学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

太阳能有机朗肯循环中低温热发电系统的数值优化及实验研究

作　者: 李晶
导　师: 季杰；裴刚
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 热能工程
关键词: 太阳能热发电有机朗肯循环复合抛物面集热器
分类号: TK514
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
下　载: 271次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

结合太阳辐照分散性强、能流密度低、易于转化为中低温热源的物理特性,本文提出低倍聚焦集热与有机朗肯循环(organic Rankine cycle, ORC)相结合的太阳能中低温热发电系统。与大规模、高聚焦比的太阳能高温热发电方式相比,太阳能中低温热发电通过无须复杂跟踪装置的低倍聚焦复合抛物面集热器(compound parabolic concentrator, CPC)获取热能,集热效率高且可有效利用漫射辐照。ORC循环由于工质低沸点的特性,在中低温条件下可以获得较高的蒸汽压力,推动膨胀机做功,其中低温热功转换性能优于水蒸气朗肯循环。ORC与CPC集热器相结合将是实现低成本、规模化太阳能热发电利用的有效途径之一。系统初投资少,建设周期短,风险小,加上易模块化的特点,其技术容易成熟。同时太阳能ORC热发电系统的冷凝端可实现热水及暖气输出,100-250℃的集热温度可实现热能驱动的制冷循环,中低温相变蓄热技术易于实现系统的稳定持续运行。这些特点有利于形成基于太阳能的冷热电综合供能系统。目前ORC主要与工业余热、地热等热源相结合,在工业余热、地热领域的应用已具备一定基础。许多学者也对ORC的重要部件膨胀机进行了研究,但是采用的膨胀机通常为螺杆膨胀机或涡旋膨胀机。这些膨胀机大多是在压缩机的基础上进行结构改造,绝热等熵效率不高,且缺乏小型有机工质膨胀机内部流动及热功转换等基础问题的深入研究。在太阳能集热方面,过去很长一段时期相关研究主要在高温(300℃以上)和低温(100℃以下)集热领域,太阳能中温光热利用(100-250℃)只在最近几年时间才引起较为广泛的重视,并得到了快速发展。尽管太阳能中温集热技术具有很强的应用前景,但相关的应用基础问题研究相对滞后。本文围绕100-250℃温度范围内太阳能ORC热发电应用基础问题开展研究。拟解决的问题主要包括:1)传统太阳能热发电系统正常运行时,换热介质从集热器获得热量并通过蒸发器把热量传递给有机工质。蒸发器中存在巨大的传热不可逆损失,是ORC效率低于卡诺循环效率的重要原因。蒸发器中可用能的损失占整个ORC可用能总损失的比例达70%以上。巨大的传热不可逆损失导致了高的换热介质平均工作温度,与之相应的是较低的太阳能集热效率。2)膨胀机是太阳能ORC热发电的关键部件之一,目前商业化膨胀机大多为MW级,且采用的做功介质通常为水蒸气或空气,因此已有的膨胀机流动及热功转换关系式是基于水蒸气或空气物性的。相同温度条件下,有机工质不论是粘度、密度、压力、绝热指数还是声速等都与水蒸气或空气有着巨大差异,在新的物性参数作用下,传统大功率膨胀机热功转换效率的经验关系式有可能不具备适用性。工质泵的加压也存在新的科学问题,泵机械运动的不可逆损失将导致有机工质流入泵时温度上升,有机工质常温下高汽化压力容易产生气蚀现象,并导致泵机械效率下降或断液等问题。为此,本文建立了系统的辐照集热-相变蓄热-热力循环三者之间的参量耦合及能量匹配数学模型,对系统结构及运行方式、有机工质、光热光电性能等方面进行了数值优化,并利用初步搭建的实验平台对kW级小型有机工质膨胀机、工质泵及ORC循环进行了测试和性能验证。论文的主要创新点为:1)设计了两级集热结构,集热器传热介质与有机工质通过双循环进行换热,有效降低了蒸发器内可用能的损失。2)在两级集热的基础上,提出了平板集热器与CPC集热器联合工作的思想,提出了平板集热器比例的优化方法,设计了系统优化运行方案。3)设计了内蓄热结构,在维持太阳能ORC热发电稳定性的同时减少了传热介质与相变材料之间的二次换热。并进一步设计了两级蓄热结构,减少蓄热及放热过程的可用能损失。4)将太阳能ORC热发电与光伏发电相结合,设计太阳热发电/光伏发电复合系统,并对其性能进行了研究。5)依靠课题组自主设计与搭建的实验平台,基于高效kW级小型涡轮膨胀机,创新性对小型ORC系统进行了实验研究。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-15
第一章绪论  15-40
  1.1 太阳能热发电应用前景和技术优势  15-16
  1.2 太阳能热发电现状  16-23
    1.2.1 国外现状  16-23
      1.2.1.1 槽式系统  16-19
      1.2.1.2 塔式系统  19-21
      1.2.1.3 碟式系统  21-23
    1.2.2 国内现状  23
  1.3 现阶段太阳能热发电的局限性  23-24
  1.4 太阳能中低温热发电技术背景  24-26
  1.5 有机朗肯循环研究现状  26-31
    1.5.1 有机朗肯循环工质研究现状  26-28
    1.5.2 有机朗肯循环膨胀机研究现状  28-31
  1.6 低倍聚焦复合抛物面集热器研究现状  31-32
  1.7 太阳能中低温热发电技术可行性和应用前景  32-37
    1.7.1 可行性分析  32-35
    1.7.2 应用前景分析  35-37
  1.8 太阳能中低温热发电研究现状  37-39
  1.9 论文主要工作  39-40
第二章太阳能ORC 热发电基本原理  40-59
  2.1 CPC 集热器工作原理  40-48
  2.2 有机朗肯循环工作原理  48-57
  2.3 本章小结  57-59
第三章太阳能ORC 热发电结构及运行方式优化  59-99
  3.1 引言  59-60
  3.2 系统结构及工作原理  60-65
    3.2.1 内蓄热式太阳能ORC 热发电系统工作原理  60-63
    3.2.2 抽气回热式太阳能ORC 热发电系统工作原理  63-64
    3.2.3 两级集热和蓄热太阳能ORC 热发电系统工作原理  64-65
  3.3 数学模型  65-75
    3.3.1 ORC 热力循环计算  65-69
      3.3.1.1 内蓄热式系统ORC 分析  65-67
      3.3.1.2 抽气回热式系统ORC 循环分析  67-68
      3.3.1.3 两级集热和蓄热系统ORC 循环分析  68-69
    3.3.2 热交换器内的换热过程计算  69-71
      3.3.2.1 工质液相区  70-71
      3.3.2.2 两相区  71
    3.3.3 整体集热效率公式的推导  71-73
    3.3.4 蓄热过程的集热效率分析  73-74
    3.3.5 CPC 集热器所接收的辐照量计算  74
    3.3.6 导热油沿程阻力分析  74-75
    3.3.7 整体太阳能ORC 发电效率计算  75
  3.4 计算结果及性能分析  75-96
    3.4.1 不同蒸发器级数条件下集热器热效率对比  76-80
      3.4.1.1 单级蒸发器对应的CPC 集热效率分析  76-78
      3.4.1.2 两级蒸发器对应的CPC 集热效率分析  78-80
    3.4.2 平板集热器和CPC 集热器联合工作整体集热效率分析  80-85
      3.4.2.1 平板集热器和CPC 集热器效率对比  80-81
      3.4.2.2 集热和发电同时进行条件下联合集热系统分析  81-83
      3.4.2.3 集热和发电分别进行条件下联合集热系统分析  83-85
    3.4.3 倾角调整对CPC 集热器表面直射辐照量的影响  85-88
    3.4.4 回热式结构对太阳能ORC 热发电性能的影响  88-91
      3.4.4.1 回热式结构对太阳能集热器热效率的影响  88-89
      3.4.4.2 回热式结构对系统整体性能的影响  89-91
      3.4.4.3 混合加热器抽气量分析  91
    3.4.5 太阳能ORC 热发电整体性能分析与优化  91-96
      3.4.5.1 年蒸发温度优化与发电量计算  91-93
      3.4.5.2 逐月蒸发温度优化与发电量计算  93-96
  3.5 本章小结  96-99
第四章太阳能ORC 热发电工质优化  99-110
  4.1 引言  99
  4.2 工质分类  99-103
  4.3 数学模型  103-104
    4.3.1 干工质热力循环计算  103-104
    4.3.2 绝热工质热力循环计算  104
  4.4 计算结果及性能分析  104-109
    4.4.1 α对液态区集热器效率的影响  105-106
    4.4.2 不同工质对集热器整体效率的影响  106-107
    4.4.3 不同工质对太阳能ORC 热发电系统整体效率的影响  107-109
  4.5 本章小结  109-110
第五章太阳能ORC 热发电与光伏发电复合系统  110-121
  5.1 引言  110-111
  5.2 系统原理及组成  111-114
  5.3 数学模型  114-119
    5.3.1 PV-CPC 集热器辐射传热分析  114
    5.3.2 PV-CPC 集热器对流传热分析  114-115
    5.3.3 PV-CPC 集热器能量平衡关系式  115-117
    5.3.4 太阳能ORC 热发电和光伏发电复合系统总发电效率计算  117-119
  5.4 结果和讨论  119-120
  5.5 本章小结  120-121
第六章小型ORC 实验平台建造及性能测试  121-136
  6.1 引言  121-122
  6.2 系统基本结构及热力学分析  122-125
  6.3 ORC 实验设置  125-129
  6.4 结果与讨论  129-132
  6.5 效率分析  132-134
  6.6 补充说明  134-135
  6.7 本章小结  135-136
第七章小型有机工质膨胀机外部热损研究  136-149
  7.1 引言  136-137
  7.2 系统简介  137-139
  7.3 理论分析  139-141
    7.3.1 对流传热分析  139-140
      7.3.1.1 表面B 和D 对流传热  140
      7.3.1.2 表面A 和E 对流传热  140
      7.3.1.3 表面C 对流传热  140
    7.3.2 辐射传热分析  140-141
    7.3.3 导热分析  141
    7.3.4 总外部热损分析  141
  7.4 实验设置  141-142
  7.5 实验结果及讨论  142-147
    7.5.1 ORC 实验测试  142-144
    7.5.2 电加热实验  144-146
    7.5.3 传热系数计算  146-147
  7.6 本章小结  147-149
第八章工作总结和展望  149-151
  8.1 工作总结  149
  8.2 后续工作展望  149-151
参考文献  151-161
附录1 符号表  161-163
附录2 图表清单  163-168
攻读学位期间发表的学术论文和取得的其它成果  168-170
致谢  170-171

太阳能有机朗肯循环中低温热发电系统的数值优化及实验研究

内容摘要

全文目录

相似论文