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1、太阳能-制冷剂集成混合动力系统摘要这篇文章报道了太阳能-制冷剂集成的新型混合动力系统，该系统使用太阳能热能和制冷剂作为原料。该系统由制冷剂直接膨胀的开式循环组成，其中单一介质的制冷剂从压力不断增加的状态，经过闭环布雷顿循环运转到低压状态。膨胀过程使用太阳能热能作为过热源，有序地发生在涡轮机的高压，中压和低压三个阶段中。开式循环中含有涡轮机运转的三个阶段，而闭式循环只有涡轮机运转的中等和低压两个阶段。用太阳能热发电系统和制冷剂燃料动力系统作为基准，来评定新提出的混合动力系统的性能，三个系统都使用序列二次规划（SQP）的方法来优化。结果表明，集成混合动力系统能提供更好的整体系统效率，并且能够提供高
2、于其他两个系统输出功率之和的百分之三十的输出功率。关键词：低温储能；混合动力系统；系统优化；太阳能；制冷剂。AbstractThis paper reports a new integrated solar-cryogen hybrid power system that uses solar thermal energy and cryogen as the feedstocks. The system consists of a direct expansion (open cycle) of cryogen from an elevated pressure and a closed-l
3、oop Brayton cycle operated at a medium to low pressure. The expansion occurs sequentially in three stages (high pressure, medium and low pressure turbines) using solar heat as the superheating source. The open cycle uses all the three turbines, whereas the closed cycle only uses the medium and low p
4、ressure turbines. A solar thermal power system and a cryogen fuelled power system are used as the benchmarks to evaluate the performance of the newly proposed hybrid system and the three systems are optimised using a sequential quadratic programming (SQP) method. The results show that the integrated
5、 hybrid system gives a far better overall system efficiency and provides over 30% more power output that the summation of the power outputs of the two other systems.1 引言在当今世界，能源和环境是人们最关心的两个问题。一个多世纪以来，廉价并且丰富的化石能源一直支撑着工业发展和生活水平的日益增长。然而，尤其是在发太阳能制冷剂集成混合动力系统 1展中国家，不断增长的能源需求意味着化石燃料能源在以一个很快的速度枯竭。在此期间，化石燃料的
6、使用不断给环境带来伤害。所有这些难题，都需要使用新的可再生能源来解决。目前，可再生能源的利用在世界主体能源的利用中仅占百分之十一，到 2070 年预计能增长到百分之六十。太阳能是最有前途的清洁并且不会枯竭的能源之一，能够满足日益增长的能源需求。除了直接加热应用，太阳能可以以两种主要的途径转变为电能。一种是通过太阳能电池的光伏发电技术，直接将散射辐射转变为电能。另一种是通过间接的太阳能热能光热路线，依靠太阳能集热器或集中器将太阳辐射转变为热能，然后经过常规的热能循环进行发电。对于小规模低功耗的需求来说太阳能电池是最合适的，然而对于大规模和电网连接系统的需求来说太阳能热电站往往是一个更好的选择。在
7、太阳能热发电站（STPP）里，通过太阳能光热路线，提高间接发电。太阳能热发电站是一个常规的发电站，通过收集太阳辐射能从而获得所有或者绝大部分的热负荷，产生高温太阳热能来激活郎肯电力循环。在此过程中，密集的太阳辐射不能直接加热用于动力循环中的工作流体，但可以使用太阳能载体，把太阳辐射能运输到储存器中并将热量传递给工作流体。热载体的使用有一个好处，根据需要更加准确地控制工作流体蒸发的数量和质量。此外，对于负载和太阳辐射之一或者两者，储存器和热载体的使用，还可以优化工作流体质量流动速率的波动。所储存的热能，在蒸汽循环发电厂可以用于预加热水或者蒸汽，或在联合循环发电厂加热过热蒸汽，甚至在直接蒸汽发电厂
8、中产生直接生产蒸汽。一般来说，在这些循环中，选取水或者蒸汽或其他有机液体作为工作液体，并且太阳能以高温显热的形式储存起来。由于太阳能热能载体和工作流体之间存在因温度滑移带来的不相匹配，因此认为太阳热能载体是低效的。这项工作还与从制冷剂中高效提取冷量相关。通常定义制冷剂为一种液体，沸点低于零下 150 度并且包含相当多的深冷火用（超低温下的热能） 。伴随着快速发展的天然气（LNG）产业，过去几十年里在制冷剂（液化天然气）生产过程方面已经做出了很多努力。例如，据估计，截止到 2010 年底中国进口的液化天然气的数量达到 2000 万吨。然而，在不提供热量来加大温度差异的蒸发过程中，高效回收低温能源
9、就成了一个挑战。这就成为了致力于集成太阳能制冷剂动力系统的主要原因。正太阳能制冷剂集成混合动力系统 2如后面将要看到的那样，这种集成系统将提供一种高的总体利用效率，并且减轻制冷剂再汽化过程对环境的影响。此外，最近提出了一个方案，用液态氮或者空气作为燃料，以及高峰电力和可再生能源的能源载体。这导致了，在使用直接膨胀法或者联合循环法提取低温能量方面，进行各种各样的理论和实践的研究。这些研究表明，在提取热量方面，制冷剂是一种比水或者蒸汽更有效的工作液体。在这项工作中，提出并分析了一种集成的太阳能制冷剂混合动力系统。用太阳能热发电系统和制冷剂燃料动力系统作为基准，来评价新提出的集成系统并且使用二次规划
10、的方法优化三个系统的性能。正如下文所示，集成太阳能制冷剂的混合动力系统将提供更高的整体系统效率。2 热力学系统和建模方法在这一节中，将对三个电力系统进行分析（1）太阳能热发电系统；（2）制冷剂燃料动力系统；（3）太阳能制冷剂混合动力系统。用太阳能热发电系统和制冷剂燃料动力系统作为基准，来评估这项工作中提出的集成动力系统。2.1 太阳能热发电系统一个太阳能热发电系统包含着集中太阳光，这样使某些小区域成为了高温热源。热能运载体通常用来传送热量，通过一个热交换系统把热量传递给工作流体。表 1展示了一系列通常使用的高温热能运载体，它们要么是纯的要么是混合的热流体。图 1 是太阳能热发电系统的示意图。在
11、郎肯循环中，该系统使用水作为工作流体，并且该系统已经有了实际的应用。该系统工作如下：通过抛物槽或者其他类型集热器来加热热能运载体的方法，收集太阳辐射能。在高压水进入高压蒸汽涡轮机（HP）之前，在热交换器（HX1）里高温运载体将其过热。在蒸汽涡轮机中提取出一部分中等压力下的蒸汽，在热交换器 2(HX2)中，高温热能运载体将其从新加热，然后将其送到低压蒸汽涡轮机进行进一步膨胀。排出的蒸汽在冷凝器（CD）中冷凝，然后送至再生器（RG） ，在那它与蒸汽涡轮机出口的蒸汽混合。最后，压缩到高压状态来完成整个能量循环。在这一方法中，在两个阶段中使用太阳能热能，并且冷能载体分别储存在 MC 和 LC 中。太阳
12、能集热器的能效如下：太阳能制冷剂集成混合动力系统 3 ECTUECT ECTbsLbsbscollectouTFFFFdEdQT044c . 1 其中 Q 是运行过程中的热量，E 是搜集总的辐射能，和acc11a是吸收体的吸收率，是盖子的透射率，是盖子的反射率。在集成系统中，acc从状态一到状态二，可以得到集热器的总辐射能为： QTTTEollectoud121c . 1太阳辐射释放的能量为： fExTTE Ssolarln28. 013410对于一个恒定比热的热流体，,然后，dTmddQcp.TTcmQTTQP12. d21太阳能热载体运输的热量如下： TT TTTEQxQ 12120ln1
13、最后，太阳能集热器的效率如下： fTTTxxTT TTTT TTTEESollectoucollectorIIsolarQln28. 01341dT11ln10c . 11212120,21该系统其他部件的热力学性质的计算如下所示。状态 i 的定义如下： ssThhiii000在这里，h 表示焓，s 是熵，下标 0 表示在压力为 p 温度为 t 时的物性参数。泵消耗能量如下： pumpinletoutletpumpmW. （8）（7）（6）（5）（4）（3）（2）（1）太阳能制冷剂集成混合动力系统 4涡轮机输出功如下： turbineoutletinletturbinemW.和各自分别代表泵效
14、率和涡轮机效率。pumpturbine表 1 贮存高温显热常用的流体图1 太阳能热发电系统流程图2.2 制冷剂燃料动力系统如果周围热能是唯一的热源，那么在制冷剂燃料动力系统中最简单最适用提取冷能的方法是直接膨胀循环。图 2 展示了这样一个系统，直接膨胀过程带有两个阶段。首先通过低温泵（CP） ，把储存在储存罐（CP）的制冷剂抽到高压力状态,然后在高压（HP）和低压（LP）蒸汽涡轮机内部加热区(RH2)进行两级膨胀过程之前，在热交换器（HX）和加热区（RH1）逐渐加热。回收在热交换器 HX 的制冷剂，可以直接使用，例如空气液化，乙烯分离，液体二氧化碳的生产，冷藏库，冷冻食品等等，或者进行二次循环
15、来进一步发电。用于评估这一系统组件的热性能的数学公式跟用于太阳能热发电系统的数学公式相似，在这里将不再重复。（9）太阳能制冷剂集成混合动力系统 5图 2 制冷剂燃料动力系统流程图2.3 太阳能制冷剂混合动力系统在这项工作中所提出的混合动力系统，集成了太阳能热发电系统和制冷剂燃料动力系统，并且制冷剂本身作为普通的工作流体来使用。图 3 揭示了这样一个系统。我们可以看见，混合动力系统有三部分组成：（1）制冷剂直接膨胀的开式循环；（2）一个用于充分提取低温冷能的闭式布雷顿循环；（3）一个收集太阳能并且给以上两个循环提供热源的太阳能搜集储存循环。在这个系统中，为了简化装置，闭式的布雷顿循环和直接膨胀循
16、环共用着中压（IP）和低压(LP)蒸汽涡轮机，并且制冷剂同时也作为布雷顿循环的工作流体。制冷剂直接膨胀释放的冷能，通过布雷顿循环，在热交换器 HX1 里的一个热传递过程得到回收。类似于太阳能热发电系统，通过两个阶段提取太阳能热能（热源）：状态 14 和状态 16 之间的过热过程分别对应于在高温和低温运载体，状态 14 和状态 15 之间的内部加热过程分别对应于高温和中等温度运载体。与太阳能热发电系统相比较，在混合动力系统中增加了一个额外的压缩机。额外压缩机消耗能量如下： compressorinletoutletcompressormW.其中表示压缩机效率。compressor（10 ）太阳能制冷剂集成混
