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1、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25C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
2、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：(1) 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
3、人员中毒，应尽量选择毒性低的流体.(2) 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烧.(3) 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
4、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。41一一BO电括-冷崔导j-抵去冷图1有机朗肯循环原理图s/ZVh 14/_P7/0国 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90 C,出口温度85 C。冷去水温度为环境温度，20 C。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
5、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 C，冷凝温度为 30C，过热度为2C膨胀机的等痼效率设为0.85，即叫=0.85。工质泵的效率设为 0.72，即p =0.72 o由上述已知条件，经过查图查表 囹的方法确定各点的状态
6、参数。其中 2点参数的确定方法， 先由等痼过程 S7=S 1再根据等压过程 P7=P3,可确定h7。4点粉值的确定方法类似。再由等痼效率 叫=得出h2 =h1 叫(h1 h7),得出各点状态参数如下: 加一巾状态点温度t (C)粉值(kJ / kg )182430232404.5330230.26432232580283.35膨胀机所做的净功Wnet =(h1 h2) (h4h3)/ P =(430 404.5)(232 - 230 . 26 ) / 0.72 = 23 .08 kJ / kg吸收量 Q =h1 - h4 =430 -232 = 198 kJ/kg循环效率C *二冬=11.66
7、% Q 198, 一、.一一 ，.一、，90 - 85蒸发温度的平均对数温差为& ： = 一90一= 7.21 C90 -80 ln85 -80R ( 90 85 )-( 90 - 82)八烝发命头际传热扁差为Atk = = 6.38 C85 - 32 ln 90 -82冷凝温度的平均对数温差为.& = 25项 =7.21C30 - 20 ln30 - 25冷凝器实际传热温差为.七=(30 - 20 ) -(32 - 25) = 8.3C30 - 20 ln 32 - 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
8、，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。P10头际功率 P = = = 10.307 kW工质流量MP10.3070.4042 kg / s = 1.455 t / h h1 -h2430 - 404 .5根据热平衡方程:M 2(tB -tB)Cp =MMh2 -h3)M 1 (tA - t A)Cp = M 0 ( h1 - h4 )冷却水流量M?/。(tB - tB )CP0.4042(404 .5 -230 .26)=3.35 kg / s = 12 .1t / h(25 - 20 ) 4.2M0(h1 -h4)0.4042(430 -232 ),=3.81 kg / s =13.7t / h(tA Ta)Cp(90 - 85) 4.2最大发电效率PeM 0 (h1 h4 )=12.5%0.4042(430 -232 )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.2010:31-362 李晶.太阳能有机朗肯循环中低温热发电系统的数值优化及实验研究D.北京：20113 王辉涛，王华.低温太阳能热力发电有机朗肯循环工质的选择J.动力工 程.2008(29):287-2914 余晓福.水和水蒸汽热力性质图表M.北京：高等教育出版社,2009
太阳能有机朗肯循环发电系统设计
