我国太阳能有机朗肯循环研究现状

朱正良，张 华

（上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093）

随着石油、煤炭、天然气等化石能源迅速消耗，太阳能作为一种可再生的清洁能源，其开发利用已经受到世界各国的普遍关注。我国是一个能源消耗大国，其中工业能源消费量占总消费量的70%以上［1］。为了转变能源发展方式，加速能源结构调整，加强大气和环境保护，我国在节能减排的同时，高度重视非化石能源发展，制定了到2020年非化石能源占一次能源消费比重达到15%、2030年达到20%的战略目标［2］。由此可以看出，太阳能发电具有广阔的前景和巨大的市场空间。太阳能具有照射分散性强、能流密度低、易于转化成中低温热源的物理特性，而有机朗肯循环则是一种低温发电技术，两者相结合可以形成基于太阳能的有机朗肯循环发电系统。与大规模、高聚焦比的太阳能高温热发电方式相比，太阳能有机朗肯循环发电不需要通过复杂的聚光系统来保证集热管有足够的热量，因此有机朗肯循环发电系统初期投资较少，风险低，建设周期短，适合大规模普及应用。

1 太阳能热动力发电

20世纪80年代中期以来，人们对已建成的太阳能热动力发电站进行了大量实验研究和分析，认为太阳能热动力发电从技术上是可行的，只是电站投资过大。但发展到现在，随着技术的提高，发电成本已经降到5～6美分·（kW·h）-1，可以和常规热电站竞争［3］。我国具有丰富的太阳能资源，超过2/3的土地面积每年接收的太阳辐射超过5.02 × 106kJ·m-2。按照国际通用标准，太阳直射值（DNI）只要大于每年1 800 kW·h·m-2，太阳能热发电就会具有较好的经济效益［4］。目前太阳能发电主要分为两种，太阳能光伏发电和太阳能热发电。本文主要研究的是聚焦型太阳能热发电（CSP）。CSP具有成本低、效率高，相对光伏发电对环境更加友好等特点，尤其是带有储热系统的热发电站，可以全天稳定发电。所以从长远角度看，太阳能光热发电比光伏发电更理想。我国自“七五”计划起开始了对太阳能热的利用研究，经过30年的努力，我国在太阳能聚光方法及设备、高温传热储热、电站设计、集成以及控制方面，已经取得了实质性成果［5］。目前我国太阳能光热技术已形成了较完整的体系，掌握了一批光热发电的核心技术，如高精度高反射率反射镜、高精度双轴跟踪控制系统、高热流密度下的传热、太阳能热电转换系统等。我国太阳能光热技术无论是在市场规模、技术成熟度，还是核心技术方面都处于世界领先水平。例如，我国自主研发的太阳能真空集热管在150℃工作温度时，集热效率可达45%，达到世界领先水平。太阳能集热设备分为槽式、塔式、盘式、条式等不同种类，其中槽式热发电站最早商业化，应用最为广泛。虽然槽式太阳能集热系统接收器长，散热面积大，热损耗相对较大，但所需零件种类不多，易于大批量生产，所以大部分太阳能集热设备均采用槽式集热器。太阳光经反射槽反射并聚焦在集热管上，可使集热管达到近300 ℃或更高温度，集热管内的工质被加热后进行下一步热交换，最后通过发电机做功发电。太阳能集热器的作用相当于一个低温热源，工质被加热后通过热交换器将热量传递给有机工质，然后结合有机朗肯循环系统进行低温发电。同时为太阳能集热系统配备储热装置，白天日照强烈，可将多余热量储存在储热罐中；夜晚太阳光照少，储油罐放出热量。这样既保证系统可全天候持续发电，又使系统更加稳定、安全。

2 我国有机朗肯循环研究现状

有机朗肯循环可用于回收余热、废热，是太阳能等新能源利用的理想方式。1924年国外就开始研究采用低沸点有机工质的有机朗肯循环，但真正发展是在近一、二十年。目前国外该技术已趋于成熟并市场化。然而我国针对太阳能发电的研究在近二十年都集中在高温领域，近年来才开始重视低温太阳能有机朗肯循环发电。同时国内专业生产制造有机朗肯循环发电机组的公司也是寥寥无几。而且我国在能源回收利用以及清洁能源的开发上没有足够的意识，是一个能源高消耗低产出的国家。近年来我国对有机朗肯循环发电系统的研究越来越多，但是技术水平相较国外还是有很大差距。国内的研究大多是理论研究或计算机模拟，主要包括工质优选、循环优化、循环对比、实验研究、部件分析等，基于实际应用或实验的较少，这也就造成了有些实际应用上的问题一直未被发现或解决。因此，我国有机朗肯循环发电技术未能实现实质性的突破。

2.1 太阳能有机朗肯循环发电基本原理

太阳能有机朗肯循环发电系统主要包括集热器、储热罐、油水热交换器、发电机组以及冷却塔等。集热器吸收太阳能加热导热油，然后通过热交换将热量传递给高温水，最后传递给有机工质，有机工质膨胀做功，带动发电机组发电。太阳能有机朗肯循环系统如图1所示，图中：T为温度测点；M为流量测点。该系统共有四种工质，分别为水、有机工质、导热油以及冷却水，分别对应各自的循环。

图1 太阳能有机朗肯循环系统Fig.1 Solar organic Rankine cycle system

高温导热油循环：太阳能集热槽反射太阳光聚焦在集热管上，集热管将热量传递给导热油。导热油温度升高变成高温导热油进入储油罐中，经过辅助电加热调节温度，然后流经热交换器，与水发生热交换后通过油泵再回到太阳能集热管中，开始下一轮循环。其中可以通过调节储油罐中辅助电加热装置的功率来调节导热油的温度。储油罐作为一个储热装置起到稳定系统温度、保护系统平稳安全运行的作用。高温水循环：水作为一种中间介质在两个换热器之间流动。水流经第一个油水换热器与油发生热交换吸收热量，然后在第二个发电机组的热交换器中将热量传递给制冷剂，然后再回到油水热交换器中。有机工质循环：制冷剂在发电机组的热交换器中吸收热量后变为高压蒸汽，通入膨胀机中做功，带动发电机发电。从膨胀机出口排出的乏汽在冷凝器中凝结后并经制冷剂泵再进入热交换器中，完成循环。

2.2 有机朗肯循环工质的研究

有机朗肯循环工质的物性是该发电技术的关键，也是影响有机朗肯循环性能的重要因素之一，且对发电机组的设计有影响。有机朗肯循环工质必须同时满足运行安全、环境危害性小、传热性能好等要求。按饱和汽化线形状将工质分为干工质和湿工质。湿工质的膨胀过程在饱和汽化线以下，处于两相区。由于工作环境复杂，气液两相流膨胀机还是一个世界性难题，所以大多不考虑使用湿工质。目前，针对有机朗肯循环工质的研究很多，例如：顾伟［6］针对温度低于100℃的驱动热源，计算了分别采用R21、R123和R245fa时有机朗肯循环系统的性能，结果表明，综合考虑环保、循环性能等因素，R245fa是较理想的循环工质；乔卫来等［7］研究了供热温度为100℃、冷却温度为30℃的有机朗肯循环工质的优化选择，以满足较高的循环效率、较大的机械能输出为目的。通过RKS（Redlich-Kwong-Soave）状态方程，分析了19 种有机工质的动力循环参数，发现工质R11 的热力学性能系数最高。结合GWP（全球变暖潜势） 和ODP（消耗臭氧潜能值）环境指标，发现R142b、Rc318 和R600 适合于低温朗肯循环。叶依林［8］在不同的蒸发温度条件下对有机朗肯循环热力循环特性进行了计算分析，从蒸发压力、热效率、功比、膨胀比和汽耗率等方面进行了比较，结果表明，R601是适合该循环系统的最佳工质。刘杰［9］选择R134a、R245fa、 R407c、 RC318、 R123、 R22、 水 和R11等八种工质进行理论研究，建立了热力学模型，并对有机朗肯循环特性进行了分析，结果表明，在100℃左右的低温热源下，R245fa是最合适的工质。有机朗肯循环工质的选择需考虑很多因素，比如化学稳定性、环境友好、安全，还有使用工况以及设计的系统温度。从目前的研究来看，太阳能有机朗肯循环发电中选用R245fa工质的较多。可以看出，我国对有机朗肯循环工质的选择和性能优化的研究很多，几乎涵盖了各种应用领域和温度范围。但是大多数结果是通过模拟得到，在应用平衡方程或状态方程时部分工况会被理想化，与实际情况还有些差距，但是这些结果对实际应用具有参考作用。

2.3 循环性能分析方法

有机朗肯循环发电技术在低温发电方面有显著的优点和广阔的前景，所以研究提高发电效率是该技术的关键。从目前国内的研究来看，一般均采用热效率、㶲效率或输出功率等单一指标评价和优化有机朗肯循环系统的性能。从能量转换系统的几种分析方法来看，热效率分析法只是基于热力学第一定律的简单分析方法［10］，不能揭示系统内损失发生机制。以热力学第二定律为基础的㶲分析方法可以揭示循环中各过程发生㶲损的规律，为热力系统改善和优化提供指导。就热力学第二定律而言，系统㶲效率随着蒸发温度升高先升高后减小，存在一个最大㶲效率，系统总不可逆损失随着蒸发温度升高先减小后升高，存在一个最小系统不可逆值。20世纪80年代后㶲经济分析法在国外就逐渐发展成为一种成熟、完善的方法［12］。目前国内科研人员在研究有机朗肯循环效率时大多采用㶲分析方法来建立发电系统的㶲分析模型。而在工程实际应用中，工程技术人员大多将热效率作为系统机组的评价依据，因为相对来说它更加直观易懂。

2.4 目前面临的问题和改善方法

目前我国在太阳能有机朗肯循环研究中存在的主要问题是理论研究较多，多采用Matlab软件［12］编程模拟以及一些状态方程、平衡方程等。如冯黎明［13］利用能量方程、连续性方程、气体流动方程及传热方程，建立了活塞式膨胀机的Matlab/Simulink软件计算模型，分析了不同设计参数和运行工质对膨胀机输出功、效率和工质流量的影响规律。所得出的结论为膨胀机的设计奠定了理论基础，但并未在实际应用得到验证。我国有机朗肯循环发电的实验性研究较少，这也和实验台搭建选型设计较难以及实验设备价格不菲有关。一方面，我国对中低温工业余热技术的利用没有推广普及，相关企业没有利用低温余热发电的意识，再加上工业上中低温余热品味低，利用难度高，所以大多被废弃。另一方面，我国有机朗肯循环低温发电的市场并没有完全成形，目前还没有专业的生产有机朗肯循环发电机组用作商业用途的公司。以上原因导致我国有机朗肯循环技术一直没有得到突破性进展，仍维持在起步阶段。科研人员应进行更多的实验，将实验数据与理论分析结果进行对比验证，找出问题并对系统、部件进行优化，将理论与实践相结合。同时应大力推广低温余热发电技术，将其应用到实际生产中。目前我国工业余热废热回收利用规模不大，而基于太阳能的有机朗肯循环发电更是刚刚起步。随着国家对于清洁能源的不断重视，政策的大力推广，相信太阳能有机朗肯循环发电发展空间会得到拓展。近年来已有公司致力于有机朗肯循环发电机组的研究和生产。

3 结束语

本文综述了太阳有机朗肯循环发电的基本原理，目前国内的太阳能热发电技术、有机朗肯循环发电研究的现状，以及工质的选择、循环性能分析方法、目前面临的问题和改善方法。我国针对有机朗肯循环的研究很多但大多是关于工质优选、系统优化、部件分析等，且处于理论分析研究和计算机模拟阶段，并没有很多科研单位通过实验验证模拟得到的结论，而理论模拟对于一些复杂工况一般忽略或取理想状态，不能完全代表实际工况，造成理论研究偏离工程实际。而且国内中低温余热发电市场刚刚起步，市场规模较小。虽然国外有机朗肯循环发电技术已经成熟并广泛应用，但对我国一直处于技术封锁状态。改善的方法就是科研单位应该加大科研力度，进行更多的实验，将理论和实践相结合。同时国家和企业应推广这种清洁能源的研发和利用，扩大市场规模，吸引更多的研发人员进行研究。