結合太陽輻照分散性強、能流密度低、易于轉化為中低溫熱源的物理特性,本文提出低倍聚焦集熱與有機朗肯循環(huán)(organic Rankine cycle, ORC)相結合的太陽能中低溫熱發(fā)電系統。與大規(guī)模、高聚焦比的太陽能高溫熱發(fā)電方式相比,太陽能中低溫熱發(fā)電通過無須復雜跟蹤裝置的低倍聚焦復合拋物面集熱器(compound parabolic concentrator, CPC)獲取熱能,集熱效率高且可有效利用漫射輻照。ORC循環(huán)由于工質低沸點的特性,在中低溫條件下可以獲得較高的蒸汽壓力,推動膨脹機做功,其中低溫熱功轉換性能優(yōu)于水蒸氣朗肯循環(huán)。ORC與CPC集熱器相結合將是實現低成本、規(guī)�；柲軣岚l(fā)電利用的有效途徑之一。系統初投資少,建設周期短,風險小,加上易模塊化的特點,其技術容易成熟。同時太陽能ORC熱發(fā)電系統的冷凝端可實現熱水及暖氣輸出,100-250℃的集熱溫度可實現熱能驅動的制冷循環(huán),中低溫相變蓄熱技術易于實現系統的穩(wěn)定持續(xù)運行。這些特點有利于形成基于太陽能的冷熱電綜合供能系統。 目前ORC主要與工業(yè)余熱、地熱等熱源相結合,在工業(yè)余熱、地熱領域的應用已具備一定基礎。許多學者也對ORC的重要部件膨脹機進行了研究,但是采用的膨脹機通常為螺桿膨脹機或渦旋膨脹機。這些膨脹機大多是在壓縮機的基礎上進行結構改造,絕熱等熵效率不高,且缺乏小型有機工質膨脹機內部流動及熱功轉換等基礎問題的深入研究。在太陽能集熱方面,過去很長一段時期相關研究主要在高溫(300℃以上)和低溫(100℃以下)集熱領域,太陽能中溫光熱利用(100-250℃)只在最近幾年時間才引起較為廣泛的重視,并得到了快速發(fā)展。盡管太陽能中溫集熱技術具有很強的應用前景,但相關的應用基礎問題研究相對滯后。 本文圍繞100-250℃溫度范圍內太陽能ORC熱發(fā)電應用基礎問題開展研究。擬解決的問題主要包括: 1)傳統太陽能熱發(fā)電系統正常運行時,換熱介質從集熱器獲得熱量并通過蒸發(fā)器把熱量傳遞給有機工質。蒸發(fā)器中存在巨大的傳熱不可逆損失,是ORC效率低于卡諾循環(huán)效率的重要原因。蒸發(fā)器中可用能的損失占整個ORC可用能總損失的比例達70%以上。巨大的傳熱不可逆損失導致了高的換熱介質平均工作溫度,與之相應的是較低的太陽能集熱效率。 2)膨脹機是太陽能ORC熱發(fā)電的關鍵部件之一,目前商業(yè)化膨脹機大多為MW級,且采用的做功介質通常為水蒸氣或空氣,因此已有的膨脹機流動及熱功轉換關系式是基于水蒸氣或空氣物性的。相同溫度條件下,有機工質不論是粘度、密度、壓力、絕熱指數還是聲速等都與水蒸氣或空氣有著巨大差異,在新的物性參數作用下,傳統大功率膨脹機熱功轉換效率的經驗關系式有可能不具備適用性。工質泵的加壓也存在新的科學問題,泵機械運動的不可逆損失將導致有機工質流入泵時溫度上升,有機工質常溫下高汽化壓力容易產生氣蝕現象,并導致泵機械效率下降或斷液等問題。 為此,本文建立了系統的輻照集熱-相變蓄熱-熱力循環(huán)三者之間的參量耦合及能量匹配數學模型,對系統結構及運行方式、有機工質、光熱光電性能等方面進行了數值優(yōu)化,并利用初步搭建的實驗平臺對kW級小型有機工質膨脹機、工質泵及ORC循環(huán)進行了測試和性能驗證。論文的主要創(chuàng)新點為: 1)設計了兩級集熱結構,集熱器傳熱介質與有機工質通過雙循環(huán)進行換熱,有效降低了蒸發(fā)器內可用能的損失。 2)在兩級集熱的基礎上,提出了平板集熱器與CPC集熱器聯合工作的思想,提出了平板集熱器比例的優(yōu)化方法,設計了系統優(yōu)化運行方案。 3)設計了內蓄熱結構,在維持太陽能ORC熱發(fā)電穩(wěn)定性的同時減少了傳熱介質與相變材料之間的二次換熱。并進一步設計了兩級蓄熱結構,減少蓄熱及放熱過程的可用能損失。 4)將太陽能ORC熱發(fā)電與光伏發(fā)電相結合,設計太陽熱發(fā)電/光伏發(fā)電復合系統,并對其性能進行了研究。 5)依靠課題組自主設計與搭建的實驗平臺,基于高效kW級小型渦輪膨脹機,創(chuàng)新性對小型ORC系統進行了實驗研究。
【學位單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2011
【中圖分類】：TK514
【部分圖文】：

槽式聚光器美國LUZ公司(LuzSolar)是槽式太陽能熱發(fā)電技術應用的典范，在1985-1991

（SOLEL）公司的技術最為先進，也最具代表性，其產品已廣泛應用于熱發(fā)電領域。其中索萊爾公司的產品 UVAC2008 集熱器工作溫度為 400℃收率大于 0.96，涂層發(fā)射率不到 0.1，據美國可再生能源實驗室測試報告場上一般的槽式拋物面集熱器相比，UVAC2008 可使熱量損失有效降該新型集熱器已被西班牙計劃建設的 150MW 太陽能熱發(fā)電站中訂購[1.2 塔式系統式太陽能熱發(fā)電系統的基本工作方式是采用獨立跟蹤太陽軌跡的定日太陽光線聚焦到固定在塔頂部的接收器表面，以獲得高溫熱源，直接或熱工質，以產生高溫高壓氣體，推動膨脹機做功。塔式聚光系統整體布局2 所示。980 年，由意大利、法國、德國、西班牙等 9 個歐洲國家在西西里島聯合世界首座并網運行的塔式太陽能熱電站，定日場配置 70 臺 50.0 m2和.0 m2的聚光鏡，塔高約 50 米，該電站的額定功率 1.0 MW，總的占地面，000 平方米。

圖 1.3 碟式聚光器上世紀70年代末至80年代初由瑞典的USAB及美國的多家科研機構此后韓國、德國、西班牙等國家的科研部門相繼開展了碟式太陽能熱開并完成樣機測試。在這項研究中，太陽能轉換效率最高近 30%，吸為 65%-90%[8]。以下是國際上幾個具有代表性的項目：82 年美國加州地區(qū)建造了碟式斯特林太陽能熱發(fā)電實驗裝置，聚光器為 5.5m，由三百多個小鏡面構成，鏡面總的集熱面積為 89.0m2,焦6m，工作溫度高達 1000℃，太陽能熱電轉換效率達 29%，峰值發(fā)電 24.6kW。94 年澳大利亞建造了一套旋轉拋物反光鏡面積為四百多平米的 50kW陽能熱發(fā)電系統，產生的水蒸汽直接驅動汽輪機組發(fā)電。04 年，美國 SES 公司在桑地亞（Sandia）國家實驗室建造了五套 25k斯特林系統；2005 年 SES 公司進一步建造了 40 套 25kW 的碟式系統
【引證文獻】

相關期刊論文 前2條

1 宋健;徐俊杰;李艷;顧春偉;;太陽能中低溫有機朗肯循環(huán)系統的設計與分析[J];工程熱物理學報;2014年07期

2 馬新靈;孟祥睿;魏新利;王慧;楊凱旋;;有機朗肯循環(huán)低品位熱能發(fā)電系統向心透平的設計與性能研究[J];中國電機工程學報;2014年14期

相關碩士學位論文 前1條

1 李慧;ORC低溫余熱發(fā)電系統的理論分析和實驗研究[D];鄭州大學;2013年

本文編號：2860913