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1、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
2、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1 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
3、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; Delgado Torres and Garcia Rod
4、riguez, 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2
5、kw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
6、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
7、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Liege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）并且卡诺效率是在小规模中维持低成本的一个设计衡量标准。对于一个给定等级的输出功率，较低的温度能够节省在材料和生产吸收单元，热交换器，流管和抛物线型槽上的花费。因为当前没有千瓦级别的热能模块被
8、大规模的制造，小规模的ORC不得不被设计来满足这些需求。这项设计是基于改进的商业可用零件，比如采暖与通风空调涡旋压缩机，工业泵和换热器。需要注意的是，ORC发展的主要挑战是特别设计的膨胀发生器的高花费。目前，市场上没有可用的体积膨胀机。为了减少实用系统的花费，膨胀机由改装现货供应的密封涡旋压缩机反向运行来获得，就像有Lemort提出并且成功测试过的那样。涡旋机器表现出广泛可用，可靠和运动部件有限的优点(Zanelli and Favrat, 1994)。这篇文章的目的是设计和标出一个改进的太阳能ORC装置的尺寸以便安装在莱索托的Berea District农村地区并且评估它使用不同工质的性能。
9、以下是这个装置的主要参数：目标净输出功率：3Kw收集器面积：75m2的单轴抛物槽，使用米罗铝反射器和有精心选择的涂层和吸收管和玻璃之间有充气环面的集热元件ORC：R245fa的单级或者两级循环，使用改进过的采暖与通风空调压缩机，用于高传热压力下的镀铜表面的换热器和用于排热的商用采暖与通风空调管和翅片式空气冷却器传热流体（HTF）：拥有具有19mm硅岩组成的2m3填充料的热缓冲箱的乙二醇传热流体在集热面上被加热并且被传热流体泵运输到蒸发器中，蓄热器被安装以便减缓太阳辐射在白天的快速波动并且维持ORC引擎的稳定运行。传统朗肯循环的主要部件包括蒸发器，膨胀器，冷凝器和再循环泵。在“干”流体的ORC中
10、，从过热气体回复成过冷流体是典型的实现膨胀气体和泵出口之间的热交换的过程。这些过热气体也可以用来热电联产，只需要并联或者串联安装在同流换热器上的换热器。在被推荐的系统中，循环换热器（蒸发器，同流换热器和冷凝器）被规定大小以便获得所需的接触点压和压力降。工作流体在空冷器中凝结以便于避免不必要的水消耗然后在活塞泵中重新加压。膨胀过程被一台或者两台 改进过的连续配置的采暖与通风空调涡旋压缩机执行。取决于当地的需求，热电联产可由额外安装在膨胀器和同流换热器之间的板式换热器实现，以便在电力之外生产热水。图12 建模在这部分，一个如图2的稳态系统模型被建立起来，为了为了评估和衡量各组件的不同和使细微点上的
11、工作条件最优化。太阳能资源的暂态特性没有被计入报告并且使用的平均日照。假设储存器以能在系统运行是几乎保持传热流体速度和温度不变的方式设计，假设ORC引擎能在太阳照射不足的情况下满足温度需求以便避免部分负荷时可能的循环效率减少。在实践中这意味着在一段低日照的时间中，用于填充储存器至设定运行点的时间比ORC引擎的运行时间长。按照这个稳态假设，储存箱没有被建模。水换热器也被忽略了，因为这个模型的主要目的是评估系统的发电潜力。这个太阳能ORC实在EES环境（Klein,2010）下建模的：一个为每个子部件开发并纳入一个模块的模型。这些模块深层次的联系起来以得到整个系统的模型。上面提到的整体模型不能被实
12、验验证，因为实验数据的缺乏。然而以前的资料显示连接各组分子模型以建立整体ORC模型引起的低于10%的总体误差是可以接受的。(Quoilin et al., 2010).因为一个标称尺寸（或者功率）必须被设置，所提出的模式是一个仿真模型和规模估计模型的混合物。一方面，这个设计，尺寸和收集器的参数是根据由STG国际研发并且安装在莱索托的收集器技术设置的。另一方面，ORC循环和它的组分的大小是根据模型重新计算的以便于获得收集功率和ORC引擎功率之间的好的匹配。图23.1抛物槽模型槽的模块大部分改编自Forristall（2003），是围绕用户规定尺寸和材料的集热元件的一维能量平衡模型：辐射冲击到用户
13、规定焦距，反射系数，孔径的反射单元上。能量相对的衰减了（比如反射系数小于1），并且集中到集热元件的中心区域，在那儿它通过一个玻璃外壳和充气环面传播并且最终在集热元件的表面被吸收或者反射。根据选择的涂层的吸收率和发射率特性和传热流体在给定节点流过集热元件的温度，所吸收的能量的一部分通过集热元件壁面传到了传热流体（图3中的2-1过程）伴随着从流体热性质和流动方式参数计算出的热交换过程，剩余的所吸收的热在集热元件外表面丢失，经过对流和辐射通过环面（3-4过程），外壳的传导（过程4-5），外壳和空气之间的辐射（过程5-7）和对流到周围空气中（过程5-6）。图3这个过程在每个节点反复发生，在那里进入每个
14、节点的就是上个节点出来的，导致了对于用户规定的焦点线长度的总焓和温度增加。收集器模块于是得到了一个热效率，并且输出了一个在用户规定流速和初始温度下的热流输出和温度获取。用来计算热流的不同热传递关系在表一中给出表1收集器和玻璃外壳吸收的辐射数量分别由下面给出：时为线性光束辐射并且是光学效率，把不同资源损失综合考虑，比如镜面反射率，延程损失，遮挡，几何影响和其他未说明的损失。不同效率的值由Forristall（2003）一个人推荐，除了和，在这两个值上选取了值得注目的较低的效率。这个保守的假说被建立起来以便解释由可能降低系统性能的低成本收集器导致的相对较低的光截获因子（0.9）。为了减少q34，r
15、ad的量级，一个精心选择的涂层被安装在了集丝管上，最大化了太阳光吸收率，最小化了红外线发射率。这个发射率是根据Forristall关于“Solar UAV cermet”涂层的推荐值计算的：对于每一个离散的收集器单元（长度等于总焦线长度除以节点数量）来说，不同的能量平衡方程可以使用以下方程：再者，在每个单元中的传热流体压力降可以用以下等式估算：当f表示摩擦因素时，计算使用Gnielinski关系。用在太阳能收集的建模的不同参数在表二中被总结：表23.2蒸发器模型蒸发器建模采用关于对流式换热器的对数平均温度差（LMTD）法。换热器被细分成三个活动边界区，每个都被传热面积A和传热系数U描述。传热系
16、数U通过考虑两个串联对流交换热阻计算：换热器总传热面积由下式给出：Np为板数量，L为板长度，W为板宽度3.2.1单相的受迫对流传热系数由无量纲关系求出：在这里受温度影响的黏度被忽略了参数C，m,n由波纹板换热器的Thonon关系设定。压力降由下列关系计算：在这里f是摩擦因数，由Thonon关系计算，G表示质量速度（kg/sm2）, 表示流体密度，Dh表示水力直径，L表示板长度。3.2.2沸腾传热系数整体沸腾传热系数由Hsieh关系计算，这个关系是为垂直板式热交换器中的R410a制冷剂的沸腾建立的。这个热交换系数被认为是在整个蒸发过程中恒定的并且由下式计算：在这里Bo表示沸腾数，hl表示全液体非沸腾系数。压力降可以用跟一样的等式求出，使用计算摩擦
