太陽能有機朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)模擬優(yōu)化研究

摘 要：針對低溫太陽能集熱器出水溫度為65～90 ℃的特點，根據有機朗肯循環(huán)發(fā)電原理，選取R134a、R152a、R600a、RC318、R600、R245fa共6種工質，利用EES平臺進行仿真模擬和比較分析。分析結果表明：在此溫度范圍內，蒸發(fā)壓力、蒸發(fā)溫度、系統(tǒng)凈發(fā)電功率、熱電效率及系統(tǒng)吸熱量與熱源溫度變化呈正比關系，且當熱源溫度為90 ℃時，RC318系統(tǒng)凈發(fā)電功率與熱電效率最高，分別為12.27 kW、15.42%。當熱源溫度為85 ℃時，RC318系統(tǒng)效率達到最高值82.52%。

關鍵詞：太陽能發(fā)電；仿真平臺；工質；有機朗肯循環(huán)；熱電效率

中圖分類號：TK11+4" " " " " " " 文獻標志碼：A

0 引 言

太陽能是可持續(xù)發(fā)展且應用潛力非常巨大的能源之一，通過相應科學技術充分利用太陽能資源顯得尤為重要［1-2］。目前使用較多的低溫余熱發(fā)電技術主要有：有機朗肯循環(huán)、卡琳娜循環(huán)、水蒸氣朗肯循環(huán)等。不同技術的熱源溫度適用范圍不同，且技術可操作性及熱功轉換效率都有較大區(qū)別。針對普通真空管式太陽能熱水低于100 ℃的特性，選擇對熱源溫度要求較低、結構簡單、便于操作的有機朗肯循環(huán)熱發(fā)電技術，有助于太陽能的有效利用。

有機朗肯系統(tǒng)循環(huán)使用的有機工質的熱物性對系統(tǒng)性能有較大影響，因此研究有機工質對系統(tǒng)性能的影響是技術基礎［3-5］。文獻［6-8］通過改變系統(tǒng)蒸發(fā)壓力，對多種工質進行熱力性能分析，尋找適宜工質；文獻［9-11］在熱源溫度一定的工況下，通過改變系統(tǒng)蒸發(fā)溫度，研究有機工質對系統(tǒng)性能的影響；王建永等［12］研究了地熱水90～150 ℃時，以系統(tǒng)發(fā)電功率為目標函數(shù)，得出R245fa為最佳適用工質；文獻［13-15］采用太陽能循環(huán)熱水系統(tǒng)直接給土壤補熱的方式緩解地源熱泵系統(tǒng)連年單季運行導致的土壤熱失衡問題。

基于此，本文針對太陽能熱水溫度可達80 ℃以上，土壤溫度基本小于20 ℃這一優(yōu)勢完全契合有機朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)冷熱源的要求，利用冷熱源存在的50～60 ℃溫差進行發(fā)電，同時利用冷凝熱進行土壤蓄熱，可有效減少系統(tǒng)損失，提高太陽能利用率。本文以系統(tǒng)熱力模型為基礎，以太陽能熱水為熱源；以地埋管循環(huán)水為冷源；以濕性工質R134a、R152a和干性工質R600a、RC318、R600、R245fa作為循環(huán)工質；利用EES（engineering equation solver）軟件進行模擬分析。在冷源進水溫度16 ℃不變，熱源進水溫度65～90 ℃范圍內變化的工況下，對有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度、蒸發(fā)壓力、凈發(fā)電功率、熱電效率、系統(tǒng)吸熱量、效率等熱力性能變化進行比較和分析。

1 太陽能有機朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)原理

1.1 系統(tǒng)組成

太陽能有機朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)主要由螺桿膨脹機、工質泵、蒸發(fā)器、冷凝器等設備組成。系統(tǒng)流程圖如圖1所示。系統(tǒng)工作流程為：有機工質在蒸發(fā)器中被太陽能熱水加熱，產生高溫高壓氣體，進入螺桿膨脹機進行做功，做功后的乏氣進入冷凝器經地埋管循環(huán)水冷卻凝結，再由工質泵打入蒸發(fā)器中，進行下一循環(huán)。

1.2 工質選擇

有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的輸出性能、熱電效率、系統(tǒng)凈發(fā)電功率、工作壓力等在很大程度上是由工質物性所決定的，因此優(yōu)選適合太陽能有機朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的工質至關重要。根據工質環(huán)保性、安全性、化學穩(wěn)定性等原則，選取R134a、R152a、R600a、RC318、R600、R245fa共6種ODP為零的工質，以下比較均以6種工質展開，工質的熱物性參數(shù)如表1所示。

2 數(shù)學模型

假設系統(tǒng)穩(wěn)定運行，系統(tǒng)設備與環(huán)境換熱忽略不計，各工質在冷凝器、蒸發(fā)器及管道連接壓力損失忽略不計，蒸發(fā)器蒸發(fā)過程為等壓蒸發(fā)，冷凝器冷凝過程為等壓冷凝，采用EES軟件自帶工質熱物性參數(shù)。計算參數(shù)如表2所示，系統(tǒng)循環(huán)T-s圖如圖2所示。

太陽能熱水流經蒸發(fā)器所釋放的熱量為：

式中：[Tl]——冷凝器進、出水溫度的平均值，℃；[Th]——蒸發(fā)器進、出水溫度的平均值，℃。

3 結果與分析

3.1 蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力

分析圖3可得，蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力與熱源溫度變化呈正比，且各工質蒸發(fā)溫度及蒸發(fā)壓力曲線明顯分布在2個區(qū)間，濕性工質的蒸發(fā)溫度明顯低于干性工質，但蒸發(fā)壓力高于干性工質。結合表1可知，沸點越低的工質蒸發(fā)壓力越高。在熱源溫度65～90 ℃范圍內，隨著熱源溫度的升高，R600a與RC318的蒸發(fā)溫度與蒸發(fā)壓力的特性曲線基本重合。在熱源溫度為90 ℃時，干性工質的蒸發(fā)溫度約為82 ℃，濕性工質的蒸發(fā)溫度約為78.6 ℃，相差3.4 ℃。濕性工質蒸發(fā)壓力達到2.2 MPa以上，干性工質蒸發(fā)壓力較低均在1.4 MPa以下，相差0.8 MPa，因此使用干性工質具有較適宜的操作空間。

3.2 系統(tǒng)凈發(fā)電功率

由圖4可知，系統(tǒng)凈發(fā)電功率與熱源溫度的變化呈正比，且系統(tǒng)凈發(fā)電功率的增速隨熱源溫度的升高而增加。當熱源溫度相同時，各工質系統(tǒng)凈發(fā)電功率大小依次為RC318、R134a、R152a、R600a、R600、R245fa，且系統(tǒng)凈發(fā)電功率越高的工質，隨著熱源溫度的升高，增速越快。以RC318與R134a為例，當熱源溫度由85 ℃升至90 ℃的過程中，RC318系統(tǒng)凈發(fā)電功率增長2.13 kW，R134a增長1.56 kW。當熱源溫度達到90 ℃后，RC318系統(tǒng)凈發(fā)電功率為12.27 kW，相較于R134a高2.51 kW，相較于系統(tǒng)凈發(fā)電功率最低的R245fa高6.8 kW。

3.3 熱電效率

由圖6可知，熱電效率與熱源溫度的變化呈正比，且熱電效率的增速隨熱源溫度的升高而減緩，干性工質的熱電效率遠大于濕性工質。在相同熱源溫度的情況下，各工質發(fā)電效率大小依次為RC318、R600、R245fa、R600a、R152a、R134a。工質明顯分布在3個區(qū)間：當熱源溫度為90 ℃時，RC318的熱電效率為15.42%；R600、R245fa及R600a的熱電效率在11%～12%之間；R152a和R134a熱電效率在8%～9%之間。RC318熱電效率相較于工質R600高3.43%，相較于熱電效率最低的R134a高7.19%。

3.4 系統(tǒng)吸熱量

由圖6可知，系統(tǒng)吸熱量與熱源溫度的變化呈正比，且各工質系統(tǒng)吸熱量隨熱源溫度的升高而增加，增長速度率呈上升趨勢，濕性工質的系統(tǒng)吸熱量大于干性工質。當熱源溫度相同時，各工質系統(tǒng)吸熱量從大到小以次為R134a、R152a、RC318、R600a、R600、R245fa。當熱源溫度為90 ℃時，R134a系統(tǒng)吸熱量為154.09 kW，相較于系統(tǒng)吸熱量最低的R245fa高93.62 kW。

3.5 效率

由圖7可知，在熱源溫度65～90 ℃范圍內，RC318和R134a工質系統(tǒng)效率隨熱源溫度的升高先增加后減少，其余工質系統(tǒng)效率與熱源溫度變化呈正比關系，但增加趨勢越來越緩慢，干性工質的系統(tǒng)效率遠大于濕性工質。當熱源溫度為90 ℃時，工質明顯分布3個區(qū)間，RC318系統(tǒng)效率遠高于其他工質，達到82.46%；R600、R245fa、R600a系統(tǒng)效率在60%～63%之間，且R245fa和R600a的特性曲線基本重合；R152a和R134a系統(tǒng)效率在46%～48%范圍內。RC318系統(tǒng)效率在熱源溫度85 ℃時達到最高值82.52%。

4 結 論

1）利用太陽能熱水發(fā)電的同時，利用冷凝熱給土壤蓄熱，可有效緩解地源熱泵系統(tǒng)連年單季運行導致的土壤熱失衡問題，減少系統(tǒng)損失，提高太陽能利用率。

2）以EES軟件為工具，模擬了太陽能有機朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的熱力過程。當熱源溫度范圍為65～90 ℃時，蒸發(fā)壓力、蒸發(fā)溫度、系統(tǒng)凈發(fā)電功率、熱電效率及系統(tǒng)吸熱量與熱源溫度變化呈正比關系。

3）當熱源溫度為65～90 ℃時，RC318系統(tǒng)效率最高，蒸發(fā)壓力較低，可提高系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性及可操作性。

4）RC318系統(tǒng)效率在熱源溫度為85 ℃時最高，為82.52%；RC318系統(tǒng)凈發(fā)電功率與熱電效率在熱源溫度為90 ℃時最高，分別為12.27 kW、15.42%。

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STUDY ON SIMULATION AND OPTIMIZATION OF SOLAR ORGANIC RANKINE CYCLE POWER GENERATION SYSTEM

Zhang Jiexiong1，Zhang Jie1，Mu Yongchao1，2，Guo Junxing1，Luo Jinghui1，2

（1. School of Energy and Environmental Engineering， Hebei University of Engineering， Handan 056038， China；

2. Hebei HVAC Technology Innovation Center， Handan 056038， China）

Abstract：According to the characteristics that the outlet water temperature of low temperature solar collectors is between 65 ℃ and 90 ℃， this paper uses the principle of organic Rankine cycle power generation and simulates its performance by the software EES. The performance of organic Rankine cycle power generation system using six working fluids including R134a， R152a， R600a， RC318， R600， R245fa are thus analyzed and compared. The results show that in the studied temperature range， the evaporation pressure， evaporation temperature， system net power generation， electrothermal efficiency and system heat absorption are in direct proportion to the change with heat source temperature. When the heat source temperature is 90 ℃， the net power output and system efficiency of RC318 system are the highest， which are 12.27 kW and 15.42%. When the heat source temperature is 85 ℃， the exergy efficiency of RC318 system reaches the highest value which is 82.52%.

Keywords：solar power generation； simulation platform； working fluids； organic Rankine cycle； electrothermal efficiency

收稿日期：2022-05-07

基金項目：邯鄲市科學技術研究與發(fā)展計劃項目（21422121286）；河北省創(chuàng)新能力計劃提升項目（21557697D）

通信作者：穆永超（1986—），男，博士、高級工程師，主要從事工業(yè)余熱余壓回收、可再生能源綜合利用技術方面的研究。

muyongchao@hebeu.edu.cn