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非共沸工质定输出太阳能有机朗肯循环性能研究

鄢银连  
【摘要】:太阳能绿色清洁、储量丰富,但能流密度低,更易于转化为低品位热能。有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)以有机物为工质,能有效利用低品位热能。太阳能有机朗肯循环(Solar Organic Rankine Cycle,SORC)发电系统利用有机朗肯循环将太阳能集热器收集的热能转化为电能,发展潜力巨大。气候变化会造成太阳辐射不稳定,使得常规SORC系统难以维持额定工况运行状态,而定输出对于电网安全性以及满足用户需求有着重要意义。ORC性能受工质直接影响,由多种有机纯工质构成的非共沸混合工质,由于其各组分间的沸点差异,使得其相变过程中的温度不断变化,能够改善工质相变过程与冷热源间的温度匹配,达到提升循环性能的目的。本文将非共沸混合工质与定输出SORC系统相结合,对非共沸混合工质定输出SORC系统进行了研究,研究主要内容及结论如下:(1)构建了非共沸混合工质定输出简单SORC系统与定输出回热SORC系统热性能及?性能模型,并通过MATLAB2019a对模型准确性进行了验证;基于建立的热性能模型,研究了热源温度、工质种类、循环构型以及运行参数对系统效率、循环效率、集热面积、回热效率等的影响规律,并详细讨论了有关影响机理;结果表明,定输出回热SORC系统效率显著高于定输出简单SORC系统;增大过热度将导致定输出简单SORC系统集热面积增大,而定输出回热SORC系统集热面积将减小。(2)建立了非共沸混合工质定输出简单SORC系统与定输出回热SORC系统性能优化模型,以蒸发压力、透平进口工质过热度为优化参数,系统效率为优化目标对系统进行了参数优化,研究了热源温度与环戊烷摩尔组分对优化参数、最优系统效率、优化后循环效率、回热效率、集热面积、工质质量流量等的影响。结果表明,当热源温度较低时,使用混合工质能够提高定输出SORC系统性能。定输出简单SORC系统中,对纯工质系统而言,当热源温度275℃时,环戊烷优于环己烷;当热源温度300℃时,环己烷优于环戊烷。当热源温度为200-325℃时,与最优纯工质相比,采用混合工质后最优系统效率分别相对提升了2.18%、1.65%、1.32%、2.22%、1.84%与0.25%。随热源温度升高,混合工质对最优系统的提升效果恶化,当热源温度大于350℃时,纯工质优于混合工质。定输出回热SORC系统中,就纯工质而言,各热源温度下,环己烷均优于环戊烷。当热源温度为200-225℃时,与最优纯工质相比,采用混合工质后最优系统效率分别相对提升了2.15%与0.95%。随热源温度增大,最优环戊烷摩尔组分呈减小趋势。(3)基于以建立的?分析模型与系统性能优化模型,对非共沸混合工质定输出简单SORC系统与定输出回热SORC系统进行了?分析,调查了热源温度与环戊烷摩尔组分对系统?效率以及?损失分布的影响。结果表明,采用混合工质能够提高定输出SORC系统?效率。定输出简单SORC系统中,当热源温度较低时,蒸发器?损失占到了系统?损失的主要部分;当热源温度较高时,冷凝器?损失占到了系统?损失的主要部分;透平?损失总体上变化较小。


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