制冷工质在低温发电中的热力学分析

　　0　引　言

　　常规能源的全球拥有量急剧下降,同时环境危害不断突出,可再生能源成为现今改变人类的能源结构、维持长远的可持续发展的依托。在可再生能源中,太阳能以其独有的优势而被人们所重视。丰富的太阳能是重要的能源,取之不尽、用之不竭、无污染。太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦,假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能,转变率为5%,每年发电量可达5.6×1012kW·h,相当于世界上能耗的40倍[1]。太阳能的利用得到了突飞猛进的发展,如光伏(太阳能电池)发电系统,将太阳能直接转换为电能;太阳能聚热系统,利用太阳的热能产生电能;被动式太阳房;太阳能热水系统;太阳能供暖和制冷等等。

　　《京都议定书》中要求温室气体排放量相比于1990年要降低5.2%,这给科学家们提出了新的难题,大家开始研究如何使温室气体能够循环利用以及如何将现今的自然工质和合成制冷剂应用于太阳能低温发电系统中。CO2作为循环工质的低温发电系统的研究早在20世纪五六十年代就出现了,但对其效率及系统的研究一直没有中断。为了充分利用太阳能资源同时又解决环境污染问题,2004年日本建了一座小型的供电系统[2]。此系统叫做Solar CO2Rankine System (SCRS),它利用太阳能做热源,CO2为循环工质。Yamaguchi等在该循环系统的可行性和理论分析上做了一系列工作[3-4],结果表明,CO2在太阳能集热器中可以达到高温的超临界状态,并且超临界的CO2相比于其他工质有着

　　很高的集热效率。文献[5]进行了实验研究,实验中利用膨胀阀代替汽轮机,实验数据表明在以太阳能为热源的朗肯循环中应用CO2跨临界循环是可取的,而且即使在多云的天气条件下,超临界CO2的集热效率也可达到70%,整机发电效率在8.78% ~ 9.45%,而且整个系统还能通过优化和利用汽轮机达到更高的效率。

　　在对太阳能CO2Rankine循环系统的研究基础上,本文针对不同制冷工质用于太阳能低温发电Rankine循环的热力学性能进行了研究。

　　1　模型的建立与工质的性质

　　图1所示为本文建立的理论循环系统示意图。工质由高温高压的状态1在汽轮机内进行等熵膨胀,到达状态2之后在冷凝器中进行等压冷凝,形成恰好到达液态或具有一定过冷度的液体3,放出的热量可用于热水供应,提高循环的能源利用率,液体3由工质泵升压到4状态,进入太阳能集热器内吸收太阳辐射热量,到达状态1,进而完成一次循环过程。在循环计算过程中忽略了管道及传热过程的各项损失,理论计算均为理想情况。

　　文献[6]指出,工质在汽轮机中具有较高温度时就进行排气,可以充分利用其余热部分供给吸收式制冷或小型锅炉使用,并能得到较高的热回收效率,提高能源利用率。为了更好地研究各种工质朗肯循环的效果,不考虑在循环中加入任何的热回收装置,本文假设排气温度尽可能低。发电效率和计入泵功后的泵功效率用式(1)、(2)进行计算。