日本首創(chuàng)公知的余熱回收蒸汽技術(shù)，或通過采用低溫有機(jī)朗肯循環(huán)加以回收。恩金和阿里對一個(gè)容量為600噸/天典型的水泥工廠進(jìn)行了能量分析，表明總輸入能量的40%是通過熱煙道氣（占19.15%）、冷卻器堆棧（占5.61%）和窯筒體（占15.11%）損失掉，使用余熱回收蒸汽循環(huán)可以從熱空氣流和煙道氣流中回收低溫?zé)崃?，產(chǎn)生約1兆瓦的現(xiàn)場電力，成本效率為17個(gè)月的投資回收期。根據(jù)工廠的規(guī)模，高達(dá)幾十兆瓦的電力可覆蓋用電需求的10%～20%，在世界各地有幾個(gè)工廠已經(jīng)安裝了這種裝置，主要集中在日本、中國和印度。有機(jī)朗肯循環(huán)提供更大的模塊，通過蒸汽循環(huán)降低投資和維護(hù)成本，在水泥工業(yè)中是一種能效的選擇技術(shù)。

在石油危機(jī)的20世紀(jì)70年代和80年代期間，汽車制造商們十分關(guān)注降低油耗。但就在石油危機(jī)后，這個(gè)想法被擱置一旁。然而近年來，隨著對溫室氣體排放的新法規(guī)正式生效，再次對降低燃料消耗和降低汽車的二氧化碳排放產(chǎn)生興趣。在當(dāng)前，汽車，車載內(nèi)燃機(jī)需要供給的燃油量為實(shí)際產(chǎn)生功率的三倍。這是因?yàn)樾首罡呒s40%的內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)換成為機(jī)械動(dòng)力不到接收能量的三分之一。為了說明，一個(gè)典型的1.4升的火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的熱平衡具有熱效率為15%至32%，它取決于操作條件。剩余60%～70%的輸入能量通過散熱器（占18% ～42%）和排氣系統(tǒng)（占22%～46%）排放給環(huán)境。朗肯循環(huán)回收這部分丟失的熱量用作熱舒適或發(fā)電是一種有前途的解決方案。已經(jīng)有一些令人鼓舞的試驗(yàn)報(bào)告。本田設(shè)計(jì)和測試了由蒸汽作為工作流體的樣機(jī)，在100公里/小時(shí)的恒定速度進(jìn)行測試，熱效率從28.9%提高到32.7%。有機(jī)朗肯循環(huán)可通過回收節(jié)省大量燃料，不僅回收從排氣的熱量，而且也回收從冷卻回路的熱量。

正在研究幾種針對提高船舶燃油效率的途徑，余熱回收是其中之一。常規(guī)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)將船用燃料能量的30%～50%轉(zhuǎn)換成船舶推進(jìn)系統(tǒng)的機(jī)械功，剩余的部分以余熱的形式通過冷卻系統(tǒng)和排氣被丟棄。朗肯循環(huán)可以回收部分排氣的熱量，并把它變成額外的船載服務(wù)動(dòng)力，和/或補(bǔ)充螺旋槳的動(dòng)力。但是，在文獻(xiàn)中對船舶余熱回收的研究論文很少。這可以解釋為直到最近幾年航運(yùn)業(yè)對削減溫室氣體排放和/或航運(yùn)行業(yè)內(nèi)競爭還不夠重視。但是，田等人研究了作為船上底部循環(huán)的蒸汽循環(huán)的參數(shù)，他們得出結(jié)論是:對于質(zhì)量流量、排氣的入口和出口溫度這些關(guān)鍵參數(shù)是顯著影響底部循環(huán)的性能的排氣特性。施密德報(bào)導(dǎo)了由歐登塞鋼船廠有限公司為首與瓦錫蘭公司、西門子公司、皮特兄弟公司和歐堡工業(yè)有限公司聯(lián)合研發(fā)的一項(xiàng)調(diào)查結(jié)果，所研究的發(fā)動(dòng)機(jī)是蘇爾壽12RT-flex96C型。該發(fā)動(dòng)機(jī)的效率大約為49.3%，能量的其余部分是通過不同的流體被排放到環(huán)境的廢熱:廢氣（占25.4%），清除空氣的冷卻水（占14.1%），水套（占6.3%）和潤滑油（占4.3%）。采用了一個(gè)很好的集成熱回收系統(tǒng)后，效率提高了12%，并每天節(jié)省高達(dá)10噸的船用燃料。瑞典能源科技集團(tuán)Opcon近日宣布，將在船上安裝一個(gè)有機(jī)朗肯循環(huán)的模塊，該裝置旨在實(shí)現(xiàn)節(jié)省4%～6%的燃油。它意味著每年分別削減約37000萬噸二氧化碳排放量和150萬噸的二氧化硫排放量。

能將未曾使用的低溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)化為電力的有機(jī)朗肯循環(huán)，已成為電力工程的一個(gè)重要課題。大部分研究都集在工質(zhì)和循環(huán)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面。按照限制亞臨界循環(huán)蒸發(fā)溫度的工質(zhì)臨界溫度的不同，流體可分為（1）高溫流體（HT:Tcrit＞250℃），（2）中溫流體（MT:150＜Tcrit＜250℃），（3）低溫流體（LT:Tcrit＜150℃）三大類。如表6所示。

表6　亞臨界運(yùn)行流體的分類

余熱有機(jī)朗肯循環(huán)面臨的一個(gè)重要問題是，由于熱參數(shù)在瞬態(tài)條件下波動(dòng)，和負(fù)荷需求可能對該系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生失速或溫度沖擊的損害。因而適當(dāng)?shù)目刂坪拖到y(tǒng)監(jiān)視冷凝器和蒸發(fā)器的液體與氣體必須保持在可接受的比例范圍內(nèi)。

有機(jī)朗肯循環(huán)余熱回收設(shè)備的投資成本和盈利能力與安裝現(xiàn)場位置有很大的關(guān)系，并且與應(yīng)用相關(guān)。可提供熱量的質(zhì)量和數(shù)量決定了對合適的機(jī)器和熱回收熱交換器的類型的選擇。一臺(tái)100 kW功率的機(jī)組，基于渦輪技術(shù)的高溫有機(jī)朗肯循環(huán)的成本從兆瓦級(jí)規(guī)模的1000D/kW到幾百kW功率機(jī)組的3000D/kW。假設(shè)安裝費(fèi)用為有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的50%，具體的總投資額達(dá)到約1500～4500D/ kW。根據(jù)舒斯特等人對一個(gè)35 kW功率的排氣余熱回收沼氣廠案例的研究，電力生產(chǎn)成本（EPC）是5.65 cD/kWh。作者評價(jià)了一個(gè)采用渦旋式膨脹機(jī)的2kW機(jī)組的經(jīng)濟(jì)盈利能力是13 cD/kWh的電力成本（LEC）水平。

2014年6月，中國中船重工第712研究所成功研制具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國內(nèi)最大功率有機(jī)朗肯循環(huán)低溫余熱回收發(fā)電裝置，其熱能利用率可達(dá)6%～18%以上，標(biāo)志著已具備200～1000kW國內(nèi)最大功率的有機(jī)朗肯循環(huán)低溫余熱回收發(fā)電全套設(shè)計(jì)和制造能力。2009年4月，天津華能能源設(shè)備公司開發(fā)了煙道氣熱管預(yù)熱鍋爐系統(tǒng)，在唐山達(dá)豐焦化有限公司成功運(yùn)行，隨后又在鐵陽焦化集團(tuán)、金牛天鐵焦化公司、唐山九江鋼鐵、山西美錦能源、山東傅山焦化等50多家企業(yè)70多套裝置進(jìn)行改造，取得了良好的效益。

在理論研究方面，清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、天津大學(xué)、西安交通大學(xué)、浙江大學(xué)等多名學(xué)者對有機(jī)朗肯循環(huán)預(yù)熱回收都有較成熟的研究成果。

8　有機(jī)朗肯循環(huán)生物質(zhì)能發(fā)電廠

生物質(zhì)能是世界第四大能源，占世界一次能源需求的約10%。在發(fā)展中國家，生物質(zhì)能對國家一次能源需求有較大的貢獻(xiàn)，有一些國家達(dá)到70%～90%。這種豐富的資源可以轉(zhuǎn)化成電力，在需要時(shí)可以由熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠同時(shí)提供熱能。

生物質(zhì)能發(fā)電主要利用農(nóng)業(yè)、林業(yè)和工業(yè)的廢棄物、甚至將城市垃圾作為原料，采取直接燃燒或氣化等方式發(fā)電，包括農(nóng)林廢棄物直接燃燒發(fā)電、農(nóng)林廢棄物氣化發(fā)電、垃圾焚燒發(fā)電、垃圾填埋氣發(fā)電、沼氣發(fā)電。

生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術(shù)是將生物質(zhì)原料送入適合的鍋爐內(nèi)燃燒，生產(chǎn)蒸汽，產(chǎn)生的蒸汽膨脹做功，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。燃燒方式包括固定床燃燒或流化床燃燒等方式。固定床燃燒對生物質(zhì)原料的預(yù)處理要求較低，生物質(zhì)經(jīng)過簡單處理甚至無須處理就可投入爐內(nèi)燃燒。流化床燃燒要求將大塊的生物質(zhì)原料預(yù)先粉碎至易于流化的粒度，其燃燒效率和強(qiáng)度都比固定床高。

生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)是指生物質(zhì)在氣化爐中轉(zhuǎn)化為氣體燃料，經(jīng)凈化后直接進(jìn)入燃?xì)鈾C(jī)中燃燒發(fā)電或者直接進(jìn)入燃料電池發(fā)電。氣化發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)之一是燃?xì)鈨艋瑲饣鰜淼娜細(xì)舛己幸欢ǖ碾s質(zhì)，包括灰分、焦炭和焦油等，需經(jīng)過凈化系統(tǒng)把雜質(zhì)除去，以保證發(fā)電設(shè)備的正常運(yùn)行。

沼氣發(fā)電是利用工農(nóng)業(yè)或城鎮(zhèn)生活中的大量有機(jī)廢棄物在厭氧環(huán)境中，通過微生物發(fā)酵產(chǎn)生以甲烷為主要成分的可燃性混合氣體—沼氣，通過沼氣驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電。用于沼氣發(fā)電的設(shè)備主要為內(nèi)燃機(jī)，一般由柴油機(jī)組或者天然氣機(jī)組改造而成。

垃圾發(fā)電包括垃圾焚燒發(fā)電和垃圾氣化發(fā)電，它不僅可以解決垃圾處理的問題，同時(shí)還可以回收利用垃圾中的能量，節(jié)約資源。垃圾焚燒發(fā)電是利用垃圾在焚燒鍋爐中燃燒放出的熱量將水加熱獲得過熱蒸汽，推動(dòng)汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。垃圾焚燒技術(shù)主要有層狀燃燒技術(shù)、流化床燃燒技術(shù)、旋轉(zhuǎn)燃燒技術(shù)等。垃圾氣化發(fā)電是一種氣化熔融焚燒技術(shù)，包括垃圾在450～640℃溫度下的氣化和含碳灰渣在1300℃以上的熔融燃燒兩個(gè)過程，這種技術(shù)的垃圾處理徹底，過程潔凈，并可以回收部分資源，被認(rèn)為是最有前途的垃圾發(fā)電技術(shù)。

世界上生物質(zhì)發(fā)電起源于20世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)，全世界爆發(fā)石油危機(jī)后，丹麥開始積極開發(fā)清潔的可再生能源，大力推行秸稈等生物質(zhì)發(fā)電。在國土面積只有我國山東省面積約1/4的丹麥，已建立了15家大型生物質(zhì)直燃發(fā)電廠，年消耗農(nóng)林廢棄物約150萬噸，提供丹麥全國5%的電力供應(yīng)。自1990年以來，生物質(zhì)發(fā)電在歐美許多國家開始大力發(fā)展。截至2004年，世界生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)已達(dá)3900萬kW，年發(fā)電量約2000億kWh，可替代7000萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，是風(fēng)電、光電、地?zé)岬瓤稍偕茉窗l(fā)電量的總和。

中國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，生物質(zhì)資源十分豐富，農(nóng)作物播種面積有18億畝，年產(chǎn)生物質(zhì)約7億噸。相當(dāng)于3.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。農(nóng)產(chǎn)品加工廢棄物包括稻殼、玉米芯、花生殼、甘蔗渣和棉籽殼等，也是重要的生物質(zhì)資源。中國現(xiàn)有森林面積約1.95億公頃，森林覆蓋率20.36%，每年可獲得生物質(zhì)資源量約8億至10億噸。中國還有5400多萬公頃宜林地，可以結(jié)合生態(tài)建設(shè)種植農(nóng)作物。

中國從1987年起開始研究生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)。1998年1MW谷殼氣化發(fā)電示范工程建成投入運(yùn)行。1999年1MW木屑?xì)饣l(fā)電示范工程建成投入運(yùn)行。2000年6MW秸稈氣化發(fā)電示范工程建成投入運(yùn)行，為更好地利用生物質(zhì)能源奠定了良好基礎(chǔ)。自2003年以來，國家先后批準(zhǔn)了河北晉州、山東單縣、江蘇如東和湖南岳陽等多個(gè)秸稈發(fā)電示范項(xiàng)目。截至2005年底，已發(fā)展戶用沼氣池1800多萬戶，建成大型畜禽養(yǎng)殖場沼氣工程和工業(yè)有機(jī)廢水沼氣工程約1500處，沼氣年利用量達(dá)到約80 億m3，全國生物質(zhì)發(fā)電總裝機(jī)容量約200萬kW，其中蔗渣發(fā)電約170萬kW，垃圾發(fā)電約20萬kW，其余為稻殼等農(nóng)林廢棄物氣化發(fā)電和沼氣發(fā)電等。截至2013年底，除青海省、寧夏回族自治區(qū)、西藏自治區(qū)以外，全國已經(jīng)有28個(gè)?。ㄊ?、區(qū)）開發(fā)了生物質(zhì)能發(fā)電項(xiàng)目。全國累計(jì)核準(zhǔn)容量達(dá)到12226.21MW，其中并網(wǎng)容量7790.01MW，占核準(zhǔn)容量的63.72%。到2015年，我國生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)達(dá)到1300萬kW，其中農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電800萬kW、沼氣發(fā)電200萬kW、垃圾焚燒發(fā)電300萬kW，分別為2010年裝機(jī)量的4.0、2.5和6.0倍。

圖16　生物物質(zhì)發(fā)電廠的流程圖

對二元有機(jī)朗肯循環(huán)生物質(zhì)技術(shù)在小規(guī)模分布式發(fā)電中應(yīng)用的關(guān)注正在日益增加。一個(gè)典型的系統(tǒng)是由一個(gè)生物質(zhì)進(jìn)料鍋爐和一個(gè)有機(jī)朗肯循環(huán)模塊與熱油循環(huán)相耦合（圖16）。生物質(zhì)燃料通過一個(gè)與使用傳統(tǒng)蒸汽鍋爐相似的燃燒過程。用作傳熱介質(zhì)的熱油有許多優(yōu)點(diǎn)，包括在鍋爐中的低壓力，大慣性和對負(fù)載變化不敏感，簡單而且安全的控制和操作。此外，所采用的熱側(cè)溫度（低于350℃）保證了油較長的使用壽命。由熱油中攜帶的熱量傳給有機(jī)蘭金循環(huán)，并轉(zhuǎn)換成電能。精心挑選的有機(jī)液體，如八甲基三硅氧烷（OMTS）和烷基苯，保證了循環(huán)的最佳運(yùn)行。冷凝熱量被用于產(chǎn)生80至120℃溫度的熱水，適用于區(qū)域供熱和其它加熱過程，如木材干燥和吸附制冷。

中等規(guī)模（100～1500kW）的生物質(zhì)有機(jī)朗肯循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠已經(jīng)成功地在商業(yè)中運(yùn)行，而幾千瓦的小規(guī)模系統(tǒng)仍然處在開發(fā)之中。隨著技術(shù)日趨成熟和成本效益，裝置的數(shù)量迅速增加。截至目前，大部分設(shè)施都在歐洲，其中有代表性的幾個(gè)是奧地利利恩茨的施塔特瓦爾姆（1000 kWe）、巴伐利亞的紹埃爾拉（700kWe），南蒂羅爾的多比亞科（1100 kWe）和奧地利的富巴赫（1500 kWe）。

世界各地已經(jīng)安裝有幾百個(gè)裝置，但現(xiàn)有裝置的技術(shù)數(shù)據(jù)仍然非常稀少。根據(jù)奧地利發(fā)布的兩個(gè)示范工廠—阿德蒙特?zé)犭娐?lián)產(chǎn)電廠（400 kWe）和利恩茨（1000 kWe）的評估報(bào)告，利恩茨生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠提供了城鎮(zhèn)集中供熱（60000兆瓦時(shí)/年）和并入電網(wǎng)的發(fā)電電力（7200兆瓦時(shí)/年）。該工廠全自動(dòng)化，提供具有優(yōu)異的部分負(fù)荷運(yùn)行和18%的發(fā)電效率，整個(gè)裝置的效率達(dá)到82%。具體安裝成本估計(jì)約為2765D/kW電力，其發(fā)電成本隨燃油價(jià)格及產(chǎn)能利用率的不同，在9～14CD/kWh范圍內(nèi)。

9　結(jié)論

本文綜述了有機(jī)朗肯循環(huán)在可再生能源中的應(yīng)用方式和和國內(nèi)外的發(fā)展概況。這些應(yīng)用包括太陽能熱力發(fā)電，太陽能光熱驅(qū)動(dòng)的反滲透海水淡化和發(fā)電制冷，復(fù)式朗肯制冷，太陽池發(fā)電系統(tǒng)，海洋熱能轉(zhuǎn)換，生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)電廠等。

能源是國家經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)力發(fā)展的支柱，是國家強(qiáng)盛的動(dòng)力。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，中國的能源需求必將快速增長，能源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)三者之間的矛盾需要更好地科學(xué)的加以協(xié)調(diào)。合理調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，加快可再生能源發(fā)展十分重要。

10　參考文獻(xiàn)

Bertrand F.Tchanche？，Gr.Lambrinos，A.Frangoudakis，G.Papadakis，Renewable and Sustainable Energy Reviews，ustainable Energy Reviews 15（2011）

The Utilization of Renewable and Sustainable Energy（Part two）

ZHOU Zicheng

With the human progress and development of productivity，energy consumption is growing.Conventional energy on earth is limited.The utilization of renewable energy and sustainable energy has become very important.This paper outlines the approach of renewable energy and sustainable energy utilization，with emphasis on the application of organic Rankine cycle.

Renewable Energy；Sustainable Energy；Utilization

X-382 文獻(xiàn)標(biāo)示碼:B

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.02.016

ISSN1005-9180（2016）02-081-08

2016-3-25

周子成（1935-），男，教授，主要從事制冷空調(diào)的理論研究和新產(chǎn)品設(shè)計(jì)。Email:zichengzhou@163.com