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艾科爾新能源科技有限公司周和泉

摘要：

雙碳目標下，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)已成為必然趨勢，催生了光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，但是，大規(guī)摸高比例的不穩(wěn)定電源接網(wǎng)給國家電網(wǎng)的安全平穩(wěn)運行帶來了沖擊，使光伏發(fā)電的電力消納成了一個嚴重問題。

本課題研究具備蓄熱儲能特性的太陽能光熱發(fā)電，發(fā)電時間隨意調(diào)控，產(chǎn)生電力無須逆變，滿足電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻的需求，與電網(wǎng)的接入具備支好性，可以作為國家規(guī)劃新能源電力高占比電網(wǎng)的重要支撐。該研究基于有機朗肯循環(huán)（ORC）原理的底層邏輯，創(chuàng)建了一種乏氣回熱型新的循環(huán)（ERORC).使熱電效率由常規(guī)ORC的7-12%，提升到了21%，技術(shù)已申報了發(fā)明專利（202210993914.7）.該研究循環(huán)熱力計再建模結(jié)果：機組輸出功率4.25kw，機組發(fā)電功率3.86kW。熱源熱水溫度68℃，機組熱能消耗17.9kw，熱水流量3.1m3/n；風冷方式.蒸發(fā)冷卻冷凝溫度35℃，冷凝散熱量15.54Kw，有機工質(zhì)采用R152a。由此可見，機組熱功效率為23.1%，機組熱電效率達到了21%。結(jié)論：效率的提升.同樣功率的發(fā)電機組所消耗的熱能大幅降低，同時機組換熱設(shè)備與體積也大幅減小.成本也相應(yīng)降低，該技術(shù)成果產(chǎn)品68℃熱源水易取。PCM相變蓄熱儲能易匹配.使分布式太陽能熱發(fā)電成為現(xiàn)實，不僅如此，還可適用于地熱能、生物質(zhì)、工業(yè)余熱等其他清潔能源的應(yīng)用場景，實現(xiàn)普眾型推廣應(yīng)用。

社會背景：

1.火力發(fā)電的燃媒碳排放接近社會碳排放總量的50%。因此，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)勢在必行.成為今后發(fā)展的必然趨勢。

2.電網(wǎng)對波動性不穩(wěn)定電源的接納比例為15%，大規(guī)模高比例的風、光電并網(wǎng)給電網(wǎng)的安全平穩(wěn)運行帶來了挑戰(zhàn)。

3.光伏發(fā)電面臨著電網(wǎng)難以消納的問題，出現(xiàn)容量限額及強制配儲的難題。

4.光伏發(fā)電每天中最大出力的時段被設(shè)為谷段及負電價等等的情形，嚴重影響了光優(yōu)發(fā)電的收益，回本的周期增長，挫傷了推廣裝機積極性。

5.發(fā)展自帶蓄熱儲能的太陽能光熱發(fā)電，對新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建將發(fā)生重要作用。

技術(shù)背景：

1.目前，熱能發(fā)電（包括太陽能熱發(fā)電）較為普遍的應(yīng)用為水方質(zhì)朗肯循環(huán)（WRC)，需要熱源：溫度至少37%℃以上，系統(tǒng)龐大，屬于資本，技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，不便于大眾普及應(yīng)用。

2.利用低品位熱源的發(fā)電方式主要是有機朗肯循環(huán)（ORC)可以使用熱源水100℃及以下的熱水驅(qū)動，但目前ORC機組普遍存在著熱電轉(zhuǎn)換效率低的問題，導致設(shè)備成本較高，限制了它的發(fā)展。

3.在儲能方面，目前蓄熱儲能技術(shù)比儲電儲能技術(shù)成熟的多，成本也具有優(yōu)勢。

課題任務(wù)：

尋求一種利用間歇性的風、光清潔自然能源，廉價高效的產(chǎn)生電力，并能與電網(wǎng)友好對接的電源，來承擔國家規(guī)劃中新能源電力高占比電網(wǎng)的重任，構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的新型電力系統(tǒng).將是本課題的主要任務(wù)。根據(jù)任務(wù)訴求確定研發(fā)技術(shù)路線，太陽能集熱的熱水通過相變材料PCM蓄熱儲能，將間歇性能源轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定熱源提供給機組產(chǎn)生可控時的或是持續(xù)的電力輸出，機組采用有機朗肯(ORC)循環(huán)原理，熱電效率低的問題通過創(chuàng)新優(yōu)化循環(huán)過程來解決。

課題研究：

有機朗肯循環(huán)是利用有機工質(zhì)的低沸點特性，低品位熱源的溫度就能夠使它產(chǎn)生較高的壓力。比如68℃的熱源水就可將R152a介質(zhì)在發(fā)生器中達到1.8MPa的壓力，高遇高壓氣體進入膨脹機，氣體膨脹做功，轉(zhuǎn)化為機械能帶動發(fā)電機實現(xiàn)發(fā)電的目的。氣體膨脹做功后內(nèi)能減少，壓力和溫度都降低，在膨脹機排出形成低溫低壓氣體(俗稱乏氣）。要完成閉合循環(huán)就需要將這些乏氣再回到發(fā)生器中。繼續(xù)加熱產(chǎn)生高溫高壓氣體，周而復(fù)始。在向機朗肯循環(huán)(ORC)的過程中，是將乏氣冷凝成液體。再通過工質(zhì)泵加壓將液體介質(zhì)輸送到發(fā)生器中，在冷凝過程中要釋放大量的熱量，而這些熱量在循環(huán)中排出了系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)能量保持守恒，就需要在發(fā)生器中重新補充，這樣就增加了系統(tǒng)的熱力能耗，使整個系統(tǒng)循環(huán)的熱功效率降低，這就是有機朗背循環(huán)（ORC）熱效率低的關(guān)鍵原因。

以建模計算中的同一工況分析：熱源水溫68℃，冷凝溫度35℃，機組動力功率4.25kw，工質(zhì)R152a，在有機朗肯循環(huán)中，膨脹機等熵效率85%計算乏氣焓值為520.75k5/kg，冷凝至35℃液體的焓值為262k5kg，對應(yīng)動力功率4.25kw的工作介質(zhì)流量為0.2kg/s.可以得出系統(tǒng)排放冷凝熱為51.8KJ/s保持系統(tǒng)的循壞在發(fā)生器中就要補充這些熱量，達到68℃飽和氣體的含值542kJ/kg.所消耗的熱能也增加到56kJ/s。這樣，計算系統(tǒng)循環(huán)的熱功效率η=(動力輸出功率4.25kW-工質(zhì)泵消耗功率0.2W)/消耗熱能56kw=7.2%，達不到較高的能效。由此可見，減少循環(huán)向系統(tǒng)外排放的熱量是提高系統(tǒng)能放的關(guān)鍵。

基于上述分析得出的結(jié)論為指導思想，我們提出了一種乏氣回熱型有機朗肯循環(huán)（ERORC）的理論概念，以此展開深入研究，得到了很好的結(jié)果。核心技術(shù)是將膨脹做功后的大部分乏氣（Exhaust)以一種創(chuàng)新的技術(shù)手段再生(Regener)成為中壓氣體，首先返回(Return)到發(fā)生器實現(xiàn)循環(huán)回熱；另外一小部分乏氣進行冷凝成為液體，經(jīng)工質(zhì)泵加壓后再返回到發(fā)生器，對已進入發(fā)生器的中壓氣體繼續(xù)增壓，獲得高溫高壓的工作氣體，工作氣體進入膨脹機中做功發(fā)電，膨脹后的乏氣再排出，形成整個閉合循環(huán)。其優(yōu)越性在于循環(huán)中只有一小部分乏氣參與了冷凝過程，循環(huán)向系統(tǒng)外釋放的熱量大幅度減小，乏氣中的熱量大部分被再生利用，減小了發(fā)生器中對熱源熱能的消耗，提高了系統(tǒng)能放。

循環(huán)熱力建模計算中發(fā)現(xiàn)回熱的氣體狀態(tài)質(zhì)量和冷激的液體狀態(tài)質(zhì)量的比例，與設(shè)計的工況有關(guān)，同一工況下二者的比值δ存在著一個最佳值，理論計算和實驗結(jié)果均證實，本課題所研究的工況條件下，δ=233，可以得出ERORC循環(huán)中，系統(tǒng)排放冷凝熱15.S4KJ/s，系統(tǒng)消耗熱源的熱能17.9KI/s，工質(zhì)泵耗能0.1kw。計算系統(tǒng)循環(huán)的熱功效率?=（動力輸出功率4.25kW-工質(zhì)泵消費功率0.1KW）消耗熱能17.9kw=23.1%比較常規(guī)ORC循環(huán)的熱功效率7.2%提升了很多，達到了課題研究的預(yù)期。

成果優(yōu)勢及應(yīng)用：

1.輕量化，易普及

創(chuàng)新循環(huán)的機理可以使產(chǎn)品機組做到小型化，單機可以設(shè)計小型機組3KW-10kW的裝機容量，適合戶用分布式應(yīng)用場景，在村鎮(zhèn)級千千萬萬個家庭中推廣普及，形成一個龐大的新型電力系統(tǒng)，有效解決新能源發(fā)電裝機容量的占比目標問題。

2.安裝簡單，使用方便

易復(fù)制，機組只需接入68℃以上溫度的熱水即可工作，無需冷卻水系統(tǒng)及附屬設(shè)備，開停自如。可以按當?shù)胤骞榷螘r間設(shè)置儲能與供電兩種摸式的自動切換，全自動運行無需值守。

3.配備蓄熱儲能，增加電站收益

不同于光伏發(fā)電，在中午出力最多的時段被列為谷段或深谷段，甚至交易負電價，降低收益。光熱發(fā)電機組可以把陽光最強時熱量儲存，選擇在峰段和尖峰段把電發(fā)出去，逐漸拉大的峰谷電差使光熱發(fā)電獲得較高的收益，還與電網(wǎng)友好融合，起到給電網(wǎng)削峰填谷的作用。

4.成本低，易推廣

創(chuàng)新循環(huán)的高效性具有雙重的積極意義，第一，同樣發(fā)電功率的機組設(shè)備需要的熱能減少，系統(tǒng)所需要配套的太陽能集熱裝置也相應(yīng)減小，無論從占地和安裝成本造價，都要減少很多；第二，循環(huán)過程的排熱量和消耗熱量顯著降低，因此，機組冷凝器及發(fā)生器等換熱部伴的尺寸及成本造價也相應(yīng)降低，使整發(fā)電系統(tǒng)的裝配具有經(jīng)濟性。另外，創(chuàng)新循環(huán)的壓力特性使匹配的熱源水溫度低至68℃，這就給太陽能集熱系統(tǒng)及PCM蓄熱裝量的配套減小了安裝難度，也能使整個發(fā)電機組的年運行時間得到提高而增加經(jīng)濟效益。

5.與光代發(fā)電互補應(yīng)用，實現(xiàn)效益增收。

①現(xiàn)有的光伏發(fā)電系統(tǒng)+光熱發(fā)電機組形式

如果不能很好的解決風光不穩(wěn)定電源的消納問題，或是電力配儲無法降本得不到普及。隨著大規(guī)模的裝機容量增加，對光伏發(fā)電出力最多時段的并網(wǎng)限制必然會越來越加劇，收益也會越來越差。現(xiàn)有光伏發(fā)電配接光熱發(fā)電機組，可以在這一時段的電力變?yōu)闊崃績Υ妫e時段再用光熱發(fā)電機組發(fā)給電網(wǎng)，獲得高的售價來維護收益的穩(wěn)定。

②光伏板PV/T組件+光熱發(fā)電機組形式。

這種形式應(yīng)該是不錯的互補方式，具有以下優(yōu)點：

a.省去光伏發(fā)電的逆變裝置，也無須裝配太陽能集熱水裝置，降低整個系統(tǒng)的成本造價。

b.PV/T組件一方面在背面提取熱量，提高太陽能源利用率，另一方面降低光伏板溫度，發(fā)電量增加。

c.光伏板產(chǎn)生的電力，自用部分采用直驅(qū)家用電器：余電上網(wǎng)部分采用電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)化為熱量，熱轉(zhuǎn)換效率更高。轉(zhuǎn)化的熱量對背面組件提取的熱量升品位疊加，疊加后蓄存。

d.光熱發(fā)電機組將蓄存的熱量任意選擇時段并入電網(wǎng)獲取高大收益。

e.光熱發(fā)電機組以交流形式輸出，無逆變諧波，以高質(zhì)量電力滿足電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻的需求。

6.適應(yīng)更多清潔能源

太陽能源是普遍存在的清潔能源，有利于光熱發(fā)電機組的廣泛普及，但不限于只使用太陽能，其他能源如地熱能、廢熱、生物質(zhì)能等，只要能夠制備68℃以上溫度的熱水都屬于它的應(yīng)用范疇。

7.其他應(yīng)用

有機朗肯（ORC)發(fā)電機組也已形成了一個產(chǎn)業(yè)，主要應(yīng)用在電廠余熱，工業(yè)余熱及地熱的熱源領(lǐng)域，對低成本或不計成本的熱量進行回收。ERORC的熱力系數(shù)比常規(guī)ORC提升了近3倍，無論從能效、體積所占安裝空間及價格上都具有優(yōu)勢，市場前景不言而喻。

目前，課題研究進入樣機制作及小試階段，產(chǎn)品裝配適合空調(diào)、熱泵及ORC裝備的生產(chǎn)工藝和設(shè)備，現(xiàn)誠證具有結(jié)構(gòu)設(shè)計，裝配檢測、批量生產(chǎn)能力的上述領(lǐng)域企業(yè)進行合作，共同發(fā)展。

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