太阳能和地热能联合驱动的有机朗肯循环热力学分析及循环结构对比

发布时间：2020-05-11 13:25

【摘要】：电力消耗被认为是影响国家经济和技术增长的关键因素之一。当前世界发电的主要方式依然是传统的化石燃料,随着能源危机以及环境问题的日益严峻,国内外研究人员也将研究重点转向了清洁和可再生能源。可再生能源储量丰富且分布范围广,可以为人类活动提供足够的能源。可再生能源主要有太阳能、地热能、风能、生物质能等。其中,地热能和太阳能已成为发展最快的可再生能源。当前有很多方法可以利用上述可再生能源进行电力生产。其中最有发展潜力的技术之一便是有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC),该方法通过利用中低温热能资源进行电力生产,但是单纯的地热能利用相对比较低效,而小型太阳能/地热ORC系统利用地热能与太阳能两种能源的耦合,非常有应用潜力。因而近年来有研究人员已经开始研究太阳能和地热能耦合的有机朗肯循环系统。该方向是相对较新的研究领域,考虑到经济和热力学两方面的优势,该耦合系统已经为电力生产带来了较好的收益。本研究旨在进一步研究这一耦合系统。因此,本文对太阳能和地热能驱动的三种不同的有机朗肯循环联合驱动系统进行了热力学对比分析。利用MATLAB和NIST/REFPOPM建立各循环结构的热力学模型。热力学分析主要关注ORC元件的净输出功、热效率、?效率和?损失。本文提出的三个模型分别是:太阳过热模型、太阳预热模型和地热预热模型,根据蒸发温度对模型进行优化。由于全球经济和人口的增长,从2012年到2035年,全球能源需求将增长33%以上。这一增长主要发生在发展中国家,原因在于发展中国家的经济增长率很高以及其城镇化的发展。目前来看,大多数电力供应仍然依靠传统的化石燃料等不可再生能源。这些以传统能源为基础的发电厂也对环境产生了巨大影响。随着发电量的增加,燃烧的有害副产品和气体随之增加,从而加剧全球变暖问题的严峻性。因而迫切需要开发和研究可再生能源的利用。全球变暖问题加剧,预计到2035年排放的二氧化碳升高19%,全球平均气温将会增加到3.6°C。国际科学界一致认为,这些有害气体的排放是导致地球温度升高的主要原因。联合国气候变化框架公约最近宣布了一些减轻全球变暖的协议。迄今为止,《巴黎协定》已有193个国家签署,其中115个国家获批。具体协议如下:保持全球平均气温升幅远低于工业化前水平的2℃,并继续追求将气温升幅限制在工业化前水平的1.5℃,影响气候变化的风险显著降低;提高适应气候变化不利条件的能力,在不威胁粮食生产的前提下发展低温室气体排放的生产活动;使经济发展与节能减排相一致;能源消耗与生活水平直接相关,人均能源最低的国家也显示最低的人类发展指数。因此,全球能源需求的增加、常规能源的消耗和气候变化导致人们迫切需要更多地开发和研究可再生能源,这是一种更可持续和更稳定的能源需求方式。可再生能源有很多种,其中太阳能来自太阳内部的核聚变,地热能是从地下提取的热量,其他可再生能源还包括生物质能,风能,潮汐能等。这其中储量最大的可再生能源为太阳能和地热能。太阳能能量以光子和许多其他不同波长射线的形式到达地球,太阳能的利用主要是利用太阳能电池板和热管来提取,并分别使太阳能转化为电能和热能。地热能是从地核熔融的热量中提取出来的,地核通过传导和对流作用转移到地下土壤、岩石或其他地热流体中。其他形式的可再生能源,如太阳能、风能、水力等受环境影响很大,而地热能因储存于地下,受环境天气等影响很小,因而相比太阳能、风能等可再生能源,地热能是最可靠、最稳定的可再生能源之一。此外,地热能的利用也满足了环境保护的要求:大多数地热开环电厂的二氧化碳排放量低于煤炭和其他化石燃料发电厂等传统能源的排放量,在闭环地热发电厂,则无二氧化碳排放。有机朗肯循环是近年来最有前景的利用中低温热能生产电能的技术之一。该技术由以色列工程师Harry Zvi Tabor和Lucien Bronicki最早提出。ORC技术自20世纪80年代开始在市场上使用,至今已有200多个项目应用该技术,总功率约为2000MW。根据热力学原理,有机朗肯循环(ORC)与蒸汽朗肯循环相似。在ORC系统中,水被高分子质量的有机工作流体替代,与水相比,有机工质的沸点更低。有机工质流体的特性使ORC系统非常适合应用于涉及中低温热源利用的场合(温度通常小于400°C)。对于低温热源发电方式还有Kalina循环和CO_2跨临界循环。在Kalina循环中,由于工作流体滑移温度的存在,使得热源匹配性更优,热源与工作流体之间的传热温差减小,降低了传热过程的不可逆损失,从而循环热效率更高。然而,为了达到这一效果,在Kalina循环中必须保持较高的最大压力,而且需要更多的元件,如吸收器和分离器,故由于设备等因素使得Kalina循环系统的初投资更高。CO_2跨临界循环的相变过程也是在非等温条件下发生的,提高了传热能力,这一点与Kalina循环相同,但其热力学性质较差。此外与有机朗肯循环相比,CO_2跨临界循环的工作流体为两相,从而导致了膨胀机设计的复杂性。综上,对于中低温热源,目前最广泛使用的技术仍然是有机朗肯循环。有机朗肯循环使用与蒸汽朗肯循环(锅炉、膨胀机、冷凝器和泵)近似相同的组件,但使用有机流体是一种工作介质。理想的工作流体应该具有无毒、环境友好、无腐蚀性、不易燃、密度高、低品位沸点、市场易得等特点。本文对能源、热能管理、应用能源等相关期刊论文和世界顶尖大学关于地热-太阳能联合驱动有机朗肯循环的相关论文进行了广泛的综述,并对太阳能ORC、地热ORC以及太阳能地热能联合驱动ORC进行了热经济性分析。在以上领域已经存在很多研究,但太阳能地热能联合驱动仍然是一个相对较新的研究方向,需要进一步探索和开发。本文讨论了目前世界上研究和应用的三种主要循环结构。利用热力学的基本定律,在MATLAB上建立了三种循环结构的模型并对热力学参数和效率进行了分析比较。由于本研究仅基于理论性能,所以只考虑MATLAB模型,得到仿真结果并进行比较,没有考虑或检验实验数据。太阳能-地热能有机朗肯循环的三种循环结构如下:太阳能过热模型;地热预热模型;太阳能预热模型。研究目标:利用MATLAB仿真和优化技术对这三个模型的热力学结果进行分析和评价。三个模型将按照以下标准进行比较:净输出功;循环热效率;循环?效率;ORC的各个组件的?损失。在有机朗肯循环研究中,工质的选择对循环各项性能有重要影响。因而本文模型研究了多种不同工质,包括所有类别(湿工质、干工质和等熵工质),使用不同工质并利用三个模型来评估它们各自的性能。本论文共分五章:第一章为绪论,主要介绍了本文的研究背景、当前研究的动机和目标;第二章为文献综述,介绍了已有的在该领域的所做研究以及正在进行的研究;第三章为本研究的主要工作,给出了模型及其原理图和T-S图,以及解决和模拟混合太阳能地热ORC的方法和机制;第四章是对模型得出的结果和结论进行分析,给出了三种不同模型的热力学结果,并基于目标得出相关结论;第五章讨论了有机朗肯循环系统各个部件的?损失。计算蒸发器、冷凝器、工质泵和膨胀机的?损失,并以表格形式给出系统的?损失总量;第六章总结了本研究所做的主要工作,并对现有循环改进情况进行了比较和讨论,对该技术及本研究相关领域进行了展望。太阳能过热ORC模型:太阳能过热模型是利用太阳能和地热能模拟ORC工作的MATLAB模型。该模型的特点是利用太阳能为工作流体进行加热使其达到过热状态。图1太阳过热模型示意图地热热源作为预热器工作加热工质,使温度从状态1上升到状态2。地热温度为120℃,状态1的工质温度为30℃。预热过程后,工作液进入蒸发状态,从状态2到状态3。该过程蒸发压力保持不变。随后工作流体被太阳能集热器加热(状态3到状态4)后进入膨胀机膨胀做功(状态4膨胀到状态5)。在状态4,工作流体的温度达到了最大的过热状态,它以过热蒸汽的形式在膨胀机上膨胀。在状态5,膨胀机出口温度和压力下降,工作流体到达冷凝器入口,流体压力达到最小值。从状态6到状态7的冷凝作用过程中,冷凝器的压力保持不变,两相工作液在低压下由气相转化为液相。从状态7到状态1的变化,工质泵做功将工质压力升高,使其再次进入预热器加热,完成整个循环。太阳能预热ORC模型:太阳能预热模型与过热模型不同,它利用太阳能热源对工作流体进行预热。在该模型中,工质蒸发的主要热量来自地热能,而预热热量来自太阳能。下图是该模型的示意图。地热能预热ORC模型:在前两个模型中,两种模型均采用地热能源蒸发,但太阳能一次用于预热,一次用于过热。但在本模型中,地热能不用于蒸发目的,仅用于预热目的。能量的主要来源将是太阳能,它将为蒸发过程提供能量。该模型的原理图如下所示。图5地热能预热模型示意图地热热源作为预热器工作,加热温度从状态1上升到状态2的工作流体。地热储层温度为120℃,状态1的工作流体温度为30℃。预热过程后,工作液的蒸发从状态2发生到状态3。在这两种状态下,蒸发压力保持不变。在120℃的高温下,工作流体被太阳热源蒸发,然后进入膨胀机,从状态3膨胀到状态4。在状态4,工作流体的温度达到最大的过热状态,并以蒸汽的形式在膨胀机上膨胀。在状态5时,膨胀机输出温度和压力下降,这个过程一直持续到工作流体到达冷凝器入口,此时工作流体的温度和压力达到最小值。在从状态6到状态7的冷凝作用过程中,冷凝器的压力保持不变,由于两相工作液在低压下转化为液相。从状态7到状态1的变化显示了泵的作用,它负责将工作流体压力升高,使其再次被驱动到预热器中,有机朗肯循环如此循环进行。在本研究的最后一章,总结了本研究所做的工作,并提出了本研究的所有比较和结论。根据这三个热力学模型的热力学性质对它们进行了研究,并分别进行了能量和?分析。在对所有模型进行热力学分析后,最后在本章中分析ORC组件的?损失。ORC组件(蒸发器、膨胀机、工质泵和冷凝器)将根据?损失进行进行分析,然后根据每个配置和使用的工作流体类型进行比较。基于热效率,?效率,净输出功和净功率输出对三种模型进行了研究。选择8种不同的工作流体,临界温度从低到高范围。每种模型都使用了8种工作流体,并得出相应的结果。三种模型的每种工作流体的结果都得到并在最后进行比较。对于太阳能过热模型,随着工作流体的临界温度的增加,净输出功减少。由于R365mfc是临界温度最高为186.65°C的工作流体,因此具有最低净功率。同样,R124具有最低的临界温度值,但对于R236fa的最高净输出功,热效率和?效率对于工作流体的临界温度的增加显示出一定的规律性,因为它们全部在热效率的7%和?效率的48-49%之间。所有使用的工作流体在临界温度下的ORC组分中的总?损失表现出随机的趋势,?损失没有确定的增加或减少的趋势。因此,为了找到太阳能过热模型的最佳工作流体,必须考虑到几个参数:最佳工作流体应该产生最大净输出功、最佳效率值和最低?损失。根据所述,R245fa和R245ca表现出更好的性能,并且是作为用于太阳能过热模型的最佳工作流体。太阳能预热模型的结果与太阳能过热模型相当,净输出功、热效率、?效率和?损失的值相对较低。但这两种模型的Wnet-Teva曲线几乎与太阳能预热曲线相同,显示净输出功率略低于太阳能过热模型。比较模型中的工作流体,净输出功(Wnet)的趋势与太阳能过热模型类似。Wnet随着工作流体临界温度的升高而降低。R124具有最低临界温度,最高净输出功为857kW。另一方面,R236mfc的临界温度值最高,输出功最低,为855kW。与之前的模型不同,热效率和?效率都显示出随临界温度的升高而增加的趋势。热效率从R124的6%增加到R365mfc的7%。同样,?效率从R124的15%增加到R365mfc的17%。然而,?损失呈现出随机趋势,并且对于临界状态较低的工作流体显示出相对较高的值。总结:首先,本研究是基于理论方法,采用MATLAB软件进行热力学分析,为此,后续需要对理论模型中使用的所有给定条件和参数进行全面的实验设置,以验证理论模型的结果。其次,由于本研究是一项比较研究,涉及不同模型的比较和各模型中工作流体各自的性能,因此需要进行更多的优化。模型仅根据蒸发温度进行优化,因为在模型的热力学分析中还涉及到其他几个参数,结果在准确度上还存在欠缺。模型需要根据其他更全面的优化参数,如太阳辐射的变化,环境温度,热源温度,质量流量等。该研究试图使模型更加优化并完成多目标优化,但是由于一些困难和问题并没有实现所需的结果。对于采用遗传算法进行的多目标优化方法,其趋势和结果与仅通过蒸发温度进行优化的结果非常相似,只是迭代次数增加了。第三,本研究没有涉及模型经济方面的细节。因为本研究领域在有机朗肯循环相对较新,后期仍有很大的改进空间。可再生能源的研究发展是当今国内外专家学者研究的热点问题,将ORC与可再生能源结合在一起具有巨大的潜力和发展前景。世界上越来越多的研究人员关注这一领域,以期该领域能得到进一步的发展。就本研究而言,在工作中所面临的问题和改进的空间给了我们很大的动力,让我们在以后的工作中更多地去研究和改进这些模型。本研究的下一步是使这些模型更加地优化,并对其进行经济性分析。本理论工作完成后,将建立一个实际的实验装置,对研究进行进一步的验证和探索。
【图文】：

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太阳过热模型示意图

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太阳能预热模型示意图
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK123

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