太阳能有机朗肯循环发电系统设计

太阳能有机朗肯循环发电系统设计

1背景：

太阳能是可再生的绿色能源。白天，在标准太阳光照下，即大气质量AM1.5、温度为25℃的条件下，辐射强度为1000W/m2，如果可以把这些能量用来发电，我们的能源紧张的问题肯定能得到缓解。若发电效率达到一定值，肯定能解决能源紧张和现有的化石燃料污染环境的问题

近年来，有机朗肯循环的研究工作正在大力进行，它是利用低温热源的热量输出机械能或发电的理想方式。可利用的热源种类包括：太阳能、生物质能、地热能以及工厂发热等。与朗肯蒸汽动力循环相似，不同的是有机朗肯循环使用的工质是有机物，因此相对于蒸汽循环，工质的蒸发温度可以减低。Fenton 等介绍了利用以R113 为循环工质，利用太阳能发电灌溉的系统[1]。有机朗肯循环的经济性直接决定于循环工质的热力学性质。因此应该选择合适的循环工质，评价标准包括循环效率高、排气比容小、工作压力正常及环境友好等。有些学者针对循环工质的评价标准，做出了相关的探讨。不同的循环工质需要单独的设计循环设备，从而决定循环设备投资大于运行费用。对于实际运行而言，有机工质的性质如环境友好性、化学稳定性等对有机朗肯循环也具有重要的影响。

在有机朗肯循环发电中，有机工质的选择是很重要的一点。有机朗肯循环工质的选择应尽量满足以下要求:

(1) 工质的安全性( 包括毒性、易燃易爆性及对设备管道的腐蚀性等) . 为了防止操作不当等原因导致工质泄漏, 致使工作人员中毒, 应尽量选择毒性低的流体.

(2) 环保性能. 很多有机工质都具有不同程度的大气臭氧破坏能力和温室效应, 要尽量选用没有破坏臭氧能力和温室效应低的工质, 如HFC 类、HC 类、FC 类碳氢化合物或其卤代烃.

(3) 化学稳定性. 有机流体在高温高压下会发生分解, 对设备材料产生腐蚀, 甚至容易爆炸和燃烧, 所以要根据热源温度等条件来选择合适的工质.

( 4) 工质的临界参数及正常沸点. 因为冷凝温度受环境温度的限制, 可调节范围有限, 工质的临界温度不能太低, 要选择具有合适临界参数的工质.

( 5) 工质廉价、易购买.

2工作原理：

有机朗肯循环系统包括泵、蒸发器、膨胀机、发电机、冷凝器等。集热器吸收太阳辐照，集热器内换热介质温度升高，换热介质通过蒸发器把热量传给有机工质。有机工质在蒸发器中定压加热，高压的气态有机工质进入膨胀机膨胀做功，带动发电机发电；膨胀机尾部排出的有机工质进入冷凝器中定压冷凝，冷凝器出口的有机工质经过泵加压后进入蒸发器完成一次发电循环。

图1 有机朗肯循环原理图

图2 工质的热力循环过程

3计算

3.1原始资料：

设计一个有机朗肯循环发电系统。太阳能热水器热水作为热源，热水进口温度90℃，出口温度85℃。冷去水温度为环境温度，20℃。发电系统总功率10kw，机械效率0.98，发电机效率0.99。不考虑换热损失，不考虑蒸汽做功过程中的不可逆因素。

3.2要求：

选择合适的有机工质及其工作温度范围，画出T－S图。确定热水流量、冷却水流量、工质流量，最大发电效率。

3.3计算步骤：

经过阅读文献[1],[]2],[3]，选择干工质R123为循环工质。

图2 中的热力学过程与图1 对应,1-2为膨胀做功过程，2-3为等压冷凝过程，3-4为工质升压过程，4-5-6-1为定呀加热及蒸发过程，其中4-5为过冷段，5-6为蒸发段，6-1为过热段。

假设工质的蒸发温度为80℃，冷凝温度为30℃，过热度为2℃

膨胀机的等熵效率设为0.85，即i η=0.85。工质泵的效率设为0.72，即p η=0.72。 由上述已知条件，经过查图查表[4]的方法确定各点的状态参数。其中2点参数的确定方法，先由等熵过程S7=S1，再根据等压过程P7=P3，可确定h7。4点焓值的确定方法类似。再由等熵效率7

121h h h h i --=η得出)(7112h h h h i --=η，得出各点状态参数如下：

kg kJ h h h h W P net /08.2372.0/)26.230232()5.404430(/)()(3421=---=---=η吸收量kg kJ h h Q /198********=-=-=

循环效率%66.11198

08.23===Q W net C η 蒸发温度的平均对数温差为℃21.780

858090ln 8590=---='∆k

t 蒸发器实际传热温差为℃）（）（ 6.3882

-9032-85ln 82-90-8590=-=∆k t 冷凝温度的平均对数温差为℃21.725

-3020-30ln 20-25=='∆o t 冷凝器实际传热温差为℃3.825322030ln )2532()2030(=-----=∆o t 假设的蒸发温度和冷凝温度，计算得到的蒸发温度对数温差与蒸发器实际传热温差，冷凝温度的对数温差与冷凝器实际传热温差都相差不大，在允许范围内。所以假设的蒸发温度

和冷凝温度合适，计算成立。若两者温差较大则需要重新假定温度进行计算。 实际功率kW P P v m e

307.1098

.0*99.010===ηη 工质流量h t s kg h h P M /455.1/4042.05

.404430307.10210==-=-= 根据热平衡方程：

)()(3202h h M c t t M P B B -=-'

)()(4101h h M c t t M P A A -='- 冷却水流量h t s kg c t t h h M M P B B /1.12/35.32

.4)2025()26.2305.404(4042.0)()(3202==⨯--⨯=-'-= 热水流量h t s kg c t t h h M M P

A A /7.13/81.32.4)8590()232430(4042.0)()(4101==⨯--⨯=-'-= 最大发电效率%5.12)232430(4042.010)(410=-⨯=-=

h h M P e η

参考文献：

[1] 乔卫来,陈九法,薛琴,郑红旗.太阳能驱动有机朗肯循环的工质比较[J].能源研究与利用.2010:31-36

[2] 李晶.太阳能有机朗肯循环中低温热发电系统的数值优化及实验研究[D].北京：2011

[3] 王辉涛,王华.低温太阳能热力发电有机朗肯循环工质的选择[J].动力工程.2008(29):287-291

[4] 余晓福.水和水蒸汽热力性质图表[M].北京:高等教育出版社,2009