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25r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: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.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.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1型图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901,出口温度85r。冷去水温度为环境温度，20r。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21膨胀机的等熵效率设为0.85，即耳.=0.85。工质泵的效率设为0.72，即耳=0.72。ip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h—h等熵效率耳=于2得出h二h—n(h—h)，得出各点状态参数如下:ih—h21i1717状态点温度t(D焓值(kJ/kg)182430232404.5330230.26432232580283.35膨胀机所做的净功W二(h—h)—(h—h)/n二(430—404.5)—(232—230.26)/0.72二23.08kJ/kgnet1243P吸收量Q=h—h=430—232=198kJ/kg14循环效率n=知=沁=11.66%CQ19890—85蒸发温度的平均对数温差为At；=go—80=7-21Cln蒸发器实际传热温差为生=85—80

(90—85)-(90-82蒸发器实际传热温差为生=185-32In90-8225-20°p185-32In90-8225-20°p丽羽=7.21cIn30-25冷凝器实际传热温差为At=(3°一2叮¥一25)=8.3Co冷凝温度的平均对数温差为At'=o130—20In32—25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。P实际功率P=emv卩二10.307kW0.99*0.98P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。P实际功率P=emv卩二10.307kW0.99*0.98P工质流量M0h-h1210.307二0.4042kg/s二1.455t/h430-404.5根据热平衡方程：M(t'-1)c二M(h-h)2BBP023M(t-1)c二M(h-h)1AAP014M(h-h)0.4042x(404.5-230.26)冷却水流量M=—0_23==3.35kg/s=12.1t/h2(t'一t)c~"cBBP(25-20)x4.2热水流量Mi=M(h-h)0.4042x(430-232)381k/137t/hoi4==3.81kg/s=13.7t/h(t'—t)cAAP(90-85)x4.210最大发电效率耳10最大发电效率耳e==12.5%M(h-h)0.4042x(430-232)014参考文献：[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-