太阳-地热能源与有机朗肯循环耦合发电系统性能分析

太阳-地热能源与有机朗肯循环耦合发电系统性能分析

车永帅

山东理工大学，交通与车辆工程学院，淄博，255086

摘要： “碳中和”、“碳达峰”目标提出后，可再生能源的利用问题成为焦点。本文提出一种新型太阳-地热能源与有机朗肯循环耦合发电系统，以增加太阳能和地热能储备与应用，提高能源利用效率。以该循环为研究对象，应用MATLAB、REFPROP等商用软件分析运行参数对太阳-地热能源与有机朗肯循环耦合发电系统的净输出功率、热效率及㶲效率的影响。

关键词：有机朗肯循环；净输出功；热效率；㶲效率

1引言

能源的开发和利用状况是衡量一个时代、一个国家经济发展和科学技术水平的重要标志。以可再生清洁新能源替代传统能源的能源结构转型是减少二氧化碳排放、实现碳中和的主要路径，新能源替代传统能源为经济增长提供了新的动力和增长点[1]。在新旧能源转化的过程中，如何提高新能源的利用效率成为当前最核心的问题。

我国2021年光伏发电新增装机达到54.88GW，创历史新高，同比增幅达到17%左右[2]。然而由于太阳能具有间歇性和随机性等问题，利用效率低。地热能具有稳定性高、储量丰富、分布广泛等优点[3-4]。构建太阳能-地热能耦合系统与有机朗肯循环并用，可以有效避免太阳能利用效率低的问题，提高整个系统的热经济性。

2耦合发电系统模型

2.1 发电系统原理

由图1和图2知，三个循环通过两个蒸发器结合在一起，地热水自生产泵提取出来后经过气液分离器分成两个部分，一部分通过蒸发器换热与ORC部分进行结合，另一部分通过太阳能蒸发器与太阳能模块结合，最后通过回灌井重新汇入地底完成循环，途中带动高压气轮机与低压汽轮机以及透平完成功的输出，进行发电。对于有机朗肯循环，自有机工质经蒸发器吸热相变成蒸汽过后带动透平进行功的输出后，达到状态6。随后有机工质进入到冷凝器中进行冷凝过程，到达状态7。最后，通过工质泵进行压缩形成循环，该循环温熵图如图3所示。

图1 耦合发电系统循环简图

图2地热水循环温熵图             图3有机朗肯循环温熵图

2.2 发电系统热力学模型

根据图2可以计算系统的性能参数。接下来将对分别对循环中各部件进行计算。

太阳能输入总热量：

(1)

太阳能输入㶲：

(2)

地热能输入能量：

(3)

地热能输入㶲：

(4)

系统净输出功率：

(5)

系统热效率：

(6)

系统㶲效率：

(7)

3 运行参数对系统性能的影响

3.1蒸发压力对耦合发电系统性能的影响

由图4可知，对于同种工质R245fa，系统热效率与㶲效率呈上升趋势，ORC冷凝温度为293K时热效率与㶲效率最高，热效率最高值为13.52%，㶲效率最高值为31.71%。ORC冷凝温度为303K时热效率与㶲效率最低，其中热效率最高值为13.32%，㶲效率最高值为31.03%。ORC冷凝温度由293K上升到303K时，热效率增加1.5%，㶲效率增加2.19%。可见，在温度许可的范围内适当降低蒸发压力有利于系统热效率与㶲效率的提升。

图4 各效率随蒸发压力的变化

3.2 不同工质对耦合发电系统性能的影响

由图5可知，随冷凝温度上升，系统的热效率与㶲效率均下降。当选用R365mfc时，系统热效率与㶲效率最高，其中热效率由15.02%下降至14.28%，㶲效率由35.24%下降至33.49%。当选用R134a时，系统热效率与㶲效率最低，其中热效率由12.49%下降至12.06%，㶲效率由29.30%下降至28.29%。可见，在文中所选工质中，相同冷凝温度下，选用R365mfc更为合适。

图5 不同工质下各效率随冷凝温度的变化

4 结论

本文研究了不同蒸发压力、不同冷凝温度以及不同工质对太阳能-地热能综合发电系统性能的影响。热效率、净输出功以及㶲效率随蒸发压力的升高而升高，随ORC冷凝温度的升高而降低。在改变蒸发压力时，适当降低冷凝温度更有利于系统性能的提升。在改变冷凝温度时，R365mfc可使太阳能-地热能综合发电系统展现出更加优良的热力学性能。

参考文献

[1]李庆,李润宽.能源结构转型的全要素能源效率研究[J/OL].阅江学刊:1-6[2023-10-24].

[2]舟丹.我国光伏发电发展现状[J].中外能源,2023,28(01):41.

[3]HOU Janchao, CAO Mengchao, LIU Pingkou. Development and utilization of geothermal energy in China: current practices and future strategies[J].Renewable Energy, 2018, 125: 401-412.

[4]刘强，万旭，断远源，等. 回注参数对增强型地热超临界CO2循环热力性能的影响[J]. 中国电机工程学报，2022，42(21): 7884-7892.