太阳能有机朗肯循环热发电研究进展

第18卷第2期肩淹f寶；爾

2 0 18 年 2 月 REFRIGERATION AND AIR-CONDITIONING 12-16

太阳能有机朗肯循环热发电研究进展

张永峰王子龙

(上海理工大学，能源与动力学院）

摘要有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，简称ORC)足利用低沸点的有机物作为工质推动透平做功

的朗肯循环，ORC技术能够有效的利用低品位热能。太阳能是一种清洁％普遍存的、巨大的低品®能源。

ORC技术与太阳能结合，对曹能减排，降低化石能源依赖，优化能源供给结构具有重要的现实意义。本文

在分析总结国内外相关研究成果的基础上，分析了太阳能集热系统的主要影响因素以及有机朗肯循环系统

中的关键因素对于循环性能的影响。

关键词太阳能；有机朗肯循环；集热系统；循环性能影响因素

Research progress of solar thermal power generation Organic Rankine Cycles

Zhang Yongfeng Wang Zilong

(University of Shanghai for Science and Technology, School of Energy and Power Engineering)

ABSTRACT The organic Rankine cycle(organic Rankine cycle，ORC) is applied to drive

the turbine to do work with the organic low boiling point refrigerant, ORC technology can

effectively use the low-grade heat. Solar energy is a kind of clean, widespread and huge

low-grade energy. The combination of ORC technology and solar energy has an important

significance for energy conservation and emission reduction, reduction of fossil energy de­

pendence? and optimization of energy supply structure. Based on the analysis of relevant

research results published by domestic and foreign researchers? main factors affecting the

analysis of solar heating system and the key factors in organic Rankine cycle system in

effect on cycle performance were studied.

KEY WORDS solar energy ； organic rankine cycle ； thermal system ； circulation performan­

ce factors

随着化石能源的不断消耗以及自然环境的不 断恶化，人们越来越重视可再生能源和清洁能源的开发和利用。而太阳能是蕴藏最丰富的可再生能源之一[1]，拥有广阔的研究前景，我国的太阳能 资源又相当丰富[2_5]，合理应用有利于缓解当前的能源问题。太阳能虽然具有资源分布广泛，总量 巨大，清洁的特点，但同时也存在单位面积能暈密度低，资源存在间歇性，受昼夜、天气、季节等影响 巨大，空间分布不断变化的局限性。相比于常规能源，太阳能的局限性使得对其充分利用更加困难。

目前，世界上太阳能发电技术主要有光伏发电和聚焦型太阳能光热发电。光伏发电由于光伏电池本身的成本较高，并且效率低，目前只适用于 小规模或家庭用户发电。与光伏发电相比，太阳 能热发电在经济性能、技术及环保等众多方面具有较大优势，从长远角度看，光热发电比光伏发电 更加理想。

传统的高温太阳能光热发电系统通常采用水蒸气朗肯循环，水蒸气的热力特性决定了当热源温度低于371 °C时，系统运行的经济性显著下降. 为保障热源温度，系统需要采用大面积、高聚焦比 的聚焦集热方式，这会使系统的运行维护更加复杂，造价昂贵。由于热源温度高，系统通常采用熔 盐进行蓄热，但熔盐的熔点高，夜间需要保温，电站的寄生耗电高[_。

收稿日期：2〇17-〇9-15

作者简介：张永峰，在读研究生，研究方向为太阳能有机朗肯发电。

第2期张永峰等:太阳能有机朗肯循环热发电研究进展•13 •

有机朗肯循环系统采用有机工质代替传统朗 肯循环的水蒸气，可以实现中低温热能的发电应用，目前广泛应用于工业废热、地热、太阳能、生物 质能利用等领域。将有机朗肯循环与太阳能利用相结合，可以降低系统的工作温度、初投资成本和 运行成本，使系统运行更加安全可靠。

1太阳能集热器

太阳辐射具有分散性强，能流密度低的特点，为提高太阳能集热器的出口温度，引人了太阳能低倍聚光器，常见的低倍聚光器是复合抛物面聚光器。太阳能集热器作为太阳能有机朗肯循环系统的热源，其性能的好坏直接影响整个太阳能O R C系统的性能。根据聚光方式的不同可分为点 聚焦与线聚焦两种系统，点聚焦系统主要包括塔式太阳能热发电和碟式太阳能热发电系统；线聚 焦系统主要包括槽式太阳能热发电和菲捏尔式热 发电。其中，槽式系统在上世纪90年代初期实现 了商业化，是目前最为成熟的太阳能热发电技术，碟式和塔式系统目前正处于商业化示范阶段。相 比于碟式和塔式系统，槽式太阳能集热器的集热温度较低。本节主要介绍槽式太阳能集热器的研究现状。

槽式太阳能集热器（图1)属于聚焦跟踪型集热器，具有一个抛物线横截面的槽式反射器，基于 抛物线的特性，可将投射到反射板上的太阳光线汇聚到位于反射镜面的焦点上的接收器上，而接 收器再将热量传递给导热介质。由于聚焦的作用，在接收器上形成的能流密度较高，因此，可以 在有限的时间将导热介质提高到较高的温度。

国内外针对槽式太阳能集热器进行了大量研 究，针对槽式太阳能集热器的研究主要集中在聚光集热特性、流动传热特性、集热效率以及近年来对集热管表面热应力和热流密度的分布。

Marco Binotti等采用第一光学法，建立三维数学模型，研究太阳光人射角、反射镜横向和纵向 的坡度误差、反射镜的反射误差对槽式太阳能集热器聚光特性的影响，并通过光线追踪法对模型进 行验证[7]。Z.D.Cheng等采用蒙特卡罗（Monte Carlo)光线追踪模型模拟槽式集热器的几何参数对其在理想光学情况和存在光学误差的情况下的 集热特性的影响和集热器对光学误差的敏感程度[s]。肖杰等把蒙特卡罗光线追踪法(M CRT)与有 限容积法（F V M)相结合，对槽式太阳能集热器进行聚光特性模拟™。分析光不平行夹角、几何聚光 比和边界角对太阳热流密度分布的影响。东朝阳 等通过分析管长、流速和流体温度、太阳辐射强度 和环境温度对集热器热效率的影响，并给出了几个改进方面[1°]。Hongbo L ia n g等比较3种基于 光线追踪的不同光学模型下槽式集热器的几何参数对其光学效率的影响

S.D.Oden等对太阳能发电系统中的D S G槽 式太阳能集热器进行模拟分析，分析不同辐射条件和不同集热管尺寸对集热器的传热流动的影响[12]。韦彪以D S G太阳能槽式真空集热器为研究对象，建立D S G集热器模型，并运用蒙特卡罗光 线追踪法进行辐射计算及分析，通过研究集热器几何聚光比和边界角对集热器吸热管表面圆周方向热流密度分布的影响和集热器的聚光特性[13"4]。高志超等针对30m2槽式太阳能集热器装置，研究集热器关键结构参数和运行参数对其性能的影响规律[15]。

2有机工质

工质的物性对动力循环的性能影响较大，因此，有机工质的选择和物性研究是太阳能O R C发 电系统的重要内容[16]。早期的有机朗肯循环工质 为氨水、二甲醚等有机物，当前O R C工质大概分为以下几类：制冷剂类、烷烃类、芳香烃类与硅氧烷类。

有机工质的选择一般从工质的环保性能、化 学稳定性、安全性、临界参数，正常沸点及凝固温度、流动及换热性能及价格成本几个方面考虑[17]。

近年来，国内外学者对太阳能O R C工质选择 和系统参数优化上进行了诸多深人研究。Bahaa Saleh等在设定的低温太阳能的工况下，通过理论 计算得出31种纯工质的循环效率，再进行分析对 比表明，R236ea、R245ca、R245fa、R600、R600a、R601a、R E13 和 RE245 工质比较适宜™。

Tchanche