周子成

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可再生能源和可持續(xù)能源的利用(上)

周子成

[摘要]隨著人類的進步和生產(chǎn)力的發(fā)展，能源的消耗量越來越大。地球上常規(guī)能源是有限的。可再生能源和可持續(xù)能源的利用變得十分重要。本文概述可再生能源和可持續(xù)能源的利用途徑，重點介紹有機蘭金循環(huán)的應用。

[關鍵詞]可再生能源；可持續(xù)能源；利用

1引言

可再生能源包括水能、風能、太陽能、地熱能、生物質(zhì)能、工業(yè)過程的余熱能等，它們都屬于低品位能。這些能源在地球上十分豐富，而且這些能源在利用過程中對環(huán)境沒有污染或影響較小。隨著人類的進步和生產(chǎn)力的發(fā)展，能源的消耗量越來越大。地球上有限的常規(guī)能源終歸是要用盡的。因而可再生能源和可持續(xù)能源的利用變得十分重要。

2015年12月12日，《聯(lián)合國氣候變化框架公約》195個締約方一致同意通過了《巴黎協(xié)定》，為未來全球共同應對氣候變化打造了一個可行的框架以及發(fā)展方向。該協(xié)定指出，各方將加強對氣候變化威脅的全球應對，把全球平均氣溫較工業(yè)化前水平升高控制在2攝氏度之內(nèi)，并為把升溫控制在1.5攝氏度之內(nèi)而努力。全球?qū)⒈M快實現(xiàn)溫室氣體排放達峰，本世紀下半葉實現(xiàn)溫室氣體凈零排放。與會各成員都發(fā)表各自承諾的減排計劃。利用可再生能源和可持續(xù)能源是實現(xiàn)減少碳排放的重要措施。

世界銀行2015年12月16日發(fā)布的社會資本參與基礎設施建設數(shù)據(jù)庫最新簡報稱，盡管2015年前6個月社會資本參與能源、交通和水務基礎設施投資額大幅下降，但可再生能源項目(以太陽能為主)投資額上升至投資額的近一半，在投資總額中的占比達到歷史上的最高水平。2015年各種形式的能源項目在總投資中占比達到64%。

我國經(jīng)濟正在以創(chuàng)新驅(qū)動的方式發(fā)展，規(guī)模日益增大，對能源的需求也日益擴大，近年來，在風能、太陽能、水源和地源能的利用上發(fā)展迅速，取得了較大的成績。但從利用再生能源和可持續(xù)發(fā)展能源的技術深度和廣度上，仍有很大的發(fā)展空間，從我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展、全面建成小康社會和應對氣候變化的需要出發(fā)，更大規(guī)模和更深層次地利用再生能源具有十分重要的意義。

有機朗肯循環(huán)機是一種類似于常規(guī)水蒸汽朗肯循環(huán)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，它使用制冷劑和烴類作有機物作為工質(zhì)。由于水在一個大氣壓下的沸點是100℃，無法將大多數(shù)可再生能量轉(zhuǎn)換成有用功。而制冷劑和烴類有機工質(zhì)在一個大氣壓下的沸點是在零下幾十攝氏度，利用朗肯循環(huán)能夠?qū)⒋蠖鄶?shù)低品位的可再生能量轉(zhuǎn)換成有用功，因而有機朗肯循環(huán)機成為一種非常有潛力的用于可再生能量利用的循環(huán)。

本文概述可再生能源和可持續(xù)能源利用的各種方法和已取得的實際成果，重點介紹Bertrand F.Tchanche等人對有機蘭金循環(huán)(ORC)應用的論述。

2二元地熱發(fā)電廠

地球正在變得越來越暖。從地球中心發(fā)射的地下能量(通常被稱為地熱能)可用于工藝過程加熱和/或發(fā)電。地球的熱流—即在單位時間內(nèi)從內(nèi)部通過單位表面積釋放到空間的熱量，隨不同的地理位置和時間而變化。地球的總產(chǎn)量估計約為4×1013瓦，比世界能源消費總量大三倍。地球表面附近的平均溫梯度為約300K/公里，而且是不均勻分布，使得一些位置比其他位置更適合地熱應用。意大利在1904-1905年由吉諾里孔王子蒂首先開始利用地熱能發(fā)電的試驗工作，并于1913年在意大利的Larderello建成第一個商業(yè)化的250千瓦的發(fā)電廠。目前，在全球有27個國家共504個地熱發(fā)電廠在運行，總裝機容量約10萬千瓦。

地熱發(fā)電廠的主要類型有干蒸汽、單閃發(fā)、雙閃發(fā)和二元循環(huán)四類。表1歸納了它們之間一些特點的比較。

閃發(fā)系統(tǒng)是被用于中等和液體為主的熱源，干蒸汽裝置是用于干蒸汽熱源，二元循環(huán)是適用于低溫液體為主的熱源。

圖1示出了地熱二元裝置的系統(tǒng)組成。地熱流體由泵從出水井抽出，經(jīng)過蒸發(fā)器、預熱器由回灌泵送至回灌井。有機制冷劑從液體泵經(jīng)過預熱器、蒸發(fā)器、渦輪機、冷凝器回到液體泵。冷凝器可以是空氣冷卻式、濕式冷卻塔或干式冷卻塔提供冷卻水的水冷式。

第一個二元式地熱發(fā)電廠1967年在俄羅斯的Paratunka投入運行。它的額定功率為680千瓦，使用水的溫度為81℃。這種裝置證明了二元概念的可行性。作為低于150℃低溫地熱流體，閃蒸蒸汽裝置是很難實現(xiàn)成本效益的，二元選項是唯一解決方案。今天，二元發(fā)電廠是最廣泛使用的地熱電站類型，全球有162臺機組在運行，產(chǎn)生373兆瓦的電力。它們占所有在運行的地熱機組的32.14%，但只產(chǎn)生4%的總功率。

表2中給出了部分裝置實例。自從1980年起由Ormat科技公司的發(fā)展并商業(yè)化。在MW級功率范圍內(nèi)，集成傳統(tǒng)渦輪機的有機朗肯循環(huán)模塊具有成本效益，而在較低功率輸出范圍中，由于缺乏廉價的渦輪機，使該項技術難以適用。Brasz等人提出使用HVAC組件。他們將一個標準350冷噸空調(diào)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成200千瓦的有機朗肯循環(huán)發(fā)電廠。該產(chǎn)品的品牌名稱為PureCycleR280，由美國聯(lián)合技術公司(UTC)商業(yè)化。基于該技術的裝置還有：東哈特福德(CT)，奧斯汀(德克薩斯州)，丹維爾(IL)和切納(阿拉斯加州)等。類似的開發(fā)工作已經(jīng)由史密斯和Stosic在英國的城市大學中進行，成功地將螺桿壓縮機轉(zhuǎn)換為螺桿膨脹機。生產(chǎn)有機蘭金循環(huán)商業(yè)化螺桿膨脹機的公司有Electratherm和BEP歐洲。

圖1　二元地熱發(fā)電廠流程圖

表1不同地源裝置類型的比較

類型熱源溫度(℃)利用效率(%)裝置成本和復雜性雙閃發(fā)干蒸汽單閃發(fā)基本二元240-320180-300200-260125-16535-4550-6530-3525-45中等→高低→中等中等中等→高

表2一些二元有機地熱發(fā)電裝置

裝置/位置熱源溫度(℃)熱源質(zhì)量流量工質(zhì)毛/凈功率(MW)熱效率(%)美國,Amedee美國,Wineagle奧地利,Altheim日本,Otake日本,Nigorikawa美國,Reno,NV104110106130140158205L/s63L/s86L/s14.661kg/s50kg/s556kg/sR-114異丁烷-異丁烷R-114異丁烷2.0/1.50.75/0.6-/1.0-/1.0-/1.027/21.744---12.99.8110.2

3太陽能利用

太陽能是來自太陽的輻射光和熱，它是一種重要的可再生能源，而且是一個巨大的能源，它輻射到地球表面的能量高達400000000000MW，相當于每年360000億噸標準煤，為全球耗能的2000倍。利用這種能源可以有多種方式，如太陽能采暖，太陽能制冷，光伏發(fā)電，太陽能熱利用，太陽能建筑和人工光合作用等。

3.1光伏發(fā)電

光伏發(fā)電是利用光伏效應將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能。光伏效應是指半導體在受到光照射時產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。這種技術的關鍵元件是太陽能電池。太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進行封裝保護可形成大面積的太陽電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。

第一個太陽能電池由Charles Fritts在19世紀80年代建造。1931年德國工程師布魯諾·朗格博士開發(fā)了使用硒化銀代替銅氧化物的光電池。雖然原型硒電池將太陽入射光轉(zhuǎn)換為電的轉(zhuǎn)換率不到1%，但這是一種重要的發(fā)現(xiàn)。繼20世紀40年代羅素奧爾的研究工作之后，研究人員杰拉爾德·皮爾森、卡爾文福勒和達里爾蔡平等三人于1954年建造了晶體硅太陽能電池。這些早期的太陽能電池成本達到286美元/瓦，效率達到了4.5%～6%。到2012年，效率超過20%，目前光伏研究的最高效率已達到40%以上。

光伏發(fā)電目前已成功應用在路燈、燈塔等照明、宇航、人造衛(wèi)星等諸多電力應用以及生活中的各種電力需求。

用光伏發(fā)電驅(qū)動制冷機的流程示于圖2.

圖2　太陽能光伏轉(zhuǎn)換驅(qū)動壓縮式制冷機

圖3　格力光伏驅(qū)動離心式冷水機組

2013年格力推出中央空調(diào)光伏直驅(qū)變頻離心機組，如圖3所示。其主要原理是將新能源太陽能與永磁同步變頻離心機相結(jié)合，可直接在不加任何DC/DC穩(wěn)壓環(huán)節(jié)的情況下使用太陽能供電，與太陽能直流系統(tǒng)對接。在太陽光伏能富余或機組不工作時，可以反向給市網(wǎng)供電，并通過發(fā)電、用電一體化的群控管理系統(tǒng)對系統(tǒng)進行智能化管理和調(diào)度，省去了并網(wǎng)逆變器，不僅能有效降低投資成本和占地，還能提高約6%～8%的光伏能利用率。

格力中央空調(diào)光伏直驅(qū)變頻離心式冷水機組的技術核心有二：一是其采用比較省電的永磁同步變頻離心冷水機組，二是其利用太陽能發(fā)電，節(jié)能環(huán)保，而且結(jié)合光伏發(fā)電系統(tǒng)所產(chǎn)生的是直流電，省去了交、直流轉(zhuǎn)換，減少過程損耗。

據(jù)珠海格力電器股份有限公司的一位工程師介紹，其應用于珠海格力電器總部的項目建筑主體是一個建筑面積18000平方米的辦公樓，由光伏板給空調(diào)設備供電。根據(jù)建筑的總冷負荷需要，配置功率419kW(按機組滿負荷配置)，選定了1562塊250W的多晶硅電池組件，功率為390.65kW，給光伏離心式冷水機組供電，光伏板鋪設在面積為4000平方米的屋面上。與常規(guī)離心式空調(diào)系統(tǒng)相比，光伏直驅(qū)變頻離心式冷水機組系統(tǒng)要增加投資375萬元，年發(fā)電量是42.1萬kWh，一年的綜合經(jīng)濟效益(包括國家補貼及多余的電供應給電力公司)在69.2萬元左右，投資回收期為5.4年。

3.2光熱轉(zhuǎn)換

太陽能光熱轉(zhuǎn)換是將太陽的輻射能和熱能轉(zhuǎn)換為有用的熱能。有被動式和主動式兩種利用方式。被動式是依靠建筑結(jié)構材料吸收和傳遞太陽能，通常作為供暖使用。主動式是用集熱器接收熱量，并用泵輸送載熱劑到需要供熱的空間或工業(yè)過程，或生活熱水等使用。

太陽能光熱轉(zhuǎn)換用作制冷的方式有吸收式制冷和吸附式制冷兩種。

太陽能吸收式制冷是利用太陽集熱器為吸收式制冷機提供發(fā)生器所需要的熱水。熱水的溫度越高，吸收式制冷機的性能系數(shù)(COP)越高。若集熱器的出水溫度60℃至90℃，則吸收式制冷機的COP約為0.70。若出水溫度達到120℃左右，則COP可達1.1以上。全球許多國家都建有太陽能吸收式制冷裝置，如意大利、西班牙、德國、美國、日本、韓國、新加坡、香港等。

常用的吸收式制冷機有水-溴化鋰吸收式制冷機和氨-水吸收式制冷機兩種，前者主要用于空調(diào)，后者主要用于冷凍冷藏。

太陽能吸附式制冷技術的原理包括吸附和脫附兩個過程。

(1)脫附過程。吸附床內(nèi)充滿的吸附劑具有強烈的吸附制冷劑的能力，冷凝器通過冷卻水放出熱量。工作時，太陽能集熱器中流過的熱水對吸附床加熱，制冷劑獲得能量克服吸附劑的吸引力從吸附劑表面脫附，通過管道進入冷凝器，冷卻水帶走冷凝器的熱量，制冷劑被冷凝成液體，然后進入蒸發(fā)器，脫附過程結(jié)束。在這個過程中，太陽能集熱器供熱量，冷凝器放出熱量。

(2)吸附過程。冷卻水對吸附床進行冷卻，溫度下降，吸附劑開始吸附制冷劑，管道內(nèi)壓力降低。蒸發(fā)器中的制冷劑因壓力瞬間降低而吸熱蒸發(fā)，產(chǎn)生制冷效果，然后制冷劑進入吸附床，吸附過程結(jié)束。在此過程中，蒸發(fā)器吸收載冷水的熱量，吸附床放出熱量。

如果只有一個吸附床，則吸附式制冷機只能間歇工作，吸附床先進行吸附過程，達到飽和后，通過管路上的換向閥換向，吸附床進行脫附過程，如此反復交替進行。

如果由兩個吸附床，就可以通過換向閥使過程連續(xù)進行。

圖4為德國SolarNext公司開發(fā)的吸附式冷水機組流程。當熱水進水溫度為75℃，出水溫度為67℃，冷卻水進水溫度為27℃，出水溫度為32℃，載冷水進水溫度為18℃，出水溫度為15℃時，額定制冷量為5.5kW.熱水由18 m2的平板集熱器提供。該系統(tǒng)采用四個止回閥來實現(xiàn)兩個吸附床的輪流吸附和脫付過程，加熱水和冷卻水的切換由四個三通閥來實現(xiàn)。

表3吸附式與吸收式的比較

特征吸附式吸收式初始成本幾乎相同幾乎相同現(xiàn)象表面現(xiàn)象體積現(xiàn)象熱交換放熱反應過程吸熱反應過程溫度喜歡低溫不受溫度影響反應速度穩(wěn)定地增加并達到平衡均勻的速度濃度吸收劑表面濃度與體積內(nèi)濃度不同整個物質(zhì)的濃度相同例子(1)水蒸汽被硅膠吸附;(2)NH3被木炭吸附(1)水蒸汽被無水CaCl2吸收;(2)水吸搜NH3形成NH3OH連續(xù)運轉(zhuǎn)每年超過8000小時遇到結(jié)晶時需要停機稀釋溴化鋰溶液壽命硅膠超過30年10年維修每5年更換真空泵,每年清潔冷凝器管需要對泵和熱交換器更多預防性維修,更換控制器,容易有空氣漏入制冷劑水水或氨吸附劑/吸收劑硅膠溴化鋰或水COP0.7～0.80.8～1.1腐蝕無溴化鋰有腐蝕性結(jié)晶無有,發(fā)生在載冷水溫度低時頻繁更換吸附劑/吸收劑不需要每5年要求熱水溫度50～100℃80～120℃要求冷卻水溫度30～4℃,溫度低時制冷量增大應在18～30℃載冷水出水溫度3～9℃高于9℃

圖4　吸附式制冷機流程圖

太陽能吸附式制冷機的集熱器可以是平板型集熱器，也可以是真空管集熱器。

吸附式制冷機通常以水為制冷劑，硅膠為吸附劑。它與吸收式制冷機的特征比較見表3。

3.3模塊化有機朗肯循環(huán)太陽能系統(tǒng)

小型發(fā)電廠市場潛力正在增加，原因是：在邊遠和發(fā)展中國家的偏遠地區(qū)對分布式電源系統(tǒng)的需要；在發(fā)展中國家經(jīng)濟增長對可持續(xù)的電力的需要；在發(fā)達國家中小型、高效的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)連接到電網(wǎng)應用的需要；通過可再生能源產(chǎn)生清潔電力的需要；以及在全球放松管制和發(fā)電部門的私有化。在二元地熱發(fā)電廠，地熱流體被其他的傳熱流體代替：水，合成/礦物油和硝酸鹽在太陽能集熱器加熱至400℃產(chǎn)生分布式模塊化的kW到MW級范圍的太陽能發(fā)電廠。模塊化有機朗肯循環(huán)太陽能發(fā)電廠的操作與常規(guī)拋物面槽式系統(tǒng)的原理相同，但是使用了有機流體代替水蒸汽。這些系統(tǒng)的優(yōu)點如下：

(1)低溫操作(<300℃)：傳熱流體，如卡路里(Caloria)低溫太陽能集熱器，和低溫有機朗肯循環(huán)模塊，能夠很好地在像撒哈拉以南的非洲地區(qū)的低太陽輻射強度下進行運行。

(2)模塊化：幾兆瓦功率輸出的大型太陽能有機朗肯循環(huán)裝置可以通過在同一個站點聯(lián)合大量有機朗肯循環(huán)模塊建造。

(3)降低投資和運行維護費用：可使用廉價的材料-廉價的傳熱流體，便宜的太陽能集熱器，以及相對便宜的有機朗肯循環(huán)機?？諝饫淠鞴?jié)約水資源，和遠程操作減少操作人員的人數(shù)。

傳統(tǒng)的聚光太陽能發(fā)電(CSP)技術包括：中央接收器系統(tǒng)，拋物線槽(PTC)，集成燃氣聯(lián)合循環(huán)(ICGC)和盤斯特林系統(tǒng)。拋物線槽技術在商業(yè)化環(huán)境中的運行已經(jīng)證明了它的能力，并在最近建成或正在建設基于此技術的幾個裝置。它被認為是目前最成熟的CSP技術，但在未來可能會面臨線性菲涅爾反射聚光的競爭。由于太陽能材料科學的最新進展，市場上已經(jīng)提供了在中低溫度范圍內(nèi)運行的高效率和相對廉價的各類太陽能集熱器。表4給出了不同的太陽能集熱器技術的工作溫度和聚光比。

20世紀90年代以來對小型有機朗肯循環(huán)進行了許多研究，但由于缺乏小的和高效的膨脹設備，尚未被廣泛應用。雖然研究了作為潛在的膨脹機候選物的不同類型的設備，但是還沒有發(fā)現(xiàn)具有良好可靠性和出色性能的到達商業(yè)應用階段的熱電聯(lián)產(chǎn)有機朗肯循環(huán)。

巴德爾等為低發(fā)電量的渦輪機評估了幾種類型的發(fā)電機器，包括透平(徑向，沖擊，反應，和多級)和正排量機器(螺桿，活塞和葉片膨脹機以及汪克爾發(fā)動機)，螺桿機與汪克爾膨脹機表現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。渦輪機在低功率范圍內(nèi)(<1MW)是不合適的，因為他們的效率低和制造成本更高，而它作為代表性的首選技術是在大型系統(tǒng)中。回顧良好的機器所希望的特性，它應該是高度可靠的并在整個操作條件寬范圍內(nèi)具有高效率；具有非常少的運動部件；顯示低振動和低噪聲水平；并且是便宜的。

凱恩，Lemort，Quoilin等和Smith等人建議采用渦旋式和螺桿式膨脹機，主要是根據(jù)所取得的性能-等熵效率高達70%。其他方面：系統(tǒng)的設計和優(yōu)化，系統(tǒng)動力學和控制等。

對于太陽能集熱器的工作液的選擇和太陽能模塊電站的實驗研究，在持續(xù)數(shù)年里已經(jīng)開展了大量的工作。但還未發(fā)現(xiàn)未來有前途的對象。

Nguyen等建造并測試了低溫有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的樣機。它采用正戊烷作為工作流體，并且包含有：一個60千瓦丙烷鍋爐，緊湊型釬焊換熱器，壓縮空氣隔膜泵，和一個徑流式渦輪機(65000轉(zhuǎn))，耦合到一個高速發(fā)電機(圖5)。熱水進口溫度：93℃，蒸發(fā)溫度：81℃，冷凝溫度：38℃和工作流體質(zhì)量流量：0.10千克/秒。所獲得的輸出功率為1.44千瓦，效率達到4.3%。該機的費用估計為2.156萬英鎊。渦輪發(fā)電機占系統(tǒng)成本的37%以上。作者的結(jié)論是該系統(tǒng)可設置在良好的太陽輻射邊遠地區(qū)，提高膨脹機的效率(>50%)，可具有成本效益。并且機組大量生產(chǎn)。中溫集熱器加上有機朗肯循環(huán)模塊可在同時產(chǎn)生熱能的熱電聯(lián)產(chǎn)應用中提高工作效率。

表4各種太陽能集熱技術的典型溫度和聚光范圍

技術T(℃)聚光比跟蹤空氣集熱器0～501—池集熱器0～501—反射鏡集熱器50～90——太陽能池70～901—太陽能煙囪20～801—平板集熱器30～1001—先進的平板集熱器80～1501—結(jié)合熱和功率的太陽能集熱器80～1508-80單軸真空管集熱器90～2001—復合拋物線集熱器70～2401-5—菲涅爾反射技術100～4008-80單軸定日鏡場+中央接收器500～800600～1000雙軸盤式聚光器500～1200800～8000600～1000

圖5　微型有機朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)

由在萊索托的太陽能國際集團對基于HVAC部件的微型太陽能有機朗肯循環(huán)發(fā)電機組(圖6)現(xiàn)場進行的試驗證明：應用在發(fā)展中國家數(shù)十億人生活仍然沒有用上電的遠離電網(wǎng)地區(qū)是具有成本效益的。齋藤等人報告了另一種集成了渦旋式膨脹機和蒸汽蓄熱器的系統(tǒng)。在后者系統(tǒng)中水被用作傳熱流體，而R113是作為工作介質(zhì)。實驗室進行了用200升熱水儲存在蓄熱池和0.016kg/s工作流體的質(zhì)量流量的試驗，得出了63%的膨脹機效率，電力輸出450W和朗肯循環(huán)效率12%。在日本的仙臺市典型的夏天自主操作測試：太陽輻射—890W/m2和環(huán)境溫度30℃，得到的結(jié)果是：輸出功率350 W，有機朗肯循環(huán)效率11%，系統(tǒng)效率7%。

圖6　在萊索托的太陽能有機朗肯循環(huán)試驗系統(tǒng)

除了太陽能以外，包含另一種能源的混合動力系統(tǒng)也已進行了研究?；旌蟿恿ο到y(tǒng)具有近100%的可用性，避免笨重且昂貴的儲能的集成系統(tǒng)。Yagoub等人報告了一個混合太陽能/氣體驅(qū)動微型熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)的系統(tǒng)。圖7表示了該系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)采用25kW的真空管集熱器和25kW的燃氣冷凝式鍋爐。對兩種流體/泵進行了試驗：HFE-301/電動泵和正戊烷/隔膜泵。HFE-301比正戊烷(R601)呈現(xiàn)出幾個優(yōu)勢：較高效率，要求較低的溫度，較高的蒸氣干度，和更高的等熵效率(85%對40%)。

圖7　混合動力太陽能-燃氣微型CHP系統(tǒng)的流程

由凱恩等人提出的微型混合太陽能/柴油動力裝置集成了太陽能聚光器，兩個疊置的有機朗肯循環(huán)和柴油發(fā)動機的先進理念。線性菲涅耳集熱器跟蹤太陽，聚集光線到加壓水循環(huán)的接收管中。疊置循環(huán)使用密閉型渦旋式膨脹機/發(fā)電機，且采用R123和R134a作為工作流體(圖8)。柴油發(fā)動機已整合在夜間或在低的輻射的時期，以保證這兩個功率和熱的可用性的一個最小程度。在瑞士的洛桑聯(lián)邦理工學院(EPFL)實驗室和現(xiàn)場開展了測試，給出了“僅有太陽能”模式7.74%的系統(tǒng)效率和“僅有化石燃料”模式41%的效率。

亞利桑那州公共服務(APS)擁有的1兆瓦太陽能有機朗肯循環(huán)發(fā)電廠，自2006年起在美國亞利桑那州紅巖運行。由Solargenix提供的LS-2集熱器耦合到填充有正戊烷的ORMAT有機朗肯循環(huán)模塊。有機朗肯循環(huán)和太陽能轉(zhuǎn)化為電能的效率分別為20.7%和12.1%。

圖8　SPS發(fā)電機組

麥默恩提出了循環(huán)效率最大化(最佳熱交換器面積)，以此來降低裝置的資本成本(下降到17%)。2009年，一個2兆瓦的太陽能熱發(fā)電站落成于美國夏威夷科納沙漠的夏威夷管理局的國家能源實驗室(NELHA)。該項目由Sopogy在夏威夷清潔能源計劃倡議的資助和開發(fā)。太陽能拋物線槽式集熱器是由ALANOD Aluminium-Veredlung提供，和有機朗肯循環(huán)機器是由ElectraTherm公司提供。根據(jù)項目開發(fā)的最終目標是到2015年要達到30MW的發(fā)電量，考慮到廉價高效太陽能聚光集熱器的發(fā)展，可靠和具有成本效益的有機朗肯循環(huán)模塊，可以預期在不久的將來將有更多的中等規(guī)模太陽能聚光型發(fā)電站建造起來。

3.4太陽能池發(fā)電系統(tǒng)

一種太陽能池發(fā)電裝置(SPPP)由兩個子系統(tǒng)組成：一個鹽梯度太陽能池和一個常規(guī)有機朗肯循環(huán)。鹽梯度太陽能池(SGSP)是一個平面的，并且無遮蓋的大蓄熱池作為液體太陽能集熱器/儲熱器。它吸收太陽輻射能(擴散的和直接的)，將其轉(zhuǎn)換成熱量，并將其以熱水的形式存儲。一個鹽梯度太陽池被人為地分為三個區(qū)：

(1)厚度為0.15 m至0.30 m之間的上對流層帶有低礦化度水作為一個透明罩和隔熱體。

(2)從2m厚度的底層到高達7m的高度聚光鹽水充當吸熱器和熱存儲器。

(3)厚度為1至1.5m的中間層充當附加的隔熱體和被稱為梯度鹽層。在這一層鹽度和溫度從頂部至底部增加。

這種現(xiàn)象是在1902年由Kalecsinsky在靠近Transyslvania的Szovata湖被發(fā)現(xiàn)。在池塘中得到的最高溫度是約90～100℃，使得它適合具有低沸點的有機液體如R134a和丙烷(R290)工作的朗肯循環(huán)。鹽梯度太陽池的配置匹配有機朗肯循環(huán)的熱源。上層作為冷源用來冷卻冷凝器，而底部層將熱量供給蒸發(fā)器。

操作的原理是簡單的;在白天，池塘充入熱量，同時熱量可以預定的時間周期精確的提取。在操作過程中，底層供應熱量到它被用來蒸發(fā)工作流體的蒸發(fā)器。蒸氣狀態(tài)的流體在渦輪機中膨脹，被泵送至蒸發(fā)器之前在冷凝器中被冷卻，實現(xiàn)一個封閉循環(huán)。一種太陽能池發(fā)電系統(tǒng)示于圖9。一個太陽池的熱性能是15%～25%，而太陽能轉(zhuǎn)化為電能的效率約為0.8%～2%。最早研究太陽池是在1950-1970年在以色列開始，和1100平方米面積的第一個太陽池建于1975年的死海工程。從那時起，基于該技術的幾個電廠建造了起來，并在世界各地不同的地點運行：在以色列的Beith Ha′avara有一個5 MW-250000m2SPPP;在以色列的尹波克(150kW/6250 m2);在以色列的亞夫內(nèi)(6kW/1500 m2);在澳大利亞的愛麗絲泉(15kW/1600 m2);在美國的埃爾帕索(70kW/3350 m2)。

圖9　太陽池發(fā)電廠原理

4太陽能ORC-RO海水淡化系統(tǒng)

海水淡化是去除原水中的所謂海水或咸水的鹽和其它固體顆粒，取決于鹽的濃度，使其適合于人類消耗。海水淡化技術根據(jù)其分離機構分為兩類：熱基和膜基技術。熱脫鹽通過水的蒸發(fā)和冷凝分離鹽，而膜脫鹽是通過一個膜片使水擴散，而鹽是幾乎完全保留。反滲透(RO)和多級閃發(fā)(MSF)是最廣泛使用的技術。最近，出現(xiàn)了一種將可再生能源與脫鹽技術相耦合的趨勢，以降低常規(guī)電廠對環(huán)境的影響。上述技術可以與太陽能光伏電池板或是與太陽能集熱器相結(jié)合。RO可以以電力或機械動力提供動力。

反滲透是一種基于稱為半滲透性的某些聚合物的性質(zhì)的壓力驅(qū)動的分離技術。雖然它們對水是非常滲透的，其對溶解的物質(zhì)的滲透性是低的。通過施加壓力差穿過膜，包含在供給物中的水被強制滲透通過該膜。為了克服供給物側(cè)滲透壓，必需要有相當高的供給壓力。在反滲透應用中所施加的壓力對微咸水為15～25巴和對海水為60～80巴 。泵送過程中可以通過電力或軸功率輕松實現(xiàn)。因此，使RO成為可再生能源驅(qū)動的海水淡化系統(tǒng)是最合適的候選物。圖10表示了太陽能驅(qū)動的ORC-RO系統(tǒng)耦合太陽能熱機和反滲透海水淡化子系統(tǒng)。太陽能熱發(fā)動機將太陽輻射能轉(zhuǎn)換成機械動力。有用的軸功率由機械耦合驅(qū)動RO裝置的高壓泵(HPP)。

圖10　朗肯驅(qū)動的反滲透海水淡化系統(tǒng)原理圖

在涉及朗肯動力循環(huán)太陽能光熱驅(qū)動的水泵系統(tǒng)的早期研究起步于19世紀下半葉的奧古斯丁Mouchot和亞伯Pifre的工作。從那時起，直到20世紀末，有針對性的主要應用是為農(nóng)場灌溉的小規(guī)模的抽水系統(tǒng)。用這個方案操作的很多系統(tǒng)在世界上許多國家都建立起來，如DelgadoTorres和Sumathy所報告的。這些系統(tǒng)中使用的蒸汽或有機化合物如R11，R114和R113作為工作流體。太陽能驅(qū)動的灌溉系統(tǒng)是在經(jīng)濟依賴于由貧困農(nóng)民從事的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的國家的遠離電網(wǎng)邊遠地區(qū)，在水資源短缺、成品油價格提高的背景下具有特殊的意義。20世紀80年代以來，光伏成本的降低，模塊化和運動部件少對太陽能光伏水泵系統(tǒng)的青睞正在作為太陽能熱水泵系統(tǒng)的首選。

從全球氣候變暖被認為是對我們生命的一大威脅的那時起，太陽能熱力發(fā)動機被建議作為一種供電的反滲透淡化機組。據(jù)報道最早的裝置建成在法國的卡達拉舍，高壓泵由一個2.5kW的太陽能熱力發(fā)動機驅(qū)動，以R114為工質(zhì)，從苦咸水生產(chǎn)達250m3/h的淡水。VOROS等和Bouzayani等研究了蒸汽的RC-RO系統(tǒng)，這些作者建議采用渦輪進口蒸汽溫度約450℃。適合的臨界溫度的有機液體如甲苯，硅氧烷，氨，戊烷等在中、低溫ORC-反滲透系統(tǒng)的實施是可能的。近日，布魯諾等人開展了太陽能ORC-RO海水淡化的技術和經(jīng)濟可行性研究，并得出結(jié)論認為：太陽能ORC-RO是相比于PV-RO具有成本效益的選擇。在單級或雙級復疊ORC用甲苯拋物面槽式集熱器，戊烷或丙苯作為工作液，可成為大中型太陽能ORC-RO系統(tǒng)的基礎技術。用250～400℃最高溫度和35℃冷凝溫度下操作循環(huán)得到約25%～35%的循環(huán)效率。在這種條件下，有15 m3/天裝置可以從約2.30∈/ m3的微咸水或從5∈/ m3海水中產(chǎn)生淡水。

太陽能ORC-RO可以使用公知的HVAC組件使尺寸縮小。Manolakos等設計和測試了一個采用渦旋膨脹機的小獨立的系統(tǒng)，真空管太陽能集熱器和R134a為工作介質(zhì)，經(jīng)濟性比較表明相比于同樣大小的PV-RO系統(tǒng)基本朗肯循環(huán)的配置是不符合成本效益的；在希臘的Thirasia島用海水所進行的成本比較研究，給出了7.77∈/m3PV-RO和12.53∈/m3ORC-RO成本數(shù)據(jù)。Kosmadakis等提出了一個最佳利用太陽能集熱器的雙有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)。

The Utilization of Renewable and Sustainable Energy(Part one)

ZHOU Zicheng

Abstract：With the human progress and development of productivity，energy consumption is growing.Conventional energy on earth is limited.The utilization of renewable energy and sustainable energy has become very important.This paper outlines the approach of renewable energy and sustainable energy utilization，with emphasis on the application of organic Rankine cycle.

Key words：Renewable Energy；Sustainable Energy；Utilization

收稿日期：2016-1-5

作者簡介：周子成(1935-)，男，教授，主要從事制冷空調(diào)的理論研究和新產(chǎn)品設計。Email：zichengzhou@163.com

文章編號：ISSN1005-9180(2016)01-078-09

中圖分類號：TU831文獻標示碼：B

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.01.015