基于復(fù)疊朗肯循環(huán)的太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化和關(guān)鍵單元的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、有機(jī)工質(zhì)由于低沸點(diǎn)的特性，在中低溫條件下可以獲得較高的蒸汽壓力，推動(dòng)膨脹機(jī)做功。相比于水蒸氣朗肯循環(huán)，有機(jī)朗肯循環(huán)(organic Rankine cycle，ORC)可以在低環(huán)溫下很好地運(yùn)行;由于凝固點(diǎn)低，冬季可以防凍;低功率下渦輪設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單;用干工質(zhì)能避免水蒸氣循環(huán)中由高過(guò)熱度引起的平均吸熱溫度和循環(huán)效率降低的問(wèn)題。而太陽(yáng)輻照具有分散性強(qiáng)、能流密度低、易于轉(zhuǎn)化為中低溫?zé)嵩吹谋举|(zhì)，將其與ORC結(jié)合起來(lái)有很好的應(yīng)用前景，但同時(shí)太陽(yáng)能O

2、RC面臨著發(fā)電效率較低，不可逆損失大等挑戰(zhàn)。
　　單級(jí)ORC系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單目前被廣泛地應(yīng)用，但是單級(jí)系統(tǒng)只適用于冷熱源溫差較小的情形。在大冷熱源溫差下采用單級(jí)系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致透平多級(jí)膨脹，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)十分復(fù)雜，而容積式膨脹機(jī)一般內(nèi)置比體積比較小，也不適用于大冷熱源溫差的單級(jí)ORC系統(tǒng)中。采用復(fù)疊朗肯循環(huán)系統(tǒng)可以解決以上的弊端，用在大冷熱源溫差下可以提高熱功轉(zhuǎn)換效率且使透平的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，因此有廣闊的應(yīng)用前景，但目前復(fù)疊朗肯循環(huán)系統(tǒng)的研

3、究還很少。
　　本文圍繞復(fù)疊朗肯循環(huán)系統(tǒng)在不同情形下的應(yīng)用進(jìn)行了研究，具體內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　1)提出將復(fù)疊朗肯循環(huán)用于太陽(yáng)能與液化天然氣(liquefied natural gas，LNG)相結(jié)合的發(fā)電系統(tǒng)，集熱器收集到的熱能驅(qū)動(dòng)頂部循環(huán)Ⅰ中工質(zhì)的蒸發(fā)，循環(huán)Ⅰ釋放的熱量驅(qū)動(dòng)底部循環(huán)Ⅱ中工質(zhì)的蒸發(fā)，LNG是循環(huán)Ⅱ的冷源。提出了等效效率對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，它表示由于增加太陽(yáng)能集熱器而產(chǎn)生的額外發(fā)電量和接收到的太陽(yáng)輻照之比。闡明

4、了等效效率與已有的熱效率、冷能效率和(炯)效率相比的優(yōu)勢(shì)。研究了工質(zhì)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，集熱裝置為平板和真空管集熱器。分析表明只有等效效率才能體現(xiàn)太陽(yáng)能與LNG結(jié)合的效能。當(dāng)采用異戊烷/R125和真空管集熱器時(shí)最大等效效率為5.99％。相比于單級(jí)LNG-ORC系統(tǒng)，復(fù)疊系統(tǒng)中膨脹機(jī)的壓比小很多，因此渦輪的設(shè)計(jì)和制造更加簡(jiǎn)單。
　　2)提出將復(fù)疊朗肯循環(huán)用于拋物面槽式集熱器(parabolic trough collector,PTC

5、)的熱發(fā)電系統(tǒng)，頂部和底部分別為蒸汽朗肯循環(huán)和ORC。頂部循環(huán)采用對(duì)氣液混合物具有良好適應(yīng)性的螺桿膨脹機(jī)(screw expander, SE)。蒸汽直接在PTC中蒸發(fā)并在SE中膨脹，蒸汽冷凝釋放的熱量用來(lái)驅(qū)動(dòng)ORC。該系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢(shì):避免了過(guò)熱蒸汽、適宜的運(yùn)行溫度和壓力、集熱和蓄熱的技術(shù)要求很低，非常適合于分布式熱發(fā)電。采用10種工質(zhì)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了計(jì)算，熱源和冷源溫度分別為473/313 K，473/293 K，523/313 K

6、和523/293 K。結(jié)果表明對(duì)應(yīng)于理論最大熱發(fā)電效率的ORC蒸發(fā)溫度與SE內(nèi)置壓比不匹配。為了使系統(tǒng)發(fā)電效率達(dá)到最大，且使底部ORC透平設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，SE將不可避免地在變工況下運(yùn)行，系統(tǒng)的熱效率為13.68-15.62％。
　　3)基于已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了一個(gè)SE變工況模型，可以近似地反映實(shí)際等熵效率隨運(yùn)行壓比的變化。并用該模型對(duì)基于蒸汽螺桿膨脹機(jī)的直膨式復(fù)疊朗肯循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明當(dāng)采用內(nèi)置比體積比為5的SE，在直射輻射為

7、800W/m2時(shí)最大熱發(fā)電效率為13.74-15.45％。當(dāng)SE內(nèi)置比體積比為3.5時(shí)發(fā)電效率為13.12-15.11％。分析了熱源溫度和直射輻射對(duì)發(fā)電效率的影響。由于SE良好的變工況性能，低內(nèi)置比體積比對(duì)發(fā)電效率的負(fù)面影響并不明顯。
　　4)提出了一個(gè)等效熱源溫度(TEHST)的新指標(biāo)，它來(lái)源于理想熱力學(xué)過(guò)程，但可以反映實(shí)際ORC效率。對(duì)17種工質(zhì)的研究表明在給定的運(yùn)行工況下更高的TEHST對(duì)應(yīng)的ORC效率更高。它比已有的臨界溫

8、度、沸點(diǎn)、雅各布斯數(shù)和品質(zhì)因數(shù)等指標(biāo)更有普適性。進(jìn)一步建立了基于誤差傳遞和補(bǔ)償法的ORC模型，定量地反映了ORC效率與TEHST的關(guān)系。該模型由液汽曲線上的熱力學(xué)參數(shù)組成，與過(guò)熱狀態(tài)工質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)，因此更方便。與傳統(tǒng)模型計(jì)算的效率相對(duì)偏差為-0.7％到3.4％。基于相平衡數(shù)據(jù)對(duì)一種新工質(zhì)HFO1336mzzZ用新模型進(jìn)行了熱力學(xué)性能分析。結(jié)果表明在高蒸發(fā)溫度和低泵效率下HFO1336mzzZ比R245fa的性能更好。
　　5)搭建