基于有机朗肯循环的中低温太阳能热综合利用系统的研究

摘要

目前中低温太阳能集热技术相对成熟，同时有机朗肯循环技术在中低温领域具有比水蒸汽朗肯循环优越的热功转换性能，将这两种技术组合而形成基于有机朗肯循环的中低温太阳能热发电系统，具有很大的发展潜力。同时太阳能有机朗肯循环热发电系统的冷凝端可实现热水及采暖输出，收集的中温范围的太阳能还可以用于制冷，中低温相变蓄热技术也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分布式供能系统。本文构建了一种基于有机朗肯循环的太阳能热发电系统，采用理论与实验研究相结合的方法对循环性能及关键因素进行了深入的研究，同时本文还构建了基于有机朗肯循环和溴化锂吸收式制冷的太阳能多联供系统。
　　首先，建立了基于有机朗肯循环系统的中低温太阳能热发电系统在不同运行模式下的数学模型。重点分析了太阳能集热系统的主要影响因素以及有机朗肯循环系统中的关键因素对于循环性能的影响规律。获取了太阳辐射强度、集热器平均温度以及环境工况等对于集热器及整个系统的性能的影响规律;详细研究了三种运行模式下的循环蒸发压力、冷凝压力及膨胀机性能等参数对系统性能的影响，指出回热循环及热电联供循环可以有效地改善循环性能和提高太阳能的利用率，尤其适合用于存在过热的实际系统中。
　　其次，提出了两种不同结构的基于有机朗肯循环和溴化锂制冷技术的太阳能热电冷多联供系统，并进行了理论分析，给出了各自的系统性能。
　　再次，建立了基于有机朗肯循环的中低温太阳能热发电实验系统，并在太阳能有机朗肯循环实验系统基础上建立了太阳能冷热电多联供实验系统。在典型气象日下进行了集热器性能实验，研究了恒定导热油流量与变导热油流量下的主要参数对于集热器性能的影响。在实际天气下开展了太阳能驱动的有机朗肯循环系统实验，分别开展了基本有机朗肯循环实验和回热型有机朗肯循环实验，对比研究了循环的主要内部参数对于循环性能的影响，对理论分析进行验证。
　　最后，在实验中发现负载对实际系统的功率输出特性具有直接影响，开展了发电机负载对于循环功率输出特性的实验研究，在基本循环和回热循环的不同工质流量条件下开展了实验研究，获得了负载功率变化对于循环输出性能以及膨胀机运行性能的影响规律，对于所建立的实验系统，在负载为800W左右时系统输出功率最大。

目录

声明

摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 全球能源利用及发展现状

1．1．2 太阳能光热发电利用及其意义

1．2 太阳能热发电利用现状

1．2．1 高温太阳能热发电利用现状

1．2．2 中低温太阳能热发电利用现状

1．3 有机朗肯循环研究现状

1．3．1 有机朗肯循环工质的研究现状

1．3．2 有机朗肯循环膨胀机的研究现状

1．3．3 有机朗肯循环系统优化与集成的研究现状

1．4 本文的研究内容

第二章 太阳能有机朗肯循环系统原理及热力模型

2．1 抛物面槽式太阳能集热器工作原理及热力模型

2．1．1 槽式太阳能集热器的工作原理与结构

2．1．2 太阳能集热器的光学性能

2．1．3 太阳能集热器的热力计算模型

2．2 有机朗肯循环工作原理及热力模型

2．2．1 基本有机朗肯循环

2．2．2 回热型有机朗肯循环

2．2．3 热电联供型有机朗肯循环

2．3 太阳能有机朗肯循环中工作介质的选用

2．3．1 有机朗肯循环工质的选择

2．3．2 太阳能集热器的循环介质

2．4 本章小结

第三章 太阳能有机朗肯循环性能分析

3．1 太阳能集热器参数对循环系统性能影响分析

3．1．1 太阳辐射强度对循环能的影响

3．1．2 导热油入口温度对循环性能的影响

3．1．3 环境因素对集热器性能的影响

3．2 基本ORC循环内部参数对循环性能影响分析

3．2．1 蒸发压力对基本ORC循环性能的影响

3．2．2 冷凝压力对基本ORC循环性能的影响

3．2．3 过热度与过冷度对基本ORC循环性能的影响

3．2．4 膨胀机性能对基本ORC循环性能的影响

3．3 回热型有机朗肯循环性能分析

3．3．1 蒸发压力对回热型ORC循环性能影响

3．3．2 冷凝压力对回热型ORC循环性能影响

3．3．3 回热度对回热型ORC循环性能影响

3．4 热电联供型有机朗肯循环性能分析

3．4．1 蒸发压力对热电联供型ORC循环性能的影响

3．4．2 冷凝压力对热电联供型ORC循环性能的影响

3．4 本章小结

第四章 太阳能多联供系统的构建与分析

4．1 太阳能多联供系统的构建

4．2 单级加热多联供系统的性能分析

4．3 两级加热多联供系统的性能分析

4．4 本章小结

第五章 太阳能有机朗肯循环实验系统设计与搭建

5．1 实验系统设计

5．1．1 太阳能ORC实验系统介绍

5．1．2 太阳能ORC系统各模块组件

5．1．3 太阳能多联供实验系统

5．2 数据采集系统

5．2．1 气象环境工况测量

5．2．2 有机朗肯循环系统性能参数测量

5．3 实验误差传递及不确定度分析

5．4 本章小结

第六章 太阳能有机朗肯循环系统的实验研究

6．1 槽式太阳能集热器性能实验

6．1．1 实验方法

6．1．2 实验结果及分析

6．2 有机朗肯循环系统性能实验

6．2．1 实验方法

6．2．2 基本有机朗肯循环实验结果与分析

6．2．3 回热型有机朗肯循环实验结果与分析

6．3 本章小结

第七章 研究总结与展望

7．1 本文主要工作与结论

7．2 研究展望

参考文献

作者在攻读博士期间发表的论文及其他成果

致谢