（动力工程及工程热物理专业论文）低品位热能驱动的热电联产有机朗肯循环系统优化与评价.pdf

e v a l u a t ea n do p t i m i z et oc o m b i n e dh e a t i n g a n d p o w e r - o r g a n i c r a n k i n e c y c l es y s t e m w i t hl o wg r a d eh e a ts o u r c e at h e s i ss u b m i t t e dt oc h o n g q i n gu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o r t h e m a s t e r sd e g r e eo fe n g i n e e r i n g b y q h o n gg u a n g s u p e r v i s e db yp r o f z h a n gx i n - - m i n g s p e c i a l t y ：p o w e re n g i n e e r i n g a n d e n g i n e e r i n gthermoph)1h e r m o p h y s l c s c o l l e g eo fp o w e re n g i n e e r i n go f c h o n g q i n gu n i v e r s i t y , c h o n g q i n g ，c h i n a m a y 2 0 12 中文摘要 摘要 以有机朗肯循环( o r g a n i cr a n k i n ec y c l e ，o r c ) 为基础的热电联合( c o m b i n e d h e a t i n ga n dp o w e r , c h p l 能源利用技术是一项近年来快速发展的能源综合利用技 术。生活社区或商业建筑中使用以太阳能、地热能和生物质能等低品位热能为驱 动能的小型c h p o r c 系统同时为用户提供热能和电能的能源解决方案，可以提高 能量利用率。c h p o r c 能源利用方式可以有效降低煤炭、石油等一次能源使用， 并减少温室气体排放。从而c h p o r c 系统在经济性和环境友好性等方面比传统能 源利用方式有更大的优势。 本文的主要工作着眼于由低品位热能驱动的小型建筑用c h p o r c 系统。分别 对背压式、外置热泵式和内置热泵式三种c h p o r c 系统进行能效和热经济分析研 究。采用能效分析方法对这三种c h p o r c 系统进行优化和评价。得出这三种 c h p o r c 系统随蒸发温度变化下的能效指标。 对o r c 系统的工质选择和最佳充液量进行分析研究。对适应于o r c 系统的 工质选择指标进行评价。分别从工质的工作效率、安全性和环保性对工质的选取 进行了分析。在系统最佳充液量的问题中，提出了一个简化的充液模型并依此简 化模型搭建系统充液试验台。将充液模型的计算结果与充液实验结果进行对比， 得出在该模型下的o r c 系统的最佳充液范围。 本文根据低品位热能的利用特点，提出以系统的单位净输出功率下的传热面 积( a r e ap o w e rr a t i o ，a p r ) ，以及系统的单位净输出功率对应的汽轮机中工质的体 积流量( v o l u m ep o w e rr a t i o ，v p r ) 为系统经济性优化目标函数。以板式换热器为例， 对o r c 系统中的换热部件进行计算分析。得出在a p r 和v p r 参数为指导下蒸发 器优化指标( 最佳夹点温差、过热度和蒸发温度) 。 最后使用多层次熵值法的综合评价方法对o r c 系统进行分析优化。采用综合 评价方法将之前给出的能效评价指标和热经济评价指标综合起来。先对普通o r c 系统的蒸发温度进行优化分析，得到在热源温度为9 5 下以r 2 4 5 f a 为工质的简单 o r c 系统最佳蒸发温度。再对背压式、外置热泵式和内置热泵式三种c h p o r c 系统在相同的功热比下进行综合评价。得出背压式c h p o r c 系统在所给的功热比 下总体评价结果最高。并使用该种评价方法将能效性能、安全性和环保性评价指 标综合，对所给的有机工质进行评价，得出结论为在所给的背压式c h p o r c 系统 中r 6 0 0 的综合评价结果最高。 关键词：有机朗肯循环，热电联合，综合评价，能效分析，热经济分析 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t c u r r e n t l y , t h ec o m b i n e dh e a t i n g a n dp o w e r ( c h p ) s y s t e mw h i c hb a s e do n o r g a n i cr a n k i n ec y c l e ( o r c ) i s ar a p i d d e v e l o p i n gt e c h n o l o g y a b o u tt h e c o m p r e h e n s i v e u t i l i z a t i o no fe n e r g y t h es o l a r , g e o t h e r m a l ，b i o m a s sa n do t h e r l o w g r a d eh e a tr e s o u r c e sd r i v i n gs m a l ls c a l ec h p o r cs y s t e mi nl i v i n gc o m m u n i t i e s a n dc o m m e r c i a lb u i l d i n g sp r o v i d et h ei d e a lh e a ta n de l e c t r i c i t yf o rt h ec o n s u m e r s i tc a n r i s et h ee n e r g yu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c ya n dr e d u c et h ec o n s u m p t i o no ff o s s i lf u e l sw i t ht h e a p p l i c a t i o no ft h i sn o v e ls y s t e m i na d d i t i o n ，t h eg r e e n h o u s eg a se m i s s i o ni sd e c r e a s i n g c o n s e q u e n t l y , t h ec h p o r cs y s t e mh a sag r e a t e ra d v a n t a g eo nt h ee c o n o m i ca n d e n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l yt h a nt r a d i t i o n a le n e r g yu t i l i z a t i o ns y s t e m s i nt h i st h e s i s if o c u so na c k n o w l e d g i n ga n dc h a r a c t e r i z i n go fs m a l l - s c a l e c h p o r cw o r k i n gf o rb u i l d i n g s t h r e ec h p o r cs y s t e m s ( b a c kp r e s s u r e ，e x t e r n a l h e a tp u m pa n db u i l t - i nh e a tp u m pt y p ec h p o r cs y s t e m ) a r eo p t i m i z e da n de v a l u a t e d b yu s i n ge n e r g ye f f i c i e n c ya n a l y s i sm e t h o d t h ee n e r g ye f f i c i e n c ym e t r i c so ft h et h r e e c h p o r cs y s t e m si sc a l c u l a t e db yt h ed i f f e r e n tv a p o rt e m p e r a t u r e t h es e l e c t i o nm e t r i c so ft h eo r g a n i cf l u i d so ft h eo r cs y s t e ma n do p t i m a lf i l l i n g r a t i o si sa n a l y z e d s e v e r a lf a c t o r s ( f o ri n s t a n c e ，w o r ke f f i c i e n c y , s a f e t ya n d e n v i r o n m e n t a lc o n s e r v a t i o n ) a r ei n v e s t i g a t e d t oc h o o s et h e o r g a n i cf l u i d s t h e e x p e r i m e n ta n dt h es i m p l i f i e dm a t h e m a t i c a lm o d e l a r ee s t a b l i s h e df o rm eo p t i m a lf i l l i n g r a t i o so ft h eo r c s y s t e m 。t h eo p t i m a lf i l l i n gr a t i o so f t h eo r c s y s t e mi so b t a i n e da f t e r c o m p a r e do fe x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dc a l c u l a t i o nr e s u l t s a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h el o w - g r a d eh e a tr e s o u r c e ，ac o m p r e h e n s i v e s y s t e me c o n o m i co p t i m i z a t i o nf u n c t i o nw h i c hi n c l u d e st w of a c t o r s ( a p ra n dv p r li s p r o p o s e d a p rm e a n st h e r a t i oo ft o t a lh e a tt r a n s f e ra r e a ( t h ea r e ao fc o n d e n s e rp l u s t h a to fe v a p o r a t o r ) a n dn e tp o w e rg e n e r a t e dw h i l ev p rd e n o t e st h er a t i oo fv o l u m ef l o w o fw o r k i n gf l u i di nt u r b i n ea n dn e tp o w e ro ft h es y s t e m t a k i n gp l a t eh e a te x c h a n g e rf o r e x a m p l e ，t h eb e s tp i n c hp o i n ti n t h ee x c h a n g e r , t h ed e g r e eo ft h es u p e r h e a ta n d e v a p o r a t i o na r eo b t a i n e db a s eo nt h ea p r a n dv p r p a r a m e t e r s w h a t sm o r e ，t h eo r cs y s t e mi se v a l u a t e da n do p t i m i z e db yt h eh i e r a r c h y p r o c e s s - e n t r o p ym e t h o d t h eh i e r a r c h yp r o c e s s - e n t r o p ym e t h o di s ac o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o nm e t h o dw h i c hc a ng e tac o m p r e h e n s i v ee v a l u a t ef o rt h eo r cs y s t e m i n i t i a l l y , t h eo p t i m i z e de v a p o r a t i o nt e m p e r a t u r eo fas i m p l eo r cs y s t e mi sa n a l y z e db y 重庆大学硕士学位论文 t h eh i e r a r c h yp r o c e s s e n t r o p ym e t h o d t h e n ，t h r e ec h p o r cs y s t e m s ( b a c kp r e s s u r e ， e x t e r n a lh e a tp u m pa n db u i l t i nh e a tp u m pt y p ec h p - o r cs y s t e m ) i se v a l u a t e da tt h e t h r e es a m ep o w e r - h e a tr a t i o s t h er e s u l ts h o w st h eb a c kp r e s s u r ec h p o r cs y s t e m p e r f o r m a n c et h eb e s ti nt h et h r e et y p ec h p - o r cs y s t e m u l t i m a t e l y , s e v e no r g a n i c f l u i d sa r ee v a l u a t e db yt h eh i e r a r c h yp r o c e s s e n t r o p ym e t h o d t h er e s u l td e m o n s t r a t e s r 6 0 0i st h eb e s to r g a n i cf l u i df o r t h eb a c kp r e s s u r ec h p o r cs y s t e m k e y w o r d s ：o r g a n i cr a n k i n ec y c l e ，c o m b i n e dh e a t i n ga n dp o w e r , c o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o nm e t h o d ，e n e r g ye f f i c i e n c ya n a l y s i s ，t h e r m o e c o n o m i c s a n a l y z i n g i v 目录 目录 中文摘要i 英文摘要i i i 主要符号表i x 1 绪论一1 1 1 研究背景1 1 1 1 能源形势与o r c 发展机遇1 1 1 2 有机朗肯循环的历史2 1 2o r c 基本情况2 1 2 io r c 系统循环介绍2 1 2 2o r c 工质与蒸汽朗肯循环的比较3 1 2 1 3 典型o r c 应用4 1 3c h p 系统的研究历史与现状9 1 4 本文主要工作11 2c h p o r c 循环参数优化与能效分析1 3 2 1 三种太阳能c h p o r c 系统结构1 3 2 1 1 背压式太阳能c h p o r c 系统1 4 2 1 2 外置热泵式c h p o r c 系统1 4 2 1 3 内置热泵式c h p o r c 系统l5 2 2 系统循环热力计算1 7 2 2 1 背压式c h p o r c 系统热力计算1 7 2 2 2 外置热泵式c h p o r c 系统热力计算1 8 2 2 3 内置热泵式c h p o r c 系统热力计算1 9 2 3c h p o r c 系统能效评价2 0 2 3 1c h p o r c 系统能效评价指标2 0 2 3 2 系统热力计算与能效指标分析2 2 2 3 3 能效评价的结论2 8 2 4 本章小结2 8 3c h p o r c 工质的选择与充液2 9 3 1o r c 系统的工质选择2 9 3 1 1 有机工质干湿性2 9 3 1 2 热源温度对有机工质的影响31 v 重庆大学硕士学位论文 3 1 3 工质冷凝压力的要求3 2 3 1 4 工质安全性指标3 3 3 1 5 ： 质环保性指标一3 3 3 2o r c 系统工质的充液3 4 3 2 1o r c 充液率模型简化与实验搭建3 5 3 2 2 换热器内两相流动模型一3 6 3 2 3o r c 系统充液率计算3 6 3 2 4 实验结果及分析3 7 3 2 5o r c 工质充液实验结论一3 9 3 3 本章小结4 0 4o r c 换热器计算与热经济分析4 1 4 1 换热器选型4 l 4 2 系统经济性优化方法4 1 4 2 1 低温太阳能发电o r c 系统经济性优化目标函数4 2 4 2 2 优化方法与计算：r 具4 2 4 3 计算过程4 2 4 4 蒸发器与冷凝器计算4 4 4 4 1 蒸发器设计计算4 4 4 4 2 冷凝器设计计算4 7 4 5 基于a p r 和v p r 的热经济性指标o r c 系统参数优化分析一4 8 4 5 1o r c 系统蒸发温度的优化4 8 4 5 2 蒸发器夹点温差的优化5 2 4 5 3 蒸发器过热度的优化5 3 4 6 本章小结。5 5 5c h p o r c 多指标综合评价5 7 5 1 多指标综合评价分析法5 7 5 1 1 层次分析法5 8 5 。1 2 熵值法一5 8 5 1 3 用熵值法确定权重的层次分析法操作步骤5 9 5 1 4a h p 熵值法综合评价特点5 9 5 2o r c 系统参数的多指标优化6 0 5 2 1 简单o r c 系统蒸发温度的多指标优化6 0 5 2 2c h p o r c 系统多指标分析6 3 5 2 3c h p o r c 系统工质的多指标评价7 1 v i 目录 5 3 本苹小结7 4 6 结论与展望7 7 6 1 结论7 7 6 2 展望7 8 致谢7 9 参考文献8 1 附录8 5 作者在攻读学位期间发表的论文目录8 5 v i i 重庆大学硕士学位论文 主要符号表 面积，m 2 热电售价比 定压比热容，1 ( j ( k g ) 欧拉数 喷射系数 比焓，k j k g 火用损，k j 传热系数，w ( m 2 k ) 质量流量，k g s 质量，k g 流道数 努赛尔数 普朗特数 热量，l ( j 体积流量，m 3 s 充液率 雷诺数 单通道截面面积，m 3 温度， 流速，m s 体积，m 3 比体积，m 3 l ( g 功，l 【j 权重因子 换热系数，w ( m 2 k ) 效率 能级 主要符号表 i x 密度，k g m 3 夹点温差， 压降，k p a 状态点 冷凝 压缩机 冷却水 蒸发 经济 煳 膨胀机 热泵 热源水 入口 液相 净输出 泵 预热 过热 总量 气相 蒸发 壁面 水 工质 p 卸 硎哪c 一 洲e 既 唧幼枷伽，删 p 胛印埘 v 唧形 w 矽 彳 口 勺n p ，k 廊 m 聆 n q 吼r k j 丁 矿 v 矿 口 叩 c = 重庆大学硕士学位论文 x 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 1 1 1 能源形势与o r c 发展机遇 能源是人类生存和发展的基本要素之一。世界银行、联合国等国际组织将能 源与光、饮用水、健康服务、教育和通信列为社会发展的基本元素。自上个世纪 以来，全球大部分地区经济高速发展的动力越来越依靠不断增长的能源消费。并 且绝大部分能源消费增长都转嫁到提高化石燃料消费上来。 在2 0 0 7 年，政府间气候变化专门委员会( i n t e r g o v e m m e n t a lp a n e lo nc l i m a t e c h a n g e ，i p c c ) t l 】明确指出：“自2 0 世纪中叶开始观测到的全球平均温度上升很可能 是由大气中温室气体浓度的增加所造成的”。根据不同的分析可以综合得出，到本 世纪末全球平均气温将会上升2 到4 。c 。到时将会有更严重的自然灾害的发生，如 海平面上升，干旱和荒漠地区扩大。自然灾难频繁发生还将对全球生物多样性带 来破坏。 8 4 的温室气体排放归因于碳氧化物的排放。这些温室气体的排放绝大部分来 自于工业化国家，其中十个主要工业国家制造了世界三分之二的排放【2 1 。更加令人 担心的是：在现有经济发展模式下，发展中国家的工业化进程将会带来更多的二 氧化碳排放。 现代社会发展模式中能源消费与国内生产总值，国民识字率，婴儿死亡率和 社会生产力有着紧密的关联【3 】。但是可以听到越来越多的声音要求将这种社会发展 与资源消费模式去耦 4 】。显然这种去耦只能依靠对可持续能源转换技术的发展并促 使能源消费向可持续发展方向的政策导向。大量的技术改进也必须依靠新型并更 加和谐的社会发展模式。 早在i p c c 关于气候变化的研究报告发表之前，中国出于能源安全和可持续发 展的目的，已在2 0 0 5 年的“国民经济第十一个五年计划”中提出了明确的节能减排 目标：在2 0 0 6 2 0 1 0 年( 十一五计划) 期间，单位g d p 的一次能源消耗相比2 0 0 5 年 降低2 0 ，主要污染物( c 0 2 、s 0 2 ) 单位g d p 排放降低1 0 。 之后在2 0 1 0 年欧盟提出了欧盟2 0 5 0 年发展路线图【5 】，计划到2 0 5 0 年温室气 体排放量计划比现在减少8 0 。该路线图在实现此项计划提出的主要的途径有： 减少建筑和工业中的能源消耗。到2 0 5 0 年，建筑物的能源消耗总量应减少 9 5 0 t w h y e a r ，工业过程能源消耗减少4 5 0 t w h y e a r 。提高化石能源的转化效率。 大量使用可再生清洁能源发电。计划未来在总发电量中大约风能发电占2 5 ， 太阳能光伏发电占1 9 ，太阳能聚热发电占5 ，生物质发电占1 2 ，地热发电占 重庆大学硕士学位论文 2 和水利发电占1 2 。 根据以上所提出的具体的可持续经济发展计划，有机朗肯循环技术可以在未 来能源利用中扮演一个重要的角色。有机朗肯循环的特点在于可以实现对低品位 热源回收并将其转换为电能。在建筑和工业中使用热电联合有机朗肯循环可以将 现在集中能源利用模式改为分布利用模式。热能和电能的综合利用使能源的总利 用率大幅度提高，从而降低建筑和工业能源消耗。 1 1 2 有机朗肯循环的历史 有机朗肯循环( o r g a n i cr a n k i n ec y c l e ，o r c ) 技术脱胎与蒸汽朗肯循环。将蒸汽 朗肯循环中的工质由水替换为有机物。利用比水沸点低的有机工质进行朗肯动力 循环，可以使朗肯动力循环能够利用温度较低的热能。 o r c 技术开始兴起于上世纪7 0 年代。发展至今已有大量的地热、余热回收和 热电联产o r c 发电项目投入使用。经过了一段时间的商业化运行后，可以看到与 传统的蒸汽朗肯循环不同，o r c 技术在利用低品位能源上较大优势。如在低于 1 m w 的余热发电项目中，o r c 系统发电效率具有优势明显【6 】。o r c 系统与传统 蒸汽循环系统的不同点主要在于o r c 系统的热源的温度通常较低。并且采用干性 工质的o r c 系统并不需要为保证膨胀机出口干度而要求蒸发器出口工质过热。 o r c 系统在工业生产中，特别是可以在在余热回收领域中发挥重要作用。如 可以将以往只能排放到大气中的余热进行回收利用。同样o r c 系统可以在降低建 筑运行成本中有积极作用，例如使用热电联合o r c 系统。o r c 系统还可以应用在 可再生热源发电领域，如可以应用于地热能，生物质能和太阳聚热能的发电项目。 此外o r c 技术也可以回收工业生产过程中和内燃机工作中的余热。 o r c 系统和传统蒸汽动力发电循环具有相同的基本组件，即锅炉、膨胀机、 冷凝器和工质泵。不同的是采用低沸点的有机物做循环工质可以实现在较低的热 源温度下进行动力循环工作。 o r c 技术的成功可以归因与它的模块化特征：在类似的o r c 系统中，通过对 结构进行微小改变就可以适应于多种热源。甚至与传统的蒸汽动力发电系统不同， 该技术可以应用于局部或小型的分布式发电工作中。 o r c 已经在m w 级的商业发电领域实现了成功应用。但是在k w 级的应用领 域中的实际应用系统较少。本文的主要工作主要着眼于对建筑用k w 级小型化的 热电联合o r c 技术进行研究和评价分析。 1 2o r c 基本情况 1 2 1o r c 系统循环介绍 o r c 与传统朗肯循环的最大差异在于循环工质选择的不同，即用有机物替代 2 1 绪论 水做工质。使用的有机混合物主要种类有：制冷剂，碳氢化合物( 丁烷、戊烷、 己烷等等) ，硅油，氟氯烃等等。这些有机物的特点是沸点均比水低，因而可以在 传统的蒸汽朗肯循环温度更低的工作热源下工作。并且有机工质的热物理性质与 水有许多不同，因此o r c 与蒸汽朗肯循环有很多不同点。 o r c 已经在上世纪7 0 年代开始进行了理论和实验上的研究【6 7 1 。这些研究是 面向于效率低于1 0 的小型系统。实验研究一般使用叶片汽轮机和高o d p 的制冷 齐0 ，如r 11 和r 1 3 8 1 。 第一代o r c 商业应用出现于上世纪7 0 年代末和8 0 年代初，这些系统采用地 热和太阳能作为工作热源。至今全球已经建立了超过2 0 0 个o r c 发电项目，发电 总功率超过18 0 0 m w ，并且这个数字增长速度正在加快。这些电厂大部分用于c h p 应用和地热应用【9 】。 o r c 系统的结构布局在一些结构上与蒸汽动力循环不同，即没有蒸汽汽包连 接锅炉，一个单程换热器被用于将工质蒸发的三个蒸发状态( 过冷，饱和，过热) 。 循环改进方案也较少：再热和膨胀机中间抽汽不适用于o r c 循环。但是可以在工 质泵出口和膨胀机出口设置一个回热器将工质进行预热。如图1 1 所示： f e e dp u m p f e e dp u m p 图1 1 带有回热器( 右) 和不带有回热器( 左) 的o r c 系统结构图 f i g 1 1w o r k i n gp r i n c i p l eo fa no r cc y c l ew i t h ( r i g h t ) a n dw i t h o u t ( 1 e f t ) r e c u p e r a t o r 尽管如此o r c 基本循环过程与传统蒸汽循环相类似，即有机工质依次被加压， 蒸发，膨胀然后被冷凝。带有回热器的循环中将膨胀机中膨胀完毕后的气态工质 的部分热量对加压的液态工质进行预热。这样的结构设计可以提高系统的能量利 用率。 1 2 20 r c 工质与蒸汽朗肯循环的比较 图1 2 是水和部分有机物的温熵图。图中可以看到水和有机工质的两个主要不 重庆大学硕士学位论文 同的特点： 有机工质与水相比，饱和气相线更加陡直。这样就不需要过多考虑膨胀机末 端的蒸汽干度问题。 在相同温度条件下，有机工质的气化潜热比水小很多。这样相同质量的工质 的吸热量较小，因此o r c 系统的工质流量一般相对较大，使得o r c 的工质泵比 传统蒸汽动力循环在单位输出功下工质泵功耗较高。 5 l 卜- 图1 2 水和部分有机物温熵图 f i g 1 2t - sd i a g r a mo faf e wt y p i c a lo r g a n i cf l u i d sa n dw a t e r 有机工质的特点使o r c 系统与传统蒸汽朗肯循环的不同变化在于： 过热：根据之前的阐述，有机工质不需要保证膨胀末端的蒸汽干度而过热， 因此与蒸汽循环相比在o r c 循环中不需要过热。由于没有膨胀机末端的叶片腐蚀 问题，o r c 的膨胀机寿命( 约3 0 年) l l 蒸汽膨胀机的寿命( 1 5 2 0 年) 要长。 低温热回收：由于有机工质的沸点较低，这样可以回收非常低的温度下的 热量，如地热资源。 1 2 3 典型o r c 应用 生物质热电联合应用 种植业和木材加工业这样的农业和工业生产过程会产生大量生物质副产品。 但是生物质的应用有两个主要的限制因素：因生物质的能量密度远远低于化石 燃料，使得生物质产品的运输费用较高；生物质发电不可靠，很难将生物质的 发电与电网相连。生物质发电项目的发电功率( 1 5 0 ) 能够用于热电联产：冷凝温度设定为一个较高的温度 ( 比如6 00 c ) ，可以使系统冷却水用于地区供热。这样可以提高系统总能效率，但是 1 绪论 相应的因冷凝温度过高使得膨胀机中工质没用充分膨胀，从而降低系统的发电效 率。 f e e dp u m p 图1 5 地热o r c 发电原理图 f i g 1 5w o r k i n gp r i n c i p l eo fag e o t h e r m a lo r cs y s t e m 太阳能发电 太阳能集热技术是一个较成熟的技术。太阳能集热技术有三个主要的方式， 分别是是碟式集热器，塔式集热器和抛物线槽式集热器。这三种集热技术可以有 较高的集热系数并获得较高的温度。最适合这种能量的循环技术是斯特林循环， 蒸汽循环或者联合循环。 槽式集热器的集热温度在3 0 00 c 到4 0 0 。c ，主要用于传统蒸汽循环发电。o r c 被认为是一个有希望在小型领域中降低投资成本的技术：系统可以在较低的温度 下工作，并且使系统的输出功率降低到k w 级【1 1 1 。系统的工作原理图如1 6 所示。 该系统采用f r e s n e l 线性集热器收集太阳能。整套系统的投资成本较低，但是收集 的太阳能温度也比较低。 至今被市场认可的采用o r c 技术的太阳能集热发电系统仍比较少： 在2 0 0 6 年的美国加利福尼亚州建成了一个1 m w 的太阳能集热o r c 发电厂。 该o r c 模块使用戊烷作为工质并且o r c 效率达到2 0 。整个太阳能电厂发电效 率是1 2 1 。 唯一被证明有效的微型o r c 项目是一个在非洲建立的l k w 发电系统。该系 统建立在非洲的莱索托并用于农村电力供应。该计划的目的是建立一个使用中温 太阳能热发电技术，并使得该技术在经济性上与大型太阳能热发电技术可比。该 技术的目的是在发展中国家的没有电网地区替代柴油发电，并能够得到较清洁和 廉价的电能。 重庆大学硕士学位论文 l 一 曰寺 ， k x ，? i f e e dp u m p 图1 6 太阳能o r c 发电系统原理图 f i g 1 6w o r k i n gp r i n c i p l eo fas o l a ro r cs y s t e m 在国内以太阳能为热源的o r c 的研究主要有：王晓东 1 2 】通过实验和所提出的 理论对利用太阳能的o r c 系统进行了分析；王辉涛等【1 3 】对1 1 种有机物工质在进 行热力性质比较，得出正已烷和正戊烷作为o r c 的工质时效率最佳。 机械设备和工业项目中的热量回收 工业生产会产生大量的低温废热。这种热量往往因难以使用而被排放到环境 中。排放会造成两种环境污染问题【1 4 】： ( a ) 含有c 0 2 、n o ；、s o ；、碳氢化合物的气体污染物会对人类健康和环境危害。 ( b ) 这种余热可以影响水生生物生态平衡，破坏生物的多样性。 对工业废热进行回收利用可以避免或降低上述污染，同时可以为当地用户提 供电能或者联网供电。在此类系统中，废热往往使用中间传热循环来将热量导入 o r c 系统中。在美国，工业废热的发电潜力达到了7 5 0 m w 15 1 。 一些工业项目会产生较高的废热。如水泥工业，有约4 0 的热量通过烟气散 失到环境中。这些烟气来自石灰岩的预热和水泥熟料的冷却，温度大约在2 1 5 。c 到 3 1 5 。c 之间l l6 1 。水泥工业中的c 0 2 排放占全世界c 0 2 排放的5 。其中半数是窑炉 中化石燃料的燃烧。其他可能的工业领域包括钢铁行业( 比如在占中国c 0 2 排放的 l o ) 和化学工业。 虽然对工业余热的o r c 利用具有高潜力和低成本( 1 0 0 0 到2 0 0 0 u k w ) 的优势， 但是在全世界余热回收o r c 项目仅仅占整个已建成的o r c 电厂的9 1 0 ，远低 于生物质和地热o r c 项目。 内燃机的热量回收 世界上约有三分之一的化石燃料通过内燃机转换为机械能。如以一种1 4 升火 花塞式汽油内燃机为例，其热效率在1 5 到3 2 。正常工作时，内燃机中会有1 7 到4 5 k w 热量经由辐射散失( 温度在8 0 1 0 0 。c ) ，另外有4 6 到1 2 0 k w 的热量通过废 1 绪论 气( 4 0 0 9 0 0 。c ) 排放到大气中。 利用o r c 回收内燃机的废热是一个有前景的热量回收技术。将o r c 与内燃 机相结合的概念发展于上世纪7 0 年代的能源危机。如：m a c kt r u c k s ( 1 9 7 6 年) 设计 并建造了一个余热回收装置用于回收h p 2 8 8 卡车内燃机的余热。对系统的技术可 行性和经济性经过4 5 0 k m 的上路测试可知：该系统回收利用了1 2 5 的燃料。该 项技术与7 0 年代相比有了较大的发展。主要发展在于膨胀机技术有了进一步发展 并且新型有机工质的出现使得循环工质的选择更加广泛。 虽然o r c 技术已经有了较大发展，但是并没有一个成熟的商业解决方案能够 被广泛接受。大部分系统回收内燃机烟气中的废热，另外有部分系统从冷却管道 中回收余热。 对内燃机o r c 技术研究是较为乐观的。例如，由本田设计的内燃机最大循环 热效率为1 3 。在速度达1 0 0 k m h 时，o r c 系统的输出功为2 5 k w ( 此时内燃机的 输出功为1 9 2 k w ) 。这意味着内燃机的热效率从2 8 9 增加到3 2 7 。 与该技术有竞争的研究是塞贝克效应热电发电技术。其主要优势在于该技术 的发电设备比o r c 系统的重量轻并且没有运动部件。这项技术的主要缺点在于设 备需要消耗较为贵重的金属材料( 主要是稀土物质) 并且热电转换效率较低。 1 3c h p 系统的研究历史与现状 热电联合系统( c o m b i n e dh e a t i n ga n dp o w e r , c h p ) 在输出动力( 电能或机械能) 的 同时输出热能。从c h p 系统发展来的热电冷联合系统( c o m b i n e dc o o l i n gh e a t i n g a n dp o w e r , c c h p ) 可以在输出动力的同时输出热能和冷能。将o r c 系统与c h p 系 统联合起来可以利用原本c h p 系统无法利用的较低品位的热量，从而降低化石能 源消耗和污染排放。使用有机工作介质的c h p o r c 系统可以从温度为8 0 。c 到 3 7 0 的低温热源中输出电能的同时为用户输出热能，从而使系统的整体经济性得 到提高。 m o r a n 1 7 】等人对使用天然气和柴油燃气内燃机联合动力的小型c h p 系统进行 了仿真模拟。该系统整体效率达到8 0 ，得出结论认为在当前的能源价格下该c h p 系统在经济上具有较高的可行性。 p o s s i d e n t e 1 8 】等人基于能效、经济和环境影响上分析并评估了一个小型的废热 发电项目，并将该项目同具有相同参数的传统分布式热电系统进行比较。他们发 现这种使用内燃机的小型废热发电系统比传统系统节省2 5 的能源并降低了4 0 的污染排放。 c a o 和l i u 1 9 】对建筑用冷热电联合系统的性能进行了研究，通过运用热动力方 法和热经济方法对该系统进行了仿真优化分析。在优化过程中，通过对该冷热电 重庆大学硕士学位论文 系统使用火用效率和整体收益为参考指标进行分析。 r e n 和g a o 2 0 分析了在家庭建筑中使用燃气发动机和燃料电池这两种不同种 类的小型c h p 系统。对该系统按照最小负荷和最小排放两种模式进行实验分析。 实验结果报道燃料电池系统的实验结果比燃气发动机降低了2 6 的能源消耗。 m a l i c o 2 1 等人设计了一个c c h p 系统用于医院使用。其中电力负荷由高温燃 料电池提供，制冷系统采用吸收式制冷循环，热能由附加锅炉提供。 k h a n 2 1 】提出并通过实验研究对一个新型c c