用于远程发电的低成本太阳能朗肯循环的性能与设计优化.docx

用于远程发电的低成本太阳能朗肯循环的性能和设计优化摘要：最近对小规模太阳能热电联产发电系统的兴趣与集中式发电站运行状况很差的地区的分布式发电供应的需求增长一致。一个可行的用于满足这个需求的技术方法是抛物线型槽式太阳能集热器外加有机朗肯循环热机。这篇文章描述了一个为了农村电气化的目的而安装在莱索托的太阳能有机循环的设计。这个系统由一个抛物线型槽收集器，一个储存罐和一个使用涡杆式开幅器的小型朗肯热机组成。每一个部分的模型都是考虑到发生在循环中的物理和机械现象和基于主要关键部分的实验数据建立的。这个模型允许排列循环的不同部分并且评估系统的性能。比较了不同的工质并且模拟了两个不同的膨胀机的配置（单级和双级的）。关键词：有机朗肯循环，ORC，太阳能集中器，抛物线型槽，农村电气化，聚光太阳能发电引言聚光太阳能发电（CSP）系统由多种收集系统实现，比如抛物线型槽收集器，太阳平板，太阳塔或者菲涅尔线性收集器。然而，大部分当前安装的CSP设备在动力滑轮中使用蒸汽朗肯循环。这项技术需要几兆瓦的最小功率以便保持竞争力，并且涉及到很高的收集器温度。特别的，在小规模系统的情况下，有机朗肯循环（用有机流体代替水的朗肯循环）对比蒸汽循环会显示出许多有点。这些包括了较低的工作温度，膨胀过程中没有液滴，低的的维护需求以及简单（很少的组成部分）。根据McMahan（2006），这些优点使有机朗肯循环在小电力规模和中等电力规模使用时更有经济上的吸引力。太阳能有机朗肯循环早在1970年代就被在理论上（Davidson, 1977; Probert 1983）和实验上（Monahan, 1976)）研究过了，并且有报告表示全部的效率是2.52%和7%。实验研究通常包括叶片式膨胀机的使用，(Badr, 1985, Davidson, 1977)并且高臭氧消耗潜能（ODP）制冷剂比如R11或者R13经常被使用。最近的研究倾向于强调对于不同循环体系的最优流体 选择和收集温度(Wolpert and Riffat, 1996; McMahan, 2006; DelgadoTorres and GarciaRodriguez, 2007, 2010; Bruno et al., 2008; Wang et al., 2010a)。然而令人有兴趣记录的是没有单一的流体被认为是有机朗肯循环的最优选择。这主要归结于最优工作流体，工作条件，循环结构之间很强的互相依赖。因此工作流体的研究应该综合考虑进ORC系统的设计过程中。很少有研究提供了来自实际运行的太阳能ORC系统的数据：Kane研究了菲涅尔线性收集器的联结，在级联的9KwORC循环下，使用R123和R134a作为工作流体。在57%的收集效率下，达到了7.74%的总效率（太阳能到电能）。Manolakos研究了使用R134a作为工作流体和真空管集热器的2kw的低温太阳能ORC循环。Wang研究了使用滚动活塞膨胀机的1.6Kw的太阳能ORC。使用真空管集热器总效率达到了4.2%，而平板集热器总效率为3.2%。就效率而言差别可用较低的集热器效率（电子管的71%对比平板的55%）和较低的收集温度来解释。这样的系统的详细模型在科学文献中也是很罕见的：Mcmahan提供了一个详细的模型和最优化的太阳能应用的ORC循环，但是这个模型没有和太阳能收集模型联合起来；Forristall提供了太阳能集热器的验证的模型在使用SEGS设备的数据和独立的动力循环模型的情况下；Jing创造了一个使用R123作为工质的ORC循环模型并和CPC收集器联结在一起：预测总效率在800w/m2的太阳照射的情况下有大概7.9的效率并且有147℃的蒸发温度。Kane创造了一个使用涡杆式开幅器的级联ORC循环的模型并且联结了一个集热器模型。这个模型被用作执行系统的热经济优化。大部分上述提到的研究表明了ORC的效率通过包括复热器，级联循环，再热的手段得到了值得注目的提高。目前，只有一个商业用太阳能ORC设备在技术资料上被报道：美国亚利桑那州的Saguaro的1MW的太阳能ORC设备。这个设备使用了正戊烷作为工质，并且表现出了在59%采集效率下的12.1%的总效率。如果中等规模的太阳能ORC已经可以商业化应用了，剩下的工作就是非常小规模的(几千瓦)，特别是减少具体的投资成本并且控制系统以便避免现场操作需求。系统描述为了实现利用中等温度的收集器和ORC的小规模太阳能热技术，MIT和Lie`ge大学的研究者们和非政府组织STG展开了超越国际的合作。第一个装置在2007年由STG安装，并且在图一中展示。这项技术的核心是太阳能热动力设备，包括一块抛物线型槽太阳能收集器和产生电力的蒸汽膨胀块。当低于兆瓦规模的设备不能配备人员管理时，加入电子控制单元来自动操作。运行处于较低循环温度（200