浅谈太阳能低温有机朗肯循环
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太 阳能低温有机朗肯循环系统利用有机工质低沸 点的特点 ， 巧妙地应用低温太阳能技术发 电， 解决了太 阳能利用的高精度设备制造问题 ，大大降低 了设备制 造成本 ， 同时循环过程又有高效 、 节能、 环保的特点 ， 完 全符合当代社会节约能源保护环境的需要。因而近年
一
能源与 节能， １（ ： ２ ２ １ ）— ． ０ ５１
２ 有机 工质 的选择
［ ４］ 韩 中合 ， 叶依林． 基于太阳能的有机朗肯循环低温发 电工质
的选择 ［ ］ 东电力，０ １３ （ ）９ ２ ９ ６ Ｊ． 华 ２ １ ，９ ６ ：５ — ５ ．
Ｏ Ｃ系统既然是使用有机物作为工质 ，有机物的 ［ ］ 顾 伟 ， Ｒ ５ 翁一武 ， 王艳杰， 低 温热能有机物发 电系统 热力 等． 物理性质对系统 的运行就至关重要。选取哪种工质对 分析［ ］ Ｊ． 太阳能学报，０ ８ ９５： ８ ６ ２ ２０ ， （） ０ — １． ２ ６ 系统 的安全性 、 热效率 、 经济性能都有很大影响。 （ 责任 编辑 ： 张 楠） 在工质选择使用方面许多研究人员在各个角度从 各个方面做出了有益 的探索 ， 对于 Ｏ Ｃ系统较为常用 Ｒ 能 源 知 识 恭 恭 恭 芥 带 的工质有 Ｒ ４ｆ、 ６０ Ｒ １Ｒ ２ 等 。 ２５ Ｒ ０ 、 ２ 、 １３ ］这几种有机物 ａ 分子式较为简单 ， 标准沸点都在 ３ ℃以下 ， Ｏ 临界温度 油页岩的分布 低于 ２ ０ ｏ 。臭氧层衰减指数（ Ｄ ） ０ Ｃ Ｏ Ｐ 和温室效应指数 世 界上 已发 现 的非 常规 油气 资 源大 多位 于地缘 政 （ ＷＰ 都较低 （ Ｄ 要 求低 于 ０ ５ Ｇ Ｇ ） ＯＰ ． ，ＷＰ尽 可能小 ） ０ 。 治相对稳定的西半球 ， 即美 国、 加拿大和拉 丁美洲 ， 美 而且这几种气体都是无毒工质 ，不会 因有机工质泄漏 而造成人员中毒事故。而经过研究表 明以上几种工质 国是 全球 油 页岩 资源 最丰 富 的 国家 ，储量 约 占全球储 ０ Ｘ 的热力学特性 良好 ， 能够高效的利用太阳能。 近期有的 量的 ７％ｒ上 ；加拿大是全球沥青砂资源最丰富的 国 家 ， 量 约 占全球 储 量的 ９％￣ 。全 球 油 页岩 资 源十 储 ０ Ｘ上 学者提 出开发一种混合工质 ，利用工质混合后具有 的 分丰 富，据不完全统计其蕴藏资源量约有 １ ×１挖ｔ ０ ０ ， 新特性来解决制约 Ｏ Ｃ技术发展的瓶颈问题。 Ｒ ０ ２０ 世 在实际应用 中能否大规模推广应用 的关键在于工 比煤炭 资源 量 多 ４ ％。 ０ ０年 初统 计 ， 界 页岩 油储 量 超过 １ ０×１。ｔ 国 家有 美 国 、 罗斯 、 伊 尔、 ０ 的 俄 扎 巴西 、 质的经济性即工质的价格 ，如果工质难 以制备价格高 约旦 、 澳大利亚、 爱沙尼亚和 中国等 ， 页岩油总 昂那么在实际生产中发 电成本就会很高 ，太阳能有机 摩洛哥 、 ４ １ ｔ Ｘ ０ 预计全世界 页岩油资源总量约为 ４７０ ５ 朗肯循环技术就不具备市场竞争力 ，这种新型环保的 量 为 ３７ １ 。 ， ×１。ｔ比传 统石 油 资源量 （ １ ０ ， ２７０×１ ｔ多 ５％￣上 。 ０ ） ０ Ｘ 技术就不能造福人类 ， 保护环境 。因此 ， 能否作为合适 油 页岩不仅 资源丰 富 ，而且 分布 相对 集 中。在 美 的有机朗肯循环工质取决于工质的经济性能、 环保性 、 国， 大约 ７％ ５ 的油页岩集中在科 罗拉 多州、 犹他 州和怀 安全性 、 以及在朗肯循环中的物理性质的优 良。 俄 明 州。 探 明 资源量排 位 ， 国继美 国、 按 中 巴西、 苏联 前 ３ 结语 之后位居世界第四。 中国油页岩探明资源量 ３５ 。 ， １ １ ｔ ｘ０
ｃ ｌ ｃ ｏ ａ ｎ ｒ ｙ Ｒｅａ ｅ ｑ ｉ ｍｅ ｔ ｓｅ ｓ ｎ ｆ ｃ ｕ ｅ ｌｗ ｏ ｔ ｈｇ ａｕ ｎ ｒ ｓ ｅ ｔ ． ｏｌ ｔ ｌ ｒｅ ｅ ｇ ． ｌｔ ｄ ｅ ｕｐ ｎ ａ ｙ ｔ ｍａ ｕ ａ ｔ ｒ ｏ ｃ ｓ， ｉｈ ｖ ｌｅ ａ ｄ ｐ ｏ ｐ ｃ ｅ ｓ ｉ ｏ ｓ Ｋｅ ｒ ｓ ｏ ａ ｎ ｒ ； ａ ｋ ｎ ｙ ｌ ； ｎ ｒ ｙ ｃ ｎ ｅ ｖ ｔ ｎ ｏ ｇ ｎ ｃ ｙ ｗｏ ｄ ：ｓ ｌｒｅ ｅ ｇ ｒｎ ｉ ｅ ｃ ｃ ｅ ｅ ｅ ｇ ｏ ｓ ｒ ａｉ ； ｒ ａ ｉ ｙ ｏ
收稿 日期 ：０ ２ ０ — ６ ２ １— １ １
太阳辐射到地球的能量 ， 相当于燃烧 ５０ × ０ｔ ｓ ０ １ ／ 标准煤所发出的能量∞ 如何收集这部分能量集热器 的 ］ 。 设计至关重要。集热器部分一般采用 ２ 个关于中轴线 对称 的二维抛物面几何形状或者平板形状 。两抛物线 焦 点在 一条 曲线 上 。这 ２ 设 计结 构 生产 简 单造 价 较 种 低， 虽然集热效果没有聚光型集热器好 ， 但还是能够达 到中低温集热效果的。 １ 循 环部 分 ． ２ 有机工质循环部分主要 由冷凝器、 和循环泵 、 蒸发 器、 透平机械组成。气体首先在泵 中被加压 ， 由于此时 工质 的温度与环境温度较为接近 ，所以工质向环境散 热忽略 ， 次过程近似为绝热升压过程。工质焓值增加 。 由于有机工质沸点较低 ，经冷凝泵加压后 的低温高压 气体在蒸发器中吸热进行定压加热过程变成高温高压
器 带 动 电机转 子转 动 ，最 终 实现 太 阳能 转换 为 电能 的
过程。
图 １ 有 机 郎 肯循 环 结构 示 意 图
１１ 集热 器部 分 ．
１ Ｏ Ｃ系统简 介 Ｒ
图１ 为有机朗肯循环结构示意图，有机工质在集 热器部分受热转化为高压蒸汽 释放能量 ， 吸收的 将 太阳能转化为透平机械的机械能 ，透平机械通过联轴
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ｄｅ ｃ ｂ ｄ ｔ ｅ ｓ ｌｒｌ ｗ— ｅ ｅ ａｕ ｅ ｏ ｇ ｎ ｃ Ｒａ ｋ ｎ ｙ ｌ ｅ ｈ ｏｏ ｈ ｔ ａ ｏｖ ｈ ｒ ｂ ｅ ｏ ｏ ｏ ｅ ｃｅ ｔ ｓ ｒ ｅ ｈ ｏａ ｏ ｔｍｐ ｒ ｔｒ ｒ ａ ｉ ｎ ｉ ｅ ｃ ｃｅ ｔｃ ｎ ｌｇ ｔ ａ ｎ ｓ ｌｅ ｔ ｅ ｐ ｏ ｌ ｍ ｆｈ ｗ ｔ ｆ ｉ ｎ ｙ ｉ Ｃ ｉ ｌ
关键词 ： 太阳能 ； 朗肯循环 ； 节能； 有机 中图分 类号 ： Ｔ ５９ Ｋ １ 文献标 识码 ： Ａ 文章编 号： ２９ — ８ ２ （０ ２ — ０ ９ ０ ０ ５ ０ ０ 一２ １￣３ ０ １— ２
Ｏｎ ｔ ｅ Ｓ ｌｒ Ｌ ｗ－ ｅ ｐ ｒ ｔ ｒ ｒ ａ ｉ ｎ ｉ ｅ Ｃｙ ｌ ｈ ｏａ ｏ ｔｍ ｅ ａ ｕ ｅＯ ｇ ｎｃ Ｒａ ｋ ｎ ｃｅ
２１ ０ ２年第 ３期 （ 总第 ７ 期 ） ８
Ｅ ＥＧ Ｎ Ｎ Ｒ ＹＣ Ｎ ＥＶ Ｔ Ｎ Ｎ Ｒ ＹＡ ＤＥ ＥＧ ０ ＳＲ Ａ Ｉ Ｏ
ｉ ｉ ｌ与
１ Ｉ 圭
２１年 ３ ０２ 月
浅谈太 阳能低 温有机 朗肯循环
李 波
（ 华北 电力大学动力工程系 ， 河北 保 定 ０ １０ ） ７ ００ 摘 要 ： 叙 述 了太阳能低温有机 肯循 环技术 ， 该技术 解决 了如何 高效 的收 集太 阳能的 问题 ， 同时相 关设备 易于制造成本 较低 ， 具有很 高的应用价值和前景 。
０ 引 言
太 阳能作为 １ 种可再生能源 ，一直受到人们 的青 睐 ， 是 太 阳能辐 射 照度 能量 密 度较 低 ， 在夜 间或 阴 但 且 雨天及 多云天气时， 太阳能不能被利用ｎ。太 阳能发 电 ］ 技术分为光伏发 电和热发电 ２种。低温朗肯循环属于 热发 电部 分 ［。太 阳能低 温技术 较为 简单 ， 需太 阳能 无 高温技术复杂的设备及高昂成本而具有较好的发展前 景。 Ｏ Ｃ系统以低沸点的有机物为工质 ，从低倍太 阳 Ｒ 能聚 焦 装 置 中获取 热 能从 而 具 有 很 高 的蒸 汽 压 力 ， 推 动透平机械做功 ， 从而带动发电机发电。 有机朗肯循环 可 以以低 温 物质 为热 源 ，从 而解 决 了低 温 热 源 中 的能 量不能被传统发电设备利用的难题。现阶段的太 阳能 有机朗肯循环设备技术还在探索 阶段但其 良好 的低温 特性 已经得到认 可各 国学者都在对完善 Ｏ Ｃ系统进 Ｒ 行着 不懈 的努力 。
・
作者简介 ： 李
波 ，９ ０ 生， ， １９ 年 男 河北顺平人 ，０ ３ ２ １年将 毕业于华 北 电力大学热能与动力工程专 业， 读本 科生。 在
ｌ ・ ９
２２ 第３ ０年 期 １
纷源暑 钍 － ；
２２ 月 ０ 年３ １
蒸汽。 有机物凭借系统温压差到汽轮机中膨胀做功。 这 个 过程可 以看成是绝热膨胀 过程 ，所 以理论效率 为 １０ ０％。从汽轮机膨胀做功后的低压气态工质再次到冷 凝 器 中绝热 加 压 ， 成整个 循环 过程 。 完
来受到了相关学者的高度重视 ，科研人员在系统可行 性方面已经完成验证。现在 已有不少学者通过 回流再 热、 采用混合工质 、 抽气 回热 、 低温热循环与光伏发 电 混合等措施在理论上对系统完善工作做 出了有益的尝 １３ 系统优 点 ． 试 。 目 ， 阳光照强度强度不稳定、 间系统不能工 前 太 夜 有机朗肯环的设备相对简单 、 适用性强 ， 同时不产 作、 系统功率低等问题都亟待解决 ， 而且 系统控制设计 生有害气体 ， 对环境不产生 污染 ， 因而， 其研究与应用 块在国内还为空白。 Ｒ Ｏ Ｃ系统从理论到实际 ， 真正实 越来越受到人们的青睐Ｈ 系统工作压力较传统水蒸气 现产业化 ，走进人们的 日常生活方便千家万户还有一 ］ 。 循环系统而言较低 ， 所以设备管道壁面厚度小 ， 传热过 段路要走。但是 ， 我们坚信随着科学技术的飞速发展 ， 程中的不可逆热损失较小。 同时由于设备压力较小 ， 导 太 阳能低温有机朗肯循环技术一定能够得到完善 ， 为 致透平机械末节叶片尺寸减小 ，减小了设备的占地面 社会 的进 步 贡献一份 力量 。 积 。在 整个 循 环过 程 中除在 泵 中工 质 的状 态一 直保 持 参 考文献 ： １ 白华夏 ， 李克营， 太 阳能相 变蓄热复合 土壤 源热 等． 气态 ， 对机械部件不易造成损伤 。有机工质声速很小 ， ［ ］ 王侃宏 ， 泵系统的研 究［ ］ Ｊ． 能源与节能，０ １ ７ ：２ ２ ． ２ １ （ ）２ — ８ 所 以设备工作转速很低 ，减小了因高转速而带来的离 ２］ 王晓 张 非共沸工质用 于太阳能低 温朗肯 心应力问题 ， 设备制造强度就可 以降低 ， 从而减小了设 ［ 赵 力 ， 东， 启． 循 环的理论研究【 ］ 阳能学报，０ ９ ３ （ ）７ ８ ７ ３ Ｊ． 太 ２０ ，０ ６ ：３ — ４ ． 备制造成本 。 工质的沸点较低 ， 就允许工质在较低 的环 ［ ］ 王希季 ， 桂 ． 空间太阳能电站引发新技术产业革［ ］ ３ 闵 发展 Ｊ． 境温度下工作而影响设备能源转换效率。
Ｌ Ｉ Ｂｏ
（ ｅ ａｔ ｎ ｆ ｏ ｒ ｎ ｉｅ ｒ ｇ Ｎ ｒ ｉａＥｅ ｔｃＰ ｗｅ ｎｖ ｒｉ ， ａ ｄｎ ７ ０ ， ｅ ｅ， ｉ ） Ｄ ｐｒ ｍｅ ｔ ｗｅ ｇｎ ｅｉ ， ｏ ｈＣｈｎ ｌｃｒ ｏ ｒ ｉ ｓｙ Ｂ ｏ ｉｇ０ １ ０ Ｈ ｂ ｉＣｈ ａ ｏＰ Ｅ ｎ ｔ ｉ Ｕ ｅ ｔ ０ ｎ
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能源与 节能， １（ ： ２ ２ １ ）— ． ０ ５１
２ 有机 工质 的选择
［ ４］ 韩 中合 ， 叶依林． 基于太阳能的有机朗肯循环低温发 电工质
的选择 ［ ］ 东电力，０ １３ （ ）９ ２ ９ ６ Ｊ． 华 ２ １ ，９ ６ ：５ — ５ ．
Ｏ Ｃ系统既然是使用有机物作为工质 ，有机物的 ［ ］ 顾 伟 ， Ｒ ５ 翁一武 ， 王艳杰， 低 温热能有机物发 电系统 热力 等． 物理性质对系统 的运行就至关重要。选取哪种工质对 分析［ ］ Ｊ． 太阳能学报，０ ８ ９５： ８ ６ ２ ２０ ， （） ０ — １． ２ ６ 系统 的安全性 、 热效率 、 经济性能都有很大影响。 （ 责任 编辑 ： 张 楠） 在工质选择使用方面许多研究人员在各个角度从 各个方面做出了有益 的探索 ， 对于 Ｏ Ｃ系统较为常用 Ｒ 能 源 知 识 恭 恭 恭 芥 带 的工质有 Ｒ ４ｆ、 ６０ Ｒ １Ｒ ２ 等 。 ２５ Ｒ ０ 、 ２ 、 １３ ］这几种有机物 ａ 分子式较为简单 ， 标准沸点都在 ３ ℃以下 ， Ｏ 临界温度 油页岩的分布 低于 ２ ０ ｏ 。臭氧层衰减指数（ Ｄ ） ０ Ｃ Ｏ Ｐ 和温室效应指数 世 界上 已发 现 的非 常规 油气 资 源大 多位 于地缘 政 （ ＷＰ 都较低 （ Ｄ 要 求低 于 ０ ５ Ｇ Ｇ ） ＯＰ ． ，ＷＰ尽 可能小 ） ０ 。 治相对稳定的西半球 ， 即美 国、 加拿大和拉 丁美洲 ， 美 而且这几种气体都是无毒工质 ，不会 因有机工质泄漏 而造成人员中毒事故。而经过研究表 明以上几种工质 国是 全球 油 页岩 资源 最丰 富 的 国家 ，储量 约 占全球储 ０ Ｘ 的热力学特性 良好 ， 能够高效的利用太阳能。 近期有的 量的 ７％ｒ上 ；加拿大是全球沥青砂资源最丰富的 国 家 ， 量 约 占全球 储 量的 ９％￣ 。全 球 油 页岩 资 源十 储 ０ Ｘ上 学者提 出开发一种混合工质 ，利用工质混合后具有 的 分丰 富，据不完全统计其蕴藏资源量约有 １ ×１挖ｔ ０ ０ ， 新特性来解决制约 Ｏ Ｃ技术发展的瓶颈问题。 Ｒ ０ ２０ 世 在实际应用 中能否大规模推广应用 的关键在于工 比煤炭 资源 量 多 ４ ％。 ０ ０年 初统 计 ， 界 页岩 油储 量 超过 １ ０×１。ｔ 国 家有 美 国 、 罗斯 、 伊 尔、 ０ 的 俄 扎 巴西 、 质的经济性即工质的价格 ，如果工质难 以制备价格高 约旦 、 澳大利亚、 爱沙尼亚和 中国等 ， 页岩油总 昂那么在实际生产中发 电成本就会很高 ，太阳能有机 摩洛哥 、 ４ １ ｔ Ｘ ０ 预计全世界 页岩油资源总量约为 ４７０ ５ 朗肯循环技术就不具备市场竞争力 ，这种新型环保的 量 为 ３７ １ 。 ， ×１。ｔ比传 统石 油 资源量 （ １ ０ ， ２７０×１ ｔ多 ５％￣上 。 ０ ） ０ Ｘ 技术就不能造福人类 ， 保护环境 。因此 ， 能否作为合适 油 页岩不仅 资源丰 富 ，而且 分布 相对 集 中。在 美 的有机朗肯循环工质取决于工质的经济性能、 环保性 、 国， 大约 ７％ ５ 的油页岩集中在科 罗拉 多州、 犹他 州和怀 安全性 、 以及在朗肯循环中的物理性质的优 良。 俄 明 州。 探 明 资源量排 位 ， 国继美 国、 按 中 巴西、 苏联 前 ３ 结语 之后位居世界第四。 中国油页岩探明资源量 ３５ 。 ， １ １ ｔ ｘ０
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过程。
图 １ 有 机 郎 肯循 环 结构 示 意 图
１１ 集热 器部 分 ．
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关键词 ： 太阳能 ； 朗肯循环 ； 节能； 有机 中图分 类号 ： Ｔ ５９ Ｋ １ 文献标 识码 ： Ａ 文章编 号： ２９ — ８ ２ （０ ２ — ０ ９ ０ ０ ５ ０ ０ 一２ １￣３ ０ １— ２
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太 阳能作为 １ 种可再生能源 ，一直受到人们 的青 睐 ， 是 太 阳能辐 射 照度 能量 密 度较 低 ， 在夜 间或 阴 但 且 雨天及 多云天气时， 太阳能不能被利用ｎ。太 阳能发 电 ］ 技术分为光伏发 电和热发电 ２种。低温朗肯循环属于 热发 电部 分 ［。太 阳能低 温技术 较为 简单 ， 需太 阳能 无 高温技术复杂的设备及高昂成本而具有较好的发展前 景。 Ｏ Ｃ系统以低沸点的有机物为工质 ，从低倍太 阳 Ｒ 能聚 焦 装 置 中获取 热 能从 而 具 有 很 高 的蒸 汽 压 力 ， 推 动透平机械做功 ， 从而带动发电机发电。 有机朗肯循环 可 以以低 温 物质 为热 源 ，从 而解 决 了低 温 热 源 中 的能 量不能被传统发电设备利用的难题。现阶段的太 阳能 有机朗肯循环设备技术还在探索 阶段但其 良好 的低温 特性 已经得到认 可各 国学者都在对完善 Ｏ Ｃ系统进 Ｒ 行着 不懈 的努力 。
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作者简介 ： 李
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来受到了相关学者的高度重视 ，科研人员在系统可行 性方面已经完成验证。现在 已有不少学者通过 回流再 热、 采用混合工质 、 抽气 回热 、 低温热循环与光伏发 电 混合等措施在理论上对系统完善工作做 出了有益的尝 １３ 系统优 点 ． 试 。 目 ， 阳光照强度强度不稳定、 间系统不能工 前 太 夜 有机朗肯环的设备相对简单 、 适用性强 ， 同时不产 作、 系统功率低等问题都亟待解决 ， 而且 系统控制设计 生有害气体 ， 对环境不产生 污染 ， 因而， 其研究与应用 块在国内还为空白。 Ｒ Ｏ Ｃ系统从理论到实际 ， 真正实 越来越受到人们的青睐Ｈ 系统工作压力较传统水蒸气 现产业化 ，走进人们的 日常生活方便千家万户还有一 ］ 。 循环系统而言较低 ， 所以设备管道壁面厚度小 ， 传热过 段路要走。但是 ， 我们坚信随着科学技术的飞速发展 ， 程中的不可逆热损失较小。 同时由于设备压力较小 ， 导 太 阳能低温有机朗肯循环技术一定能够得到完善 ， 为 致透平机械末节叶片尺寸减小 ，减小了设备的占地面 社会 的进 步 贡献一份 力量 。 积 。在 整个 循 环过 程 中除在 泵 中工 质 的状 态一 直保 持 参 考文献 ： １ 白华夏 ， 李克营， 太 阳能相 变蓄热复合 土壤 源热 等． 气态 ， 对机械部件不易造成损伤 。有机工质声速很小 ， ［ ］ 王侃宏 ， 泵系统的研 究［ ］ Ｊ． 能源与节能，０ １ ７ ：２ ２ ． ２ １ （ ）２ — ８ 所 以设备工作转速很低 ，减小了因高转速而带来的离 ２］ 王晓 张 非共沸工质用 于太阳能低 温朗肯 心应力问题 ， 设备制造强度就可 以降低 ， 从而减小了设 ［ 赵 力 ， 东， 启． 循 环的理论研究【 ］ 阳能学报，０ ９ ３ （ ）７ ８ ７ ３ Ｊ． 太 ２０ ，０ ６ ：３ — ４ ． 备制造成本 。 工质的沸点较低 ， 就允许工质在较低 的环 ［ ］ 王希季 ， 桂 ． 空间太阳能电站引发新技术产业革［ ］ ３ 闵 发展 Ｊ． 境温度下工作而影响设备能源转换效率。
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