中低温太阳能热发电系统的初步设计与分析

摘要：在煤炭、石油、天然气等常规能源日益枯竭，人类对于清洁能源的需求与日俱增，在如此大环境之下，太阳能以它取之不竭，用之不尽、可再生、清洁的特性成为了新的时代宠儿。在太阳能转换为电能的形式中，中低温范围太阳能集热器相对成熟，在规模上可大可小，可有效形成分布式能源系统。提出一种有效利用太阳能发电的系统，该系统基于有机朗肯循环，采用低沸点工质作为循环工质，对该系统在理想循环与实际循环分析。重点研究太阳能中低温发电系统的组成、运行原理、热力过程、已经系统热力循环的特点。分析光，热，动，电的转换，换热；蓄热、蓄能技术。

关键词：太阳能；有机朗肯循环；发热；蓄热

引言：太阳能热高温发电存在瓶颈并且不适合我国国情，在中低温太阳能发电系统中，传统以水为工质的朗肯循环发电技术下发电利用的热经济性较差。近年来随着有机朗肯循环（Organic Ｒankine Cycle———OＲC）等中低温动力循环技术的发展。中低温太阳能发电系统的热经济性得到有效改善。中低温太阳能资源发电的潜力开始被重新审视，已经有一些中低温太阳能OＲC 发电系统在运行。因此研究中低温有机朗肯循环热发电系统具有很广大的前景，在工程上也会有很重大的意义。研究的内容即设计中低温有机朗肯循环太阳能发电系统的过程。太阳能发电系统、工质、膨胀机的选择比较、传热机理研究、强化传热技术、换热、蓄热技术。

正文：

太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（3.75*10^26W）的22亿分之一^[3]，但已经高达1.73*10^17w，换句话说，太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤^[3]。并且地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是源于太阳;即使是地球上的化石燃料，从根本上来说，也是远古以来储存下来的太阳能。

中国的太阳能资源非常丰富。根据中国气象科学研究院的研究，有2/3以上的国土面积年日照在2000h以上，年平均辐射量超过了0.6Gj每平方厘米，各地太阳太阳年辐射量大致在930~2300千瓦时没平方米之间^[3]，但是我国太阳能光热发电刚刚起步，由于其成本高、效率低和规模小等限制，当前太阳能热利用率仅占我国一次能源的百分之一。^[3]太阳能热利用要突破瓶颈，有效提高在一次能源利用中的比重和实现国家节能减排目标，大力发展适合我国特点的中低温太阳能发电技术是必然之路。

太阳能高温发电存在瓶颈，太阳能热发电主要有槽式聚焦系统、塔式聚焦系统、碟式聚焦系统和反射菲涅尔聚焦系统等4种方式。在光电效率方面，除了碟式达到30%以上，其他3种基本为15%左右。^[21]目前，制约太阳能热发电发展的主要技术障碍是聚光成本较高，在不稳定太阳辐照下的系统光学效率和热功转换效率低和太阳能发电规模难以实现突破。“这些太阳能发电技术并未完全成熟。”太阳能高温发电的核心技术尚未掌握，引进国外技术和照搬国外模式需付出巨额的经济代价，聚光装置和蓄能部件、复杂昂贵。需要进一步跟踪。并且存在镜场面积大等等问题，而且由于常用水蒸气作为工作介质，需要一定温度才有一定的技术经济性。太阳能中低温发电新思路相对于目前聚集高温热发电的单一太阳能发电模式，中低温太阳能互补发电技术具有独特的优势，可与多种能源耦合互补，实现稳定高效发电。

从热力学角度分析，热功转换技术需要解决四个主要问题: 循环、工质、冷热源及做功，其中循环是前提、工质是基础、冷热源是条件、膨胀做功是关键。中低温热能发电可以实现能源品味提升并且其利用方式灵活具有较高的经济效应。目前典型的热功转换发电技术主要包括以下几种方式: 有机朗肯循环 ( Organic Rankine Cycle: ORC )、卡琳娜循环 ( Kalina Cycle)、水蒸气朗肯循环 ( Steam Rankine Cycle) 、Stirling 循环、Ericsson 循环以及热电效应转换^[2] 等。相比之下有机朗肯循环的优点最为突出，其效率高、适应性强、简单方便、使用寿命长、维修费用低^[19] 并且ORC 热发电系统的冷凝端可实现热水及暖气输出，100-250℃的集热温度可实现热能驱动的制冷循环，中低温相变蓄热技术易于实现系统的稳定持续运行^[1]。中低温热能发电采用了低沸点的有机工质代替水，吸收热源温度在低温条件下获得较高的蒸汽压力，推动涡轮机做工，适合广泛运用于各种低温发电领域^[13]。