王永真，朱軼林，潘利生，李成宇，羅向龍，趙 軍*

(1.清華大學(xué)電機(jī)系，清華大學(xué)能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院，北京100084；2.天津大學(xué)中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300350；3.中國科學(xué)院力學(xué)研究所高溫氣體動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190；4.山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院，淄博255000；5.廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣州 510006)

0 引言

有機(jī)朗肯循環(huán)(organic Rankine cycle，ORC)[1]是基于低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)替代傳統(tǒng)朗肯循環(huán)工質(zhì)——水的一種熱力循環(huán)，特別適用于中低溫工業(yè)余熱，以及太陽能、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿戎械推肺豢稍偕茉吹拈_發(fā)利用。由于有機(jī)工質(zhì)的多樣性及其物性的復(fù)雜性，再加上驅(qū)動熱源的波動性、品位的多樣性及小型膨脹機(jī)技術(shù)的不成熟，促使了有機(jī)朗肯循環(huán)在性能預(yù)測、工質(zhì)篩選及設(shè)計、系統(tǒng)優(yōu)化、動態(tài)仿真、機(jī)組試制及關(guān)鍵設(shè)備研制等方面研究的發(fā)展[2-5]。

按驅(qū)動熱源不同，有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域的研究類別可分為發(fā)動機(jī)尾氣余熱、工業(yè)余熱、太陽熱能、地?zé)崮艿?，覆蓋了工質(zhì)、過程、循環(huán)和系統(tǒng)等不同層次的內(nèi)容，形成了一套以“工質(zhì)篩選→循環(huán)分析→系統(tǒng)優(yōu)化→實(shí)驗(yàn)研究→工程示范”為主線的研究體系。不少學(xué)者也從應(yīng)用潛力、技術(shù)經(jīng)濟(jì)、工質(zhì)篩選、系統(tǒng)優(yōu)化、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、工質(zhì)穩(wěn)定性、動態(tài)仿真、膨脹機(jī)研制、專利申請等方面對有機(jī)朗肯循環(huán)進(jìn)行了評述[6-15]。據(jù)統(tǒng)計，受環(huán)境問題和可持續(xù)發(fā)展的驅(qū)動，有機(jī)朗肯循環(huán)成為當(dāng)下中低品位熱能高效回收與利用的研究熱點(diǎn)之一，近10年關(guān)于有機(jī)朗肯循環(huán)的研究論文數(shù)量不斷增長，采用關(guān)鍵詞“organic Rankine cycle”在Scopus數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行檢索，結(jié)果如圖1所示。國際上，關(guān)于有機(jī)朗肯循環(huán)的論文作者以中國、美國、意大利、英國和德國學(xué)者居多。雖然我國學(xué)者對有機(jī)朗肯循環(huán)的研究起步較晚，但是論文數(shù)量卻遙遙領(lǐng)先于其他國家[16]。因此，系統(tǒng)整理近些年我國學(xué)者對有機(jī)朗肯循環(huán)的研究歷程，將對把握有機(jī)朗肯循環(huán)的研究態(tài)勢起到重要的參考作用。

圖1 關(guān)于有機(jī)朗肯循環(huán)的論文發(fā)表數(shù)量Fig.1 The number of papers published on ORC

研究論文的發(fā)表與國家自然科學(xué)基金的資助密切相關(guān)，而國家自然科學(xué)基金能夠自下而上地反映我國科研學(xué)者對某領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和未來研究趨勢的自由思考，以及對關(guān)鍵理論和技術(shù)的關(guān)注和預(yù)判。例如，田文燦等[17]基于1999～2018年國家自然科學(xué)基金生命科學(xué)部和醫(yī)學(xué)科學(xué)部在納米領(lǐng)域的資助情況進(jìn)行了多維度分析和全方位回顧，揭示了我國納米生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域受資助項(xiàng)目的學(xué)科、地區(qū)和機(jī)構(gòu)分布；楚涵婷等[18]通過統(tǒng)計近5年國家自然科學(xué)基金信息推薦系統(tǒng)領(lǐng)域中面上項(xiàng)目、青年項(xiàng)目的資助情況和該領(lǐng)域中其他項(xiàng)目的資助情況，分析了國家自然科學(xué)基金推薦系統(tǒng)資助項(xiàng)目依托單位的分布情況和該領(lǐng)域中資助項(xiàng)目的研究特點(diǎn)；關(guān)永剛等[19]對國家自然科學(xué)基金委員會電氣科學(xué)與工程學(xué)科代碼下的研究方向和關(guān)鍵詞進(jìn)行了梳理和修訂，發(fā)現(xiàn)在各學(xué)科代碼下的研究方向中均突出了人工智能、大數(shù)據(jù)等新興熱點(diǎn)，以及與其他學(xué)科交叉的內(nèi)容。由此可以看出，有機(jī)朗肯循環(huán)方向的國家自然科學(xué)基金資助的重點(diǎn)、門類、程度能反映我國科研學(xué)者在“開源節(jié)流”背景下對中低品位熱能高效回收和利用相關(guān)理論、技術(shù)的深刻思考和關(guān)注。

因此，本文以有機(jī)朗肯循環(huán)為對象，以國家自然科學(xué)基金共享服務(wù)網(wǎng)為主要知識圖譜，并以LetPub科學(xué)基金查詢系統(tǒng)、Scopus數(shù)據(jù)庫、Patentics專利查詢系統(tǒng)為輔助，對近年來國家自然科學(xué)基金針對有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域所有資助類別的基金項(xiàng)目、論文發(fā)表及專利申請進(jìn)行了數(shù)據(jù)整理和分析，梳理并總結(jié)了有機(jī)朗肯循環(huán)相關(guān)領(lǐng)域在我國的研究歷史、研究現(xiàn)狀及未來研究趨勢，以期從國家自然科學(xué)基金的角度反映當(dāng)前有機(jī)朗肯循環(huán)研究選題的繼承與拓展，以管窺豹，為即將邁入有機(jī)朗肯循環(huán)研究的研究生和青年學(xué)者提供一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)參考。

1 國家自然科學(xué)基金有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域的資助分析

1.1 知識圖譜構(gòu)建方式

本文有機(jī)朗肯循環(huán)的知識圖譜由國家自然基金(國內(nèi))、國際范圍英文論文和國際范圍專利(含發(fā)明、實(shí)用新型、外觀設(shè)計)組成，具體的檢索方式及結(jié)果如表1所示。

表1 本文有機(jī)朗肯循環(huán)知識圖譜的組成及參數(shù)Table 1 The composition and parameters of ORC knowledge graph in this paper

1.2 獲批基金的數(shù)量及類別分布

2009～2019年，國家自然科學(xué)基金中，有關(guān)有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域的資助獲批數(shù)量為78項(xiàng)(注：包含2項(xiàng)以CO2為工質(zhì)的跨臨界或布雷頓循環(huán)基金)，資助總額為5156.55萬元。由此可知，受可持續(xù)發(fā)展的影響，我國中低品位熱能高效回收及利用的政策導(dǎo)向明顯，能源的高效利用和經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展促使了“開源節(jié)流”的學(xué)術(shù)氛圍。而有機(jī)朗肯循環(huán)作為中低品位熱能高效回收和利用的重要手段，在大量的工業(yè)余熱及豐富太陽能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉吹睦蒙暇邆鋸V闊的潛力，但在我國的實(shí)際應(yīng)用還未有規(guī)?；l(fā)展。同時，有機(jī)朗肯循環(huán)的大型地?zé)岚l(fā)電站和太陽能、生物質(zhì)及其耦合分布熱電聯(lián)產(chǎn)能源站在國際上已有一些工程案例[20-21]，但在系統(tǒng)及設(shè)備小型化、低成本化及工質(zhì)熱物性和系統(tǒng)優(yōu)化方面還存在些許問題。因此，大致可以認(rèn)為，當(dāng)前我國科研學(xué)者加強(qiáng)了對有機(jī)朗肯循環(huán)的學(xué)術(shù)研究，國家自然科學(xué)基金的申請就是一個直接的反映。圖2為2009～2019年間國家自然科學(xué)基金在有機(jī)朗肯循環(huán)研究方向上的資助類別、數(shù)量和金額。

圖2 國家自然科學(xué)基金在有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域的資助類別、數(shù)量和金額Fig.2 Type，number and amount of NSFC on ORC

從圖2可以看出，國家自然科學(xué)基金在有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域的資助全面開花。從資助類別來看，分為青年科學(xué)基金、面上基金、重點(diǎn)基金、國際(地區(qū))合作與交流基金、地區(qū)科學(xué)基金和優(yōu)秀青年基金6個類別。其中，面上基金資助31項(xiàng)，占獲批基金總數(shù)的40%；青年科學(xué)基金資助34項(xiàng)，占獲批基金總數(shù)的44%，重點(diǎn)基金資助5項(xiàng)，占比6%；其余8項(xiàng)為國際(地區(qū))合作與交流基金、地區(qū)科學(xué)基金和優(yōu)秀青年基金，合計占比10%。

從資助金額來看，重點(diǎn)基金雖然立項(xiàng)數(shù)量少，但單項(xiàng)資助金額高，5項(xiàng)重點(diǎn)基金的資助金額高達(dá)1565萬元，占資助總額的30%，平均單項(xiàng)重點(diǎn)基金的資助金額約為313萬元；面上基金次之，資助金額合計為2032萬元，占比40%，平均單項(xiàng)面上基金的資助金額約為66萬元；而青年科學(xué)基金資助金額合計為832萬元，占比16%，平均單項(xiàng)青年科學(xué)基金的資助金額僅約為24萬元；國際(地區(qū))合作與交流基金的資助金額合計為468.55萬元，占比9%。

1.3 獲批基金的依托單位及學(xué)者分布

對有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域獲批國家自然科學(xué)基金的依托單位的分布情況進(jìn)行分析，如圖3所示。78項(xiàng)有機(jī)朗肯循環(huán)方向的國家自然科學(xué)基金分布在35所高校和研究機(jī)構(gòu)中，其中，高校數(shù)量為29所，中國科學(xué)院下屬研究所及自然資源部為6所。

圖3 有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域獲批國家自然科學(xué)基金的依托單位分布Fig.3 Distribution of items approved by NSFC on ORC

從圖3可以看出，關(guān)于有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域的國家自然科學(xué)基金獲批數(shù)量，天津大學(xué)達(dá)到9項(xiàng)。分析其主要原因?yàn)椋?)天津大學(xué)在上世紀(jì)70年代就開始了基于有機(jī)朗肯循環(huán)的地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)的研究，如1971年，天津大學(xué)搭建了國內(nèi)第1臺低沸點(diǎn)雙工質(zhì)循環(huán)低溫地?zé)岚l(fā)電模擬裝置，其中的“低沸點(diǎn)雙工質(zhì)循環(huán)”就是“有機(jī)朗肯循環(huán)”；2)有機(jī)朗肯循環(huán)是正循環(huán)，與逆循環(huán)——熱泵有非常相似的研究路線，而天津大學(xué)熱能系也是國內(nèi)較早展開熱泵系列研究的高校之一，如1958年，天津大學(xué)呂燦仁教授發(fā)表了《熱泵及其在我國應(yīng)用的前途》，天津大學(xué)熱工教研室此時也建立了熱泵試驗(yàn)系統(tǒng)并開始熱泵實(shí)驗(yàn)研究；3)天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員將有機(jī)朗肯循環(huán)應(yīng)用于車用內(nèi)燃機(jī)的余熱回收，以提高內(nèi)燃機(jī)的能效，獲批基金3項(xiàng)，其中包括1項(xiàng)名為“移動裝置內(nèi)燃機(jī)余熱回收CO2動力循環(huán)多能流耦合關(guān)鍵問題研究”的重點(diǎn)基金。從圖3還可以看出，其他獲批基金較多的高校及數(shù)量分別為：西安交通大學(xué)(7項(xiàng))、清華大學(xué)(6項(xiàng))、北京工業(yè)大學(xué)(5項(xiàng))、廣東工業(yè)大學(xué)(4項(xiàng))和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)(4項(xiàng))。

與獲批基金相對應(yīng)，國際上有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域的論文發(fā)表量也多集中在上述院所中。以題目中含“organic Rankine cycle”為方式進(jìn)行檢索，結(jié)果如圖4所示。

圖4 國際上有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域論文發(fā)表數(shù)量前15位的情況Fig.4 TOP 15p Published papers of ORC worldwide

國際上發(fā)表關(guān)于有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域論文的前3名科研機(jī)構(gòu)和院校均出自我國，分別為天津大學(xué)、西安交通大學(xué)和清華大學(xué)；論文數(shù)量排名前15位的科研機(jī)構(gòu)和院校中，有8家為我國的科研機(jī)構(gòu)和院校，且其論文發(fā)表數(shù)量占前15家發(fā)文總量的69%。由此可見，從數(shù)量上來說，我國學(xué)者引領(lǐng)了有機(jī)朗肯循環(huán)的研究，國家自然科學(xué)基金則對有機(jī)朗肯循環(huán)的學(xué)術(shù)研究給予了有力支撐。據(jù)不完全統(tǒng)計，國家自然科學(xué)基金關(guān)于有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域資助的學(xué)者分布如圖5所示。

圖5 國家自然科學(xué)基金有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域資助的學(xué)者分布Fig.5 Scholars research by NSFC on ORC

關(guān)于有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域的78項(xiàng)國家自然科學(xué)基金資助中，高等院校獲批基金數(shù)量為69項(xiàng)，而中國科學(xué)院下屬研究所和自然資源部獲批基金僅為9項(xiàng)，分別是中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所3項(xiàng)、中國科學(xué)院力學(xué)研究所2項(xiàng)、中國科學(xué)院廣州能源研究所1項(xiàng)、中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所1項(xiàng)、中國科學(xué)院工程熱物理研究所1項(xiàng)和自然資源部第一海洋研究所1項(xiàng)。整體來看，關(guān)于有機(jī)朗肯循環(huán)的研究不只是上述獲得基金資助的高等院校，還包括如吉林大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、廈門大學(xué)、東南大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)、鄭州大學(xué)、山東建筑大學(xué)、重慶理工大學(xué)、蘭州理工大學(xué)、天津理工大學(xué)、湘潭大學(xué)、貴州大學(xué)、河南農(nóng)業(yè)大學(xué)、太原理工大學(xué)、西南石油大學(xué)、中國船艦研究院、哈爾濱工程大學(xué)、武漢理工大學(xué)、福州大學(xué)、北京石油化工學(xué)院等[22-40]未獲得國家自然科學(xué)基金資助的高等院校。由此可見，有條件的工科院校，特別是有工程熱物理及動力工程相關(guān)學(xué)科設(shè)置的院校，基本都展開了有機(jī)朗肯循環(huán)的相關(guān)學(xué)術(shù)研究；且各院校根據(jù)自己的學(xué)科特點(diǎn)和研究基礎(chǔ)，在有機(jī)朗肯循環(huán)的工質(zhì)、過程、循環(huán)和系統(tǒng)等方面展開了相關(guān)研究。

1.4 專利申請情況

與基金獲批和論文發(fā)表一致，我國關(guān)于有機(jī)朗肯循環(huán)的專利申請也在快速發(fā)展。表2總結(jié)了有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域國內(nèi)專利的申請情況，表3總結(jié)了有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域國際上專利的申請情況。

表2 有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域國內(nèi)專利的申請情況Table 2 Patents application of ORC in China

表3 有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域國際上專利的申請情況Table 3 Patents application of ORC worldwide

從表2可以看出，就國內(nèi)專利的申請情況來看(含實(shí)用新型和發(fā)明)，天津大學(xué)、昆明理工大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、華北電力大學(xué)等院校在有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域的專利申請比較突出，表現(xiàn)了上述院校與產(chǎn)業(yè)界的緊密互動；同時，在企業(yè)專利申請方面，浙江開山壓縮機(jī)股份有限公司、中國船舶重工集團(tuán)等企業(yè)在有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域的專利申請表現(xiàn)突出，體現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)界對有機(jī)朗肯循環(huán)在中低品位熱能高效回收和利用方面市場潛力的看好。

另一方面，從表3可以看出，就國際上專利的申請情況來看，雖然我國有機(jī)朗肯循環(huán)的學(xué)術(shù)研究成果數(shù)量多，但由于我國對有機(jī)朗肯循環(huán)的研究起步較晚，國際專利申請的高度創(chuàng)新性要求、較長的審理周期及較大的申請難度這幾點(diǎn)導(dǎo)致我國在國際上關(guān)于有機(jī)朗肯循環(huán)的話語權(quán)很少，產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)仍由少數(shù)國際公司及研究機(jī)構(gòu)掌握，如通用電氣、聯(lián)合科技公司(UTC)、奧瑪特科技公司(Ormat Technologies Inc.)、三菱株式會社、韓國科學(xué)技術(shù)研究院等。

2 從基金詞頻分布看有機(jī)朗肯循環(huán)的研究

2.1 國家自然科學(xué)基金有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域資助的逐年分布

我國有機(jī)朗肯循環(huán)的研究起步于地?zé)岚l(fā)電領(lǐng)域。上世紀(jì)60～80年代，基于有機(jī)朗肯循環(huán)的地?zé)犭p工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)的研究以中國科學(xué)院廣州能源所地?zé)崮芾醚芯渴?、西安熱工所、清華大學(xué)熱能系、天津大學(xué)地?zé)嵫芯恐行牡妊芯繖C(jī)構(gòu)及各地?zé)岚l(fā)電研究組為代表[41-43]，如1970年，天津大學(xué)呂燦仁等[44]從事科研項(xiàng)目“中間介質(zhì)法地?zé)岚l(fā)電裝置及系統(tǒng)的試驗(yàn)研究”。但由于能源危機(jī)形勢的緩和，在1990～2005年左右，我國地?zé)岚l(fā)電技術(shù)的研發(fā)與示范也基本停止。當(dāng)前國家自然科學(xué)基金針對有機(jī)朗肯循環(huán)的資助緊密圍繞在本輪“節(jié)能減排”及“能源技術(shù)革命”的背景下，有機(jī)朗肯循環(huán)將重新作為中低品位熱能高效回收與利用及可再生能源熱功轉(zhuǎn)換的熱點(diǎn)技術(shù)而備受關(guān)注。圖6給出了2009～2019年有機(jī)朗肯循環(huán)獲批國家自然科學(xué)基金數(shù)量的歷年分布。

圖6 2009～2019年有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域獲批國家自然科學(xué)基金數(shù)量的歷年分布Fig.6 Number of items by NSFC on ORC(2009～2019)

由圖6可知，經(jīng)過10余年的基金資助，盡管資助數(shù)量有周期性的波動，但關(guān)于有機(jī)朗肯循環(huán)的研究仍是科研工作者的研究熱點(diǎn)之一。如2009年獲批基金數(shù)僅1項(xiàng)，但到2014年獲批基金數(shù)已達(dá)10項(xiàng)；隨后2015年和2016年獲批基金數(shù)量有所下降，均獲批7項(xiàng)；但到2017年和2018年獲批基金數(shù)又分別升高至11項(xiàng)和12項(xiàng)。實(shí)際上，有學(xué)者在有機(jī)朗肯循環(huán)方向的研究獲得了2項(xiàng)以上國家自然科學(xué)基金的資助，其中還不乏有學(xué)者分別獲得了青年科學(xué)基金和面上基金的資助，反映出其在有機(jī)朗肯循環(huán)方向上的科學(xué)研究的繼承性和擴(kuò)展性。

2.2 國家自然科學(xué)基金有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域的研究進(jìn)程綜述

根據(jù)圖6，除上世紀(jì)60年代開始對應(yīng)用有機(jī)朗肯循環(huán)的地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)的探索之外，雖然近10年我國有機(jī)朗肯循環(huán)的研究內(nèi)容覆蓋面廣且有所交叉，但是為盡量清晰地描述各階段研究學(xué)者的思考重點(diǎn)，理清有機(jī)朗肯循環(huán)的研究思路，根據(jù)該階段基金資助的數(shù)量分布規(guī)律，筆者粗略地將2009～2019年國家自然科學(xué)基金有機(jī)朗肯循環(huán)的資助研究進(jìn)行了大致歸納，并繪制了該時期國家自然科學(xué)基金有機(jī)朗肯循環(huán)獲批的詞頻分布圖，如圖7所示。

圖7 國家自然科學(xué)基金有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域的資助詞頻示意圖Fig.7 Keyword chart of ORC by NSFC

2009～2011年，國內(nèi)關(guān)于有機(jī)朗肯循環(huán)的研究重新起步，這3年國家自然科學(xué)基金資助數(shù)量總和為8項(xiàng)；學(xué)者在該時間段對有機(jī)朗肯循環(huán)的基礎(chǔ)問題和熱經(jīng)濟(jì)性研究關(guān)注較多，探討并推廣了有機(jī)朗肯循環(huán)在鋼鐵爐窯余熱回收、車用柴油機(jī)余熱、太陽能熱功發(fā)電、海洋溫差能利用、太陽能利用等方面的應(yīng)用，構(gòu)建了工質(zhì)篩選體系及系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)優(yōu)化方法。2012～2014年，國家自然科學(xué)基金關(guān)于有機(jī)朗肯循環(huán)的資助數(shù)量逐年遞增，并于2014年達(dá)到10項(xiàng)，這3年資助數(shù)量之和為25項(xiàng)。該時間段有機(jī)朗肯循環(huán)的研究一方面多集中在純工質(zhì)、混合工質(zhì)、噴射器、分液冷凝設(shè)備、跨臨界工況等對有機(jī)朗肯循環(huán)熱力性能及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)；另一方面，有機(jī)朗肯循環(huán)變熱源系統(tǒng)調(diào)控機(jī)制及方法、小型系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及過程也逐漸被關(guān)注。2015～2016年，隨著有機(jī)朗肯循環(huán)在不同領(lǐng)域中低品位余熱的關(guān)注及研究，有機(jī)朗肯循環(huán)實(shí)驗(yàn)研究在本時期得以大量開展，據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)有機(jī)朗肯循環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置達(dá)30臺以上，部分實(shí)驗(yàn)臺信息如表4所示。但從工程化角度來講，作坊式的實(shí)驗(yàn)條件及規(guī)模，再加上小型膨脹機(jī)技術(shù)尚未取得突破性進(jìn)展，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)?損失較大，循環(huán)效率低下。2017～2019年，一方面，基金申請更多地關(guān)注了非共沸工質(zhì)及其傳熱流動特性、高參數(shù)、非穩(wěn)態(tài)工況的應(yīng)用；另一方面，隨著多學(xué)科的交叉，基金申請也關(guān)注了有機(jī)朗肯循環(huán)與其他循環(huán)系統(tǒng)的耦合潛力，如與LNG冷能及熱泵的耦合而構(gòu)建的中低品位熱能驅(qū)動的冷熱電聯(lián)供耦合系統(tǒng)。因此，有機(jī)朗肯循環(huán)的科學(xué)研究似乎并未出現(xiàn)預(yù)想的大幅萎縮，并且有機(jī)朗肯循環(huán)的應(yīng)用范圍及潛力逐漸被擴(kuò)大。

表4 國內(nèi)高校有機(jī)朗肯循環(huán)實(shí)驗(yàn)臺總結(jié)Table 4 Information experiment facilities of ORC in domestic universities

3 當(dāng)前有機(jī)朗肯循環(huán)研究的研究熱點(diǎn)及未來展望

科學(xué)研究的最終目的是服務(wù)于相關(guān)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)落地，最終促進(jìn)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。但科學(xué)研究成果的轉(zhuǎn)化甚至落地是一個復(fù)雜的過程，需要產(chǎn)、學(xué)、研各方的共同努力。有機(jī)朗肯循環(huán)在產(chǎn)業(yè)界規(guī)?；耐茝V，除了技術(shù)本身的科學(xué)成熟度以外，還將涉及國家和地方政策導(dǎo)向及補(bǔ)貼、能否并網(wǎng)的技術(shù)限制、熱源熱工參數(shù)及品質(zhì)、冷源準(zhǔn)入條件及建設(shè)場地，以及市場融資方式等多因素的限制。

以國家自然科學(xué)基金為代表的有機(jī)朗肯循環(huán)的系列學(xué)術(shù)研究，與以膨脹機(jī)制造及系統(tǒng)設(shè)計為代表的產(chǎn)業(yè)制造高效、無縫銜接，形成學(xué)術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)制造的協(xié)同對話，才能更快、更好地促進(jìn)有機(jī)朗肯循環(huán)在工業(yè)余熱及太陽能、地?zé)崮艿戎械推肺粺崮芨咝Щ厥占袄妙I(lǐng)域的加速落地。

一方面，膨脹機(jī)被公認(rèn)為是有機(jī)朗肯循環(huán)的關(guān)鍵設(shè)備，其研究離不開數(shù)值模擬、系統(tǒng)仿真和實(shí)驗(yàn)研究；但小型膨脹機(jī)大多需要定制，實(shí)驗(yàn)成本較高，制造精度方面也存在不少缺陷。然而，相對于工質(zhì)篩選、熱經(jīng)濟(jì)優(yōu)化等內(nèi)容，當(dāng)前有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域?qū)ｉT針對膨脹機(jī)的研究的占比相對較少，且多集中在工程熱物理層次，流體機(jī)械方面的研究團(tuán)隊(duì)相對較少；另一方面，有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計、評價和優(yōu)化的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范尚未形成體系，表現(xiàn)在科研成果的凝練不夠，企業(yè)研發(fā)和系統(tǒng)設(shè)計缺少一些可遵循的依據(jù)，特別是工作流體從“水”變?yōu)椤坝袡C(jī)工質(zhì)”后，企業(yè)設(shè)計人員在系統(tǒng)優(yōu)化和關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計上缺乏與之匹配的學(xué)術(shù)成果的支撐。另外，有數(shù)位學(xué)者在有機(jī)朗肯循環(huán)方向的研究獲得了2項(xiàng)以上國家自然科學(xué)基金的資助，反映出科研工作者的堅持，也體現(xiàn)出有機(jī)朗肯循環(huán)科學(xué)研究需要繼承性和擴(kuò)展性。

綜上，筆者列舉以下研究熱點(diǎn)，以期為科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)開發(fā)應(yīng)用提供一些參考，也為即將邁入有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域的研究生理清思路、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

3.1 高效率、低成本膨脹機(jī)的研制及有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范的完善

膨脹機(jī)作為有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的核心設(shè)備，對系統(tǒng)的熱力性能及總成本都有重要的影響。然而我國絕大多數(shù)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的制造和研發(fā)企業(yè)，乃至其研發(fā)人員大多是由壓縮機(jī)或空調(diào)制造企業(yè)轉(zhuǎn)型而來。與國外的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備制造企業(yè)相比，由于系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備——膨脹機(jī)存在較大的不可逆損失，加之目前高校實(shí)驗(yàn)室的小型有機(jī)朗肯循環(huán)實(shí)驗(yàn)臺多是由壓縮機(jī)的反轉(zhuǎn)或自行改裝而來，改造后的膨脹機(jī)存在等熵效率低、工質(zhì)易泄漏、壽命短等缺點(diǎn)，因此，研發(fā)具備高等熵效率、使用壽命長且價格低廉的中小型有機(jī)工質(zhì)膨脹機(jī)是重中之重，但需要各方面的技術(shù)攻關(guān)，如小流量渦旋膨脹機(jī)的型線設(shè)計、變負(fù)載性能的動力學(xué)分析、欠/過膨脹特性分析，以及熱源波動條件下的仿真等，需要熱能工程、流體力學(xué)、材料科學(xué)及機(jī)械設(shè)計等學(xué)科的深度交叉[45-48]。

另一方面，有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)及其關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計涉及膨脹機(jī)、換熱器、工質(zhì)泵等關(guān)鍵設(shè)備，以及熱源、循環(huán)、系統(tǒng)、冷源及并網(wǎng)等諸多方面的內(nèi)容，目前可支撐的導(dǎo)則和規(guī)范體系不健全，導(dǎo)致系統(tǒng)工程化落地的成熟度較低?，F(xiàn)有的GB/T 28812-2012《地?zé)岚l(fā)電用汽輪機(jī)規(guī)范》、GB/T 30555-2014《螺桿膨脹機(jī)(組)性能驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》、GB 50791-2013《地?zé)犭娬驹O(shè)計規(guī)范》、GB 50588-2010《水泥工廠余熱發(fā)電設(shè)計規(guī)范》、JB/T 13305-2017《有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電裝置》等不能支撐有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)化。作為有機(jī)朗肯循環(huán)最具潛力的應(yīng)用場景，地?zé)岚l(fā)電領(lǐng)域已逐漸加強(qiáng)了相關(guān)規(guī)范的制定，如正在編制的《地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)熱性能計算導(dǎo)則》、《地?zé)峋谘b置》，修訂的《地?zé)岚l(fā)電機(jī)組熱性能驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也即將公布，以支撐有機(jī)朗肯循環(huán)在地?zé)岚l(fā)電技術(shù)的進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用。

3.2 有機(jī)朗肯循環(huán)混合工質(zhì)物性測試及新工質(zhì)主動設(shè)計

工質(zhì)是有機(jī)朗肯循環(huán)的血液，循環(huán)工質(zhì)物性的量測及新工質(zhì)的設(shè)計是循環(huán)研究的基礎(chǔ)，這也是當(dāng)前國家自然科學(xué)基金資助有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域研究最為關(guān)注的一點(diǎn)。

早期有機(jī)朗肯循環(huán)的研究多集中在純工質(zhì)，而純工質(zhì)的一個重要限制是恒溫蒸發(fā)，導(dǎo)致工質(zhì)蒸發(fā)過程與恒定熱容熱源降溫過程的溫位變化匹配性不高。

非共沸混合工質(zhì)相變過程具有溫度滑移特性，可減少熱源與工質(zhì)蒸發(fā)溫度之間的?損失，從圖7的詞頻云圖可以看出，近年來非共沸有機(jī)朗肯循環(huán)的研究已成為有機(jī)朗肯循環(huán)研究的熱門詞匯[49-50]。然而，學(xué)術(shù)研究層次開發(fā)的新工質(zhì)也需要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)?zāi)酥翆I(yè)生產(chǎn)企業(yè)的多序列檢驗(yàn)，還包括生產(chǎn)成本的考核，是一個非常復(fù)雜的綜合過程。學(xué)術(shù)研究的前瞻性及工質(zhì)的多樣性，需要大量科研工作者的努力，也需要綜合考慮工質(zhì)的可行性，包括環(huán)境友好性、安全性、生產(chǎn)便捷性、經(jīng)濟(jì)性。

在現(xiàn)有混合工質(zhì)的理論研究中，有學(xué)者也開展了混合工質(zhì)的設(shè)計，以獲取性能更好的新工質(zhì)，主要方法是基于基團(tuán)貢獻(xiàn)法和計算機(jī)輔助設(shè)計[51-54]。混合工質(zhì)主動設(shè)計主要體現(xiàn)在混合工質(zhì)的混合比例的研究，也涉及到分子層面新工質(zhì)的設(shè)計，但主動設(shè)計過程需要多周期迭代，涉及工質(zhì)非線性物性的多次調(diào)用與計算機(jī)輔助計算。而工質(zhì)的臨界溫度、偏心因子等關(guān)鍵屬性是決定工質(zhì)物性及熱力循環(huán)性能的關(guān)鍵因素。能否建立工質(zhì)關(guān)鍵物性參數(shù)與熱力循環(huán)性能的直接關(guān)系，并借鑒相似性原理進(jìn)行考慮對比態(tài)有機(jī)朗肯循環(huán)熱性能關(guān)聯(lián)式的表征，進(jìn)而擺脫混合工質(zhì)設(shè)計過程中計算機(jī)輔助及迭代過程的復(fù)雜性，或?qū)⑹俏磥碛袡C(jī)朗肯循環(huán)研究的熱點(diǎn)之一。

3.3 有機(jī)朗肯循環(huán)的多屬性評價與多目標(biāo)優(yōu)化

循環(huán)和系統(tǒng)的能量、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益是支撐有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)規(guī)?；⒐こ袒涞氐臏?zhǔn)則。而不同屬性評價指標(biāo)之間的“相悖”特性，往往使有機(jī)朗肯循環(huán)的熱力性能優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)評價存在矛盾，需要求得權(quán)衡目標(biāo)下的最佳運(yùn)行參數(shù)[55-56]。實(shí)際上，有機(jī)朗肯循環(huán)的熱力性能分析、經(jīng)濟(jì)性能評價和環(huán)境效益分析，已由單一熱力學(xué)目標(biāo)優(yōu)化逐漸發(fā)展到集熱力學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)和環(huán)境生態(tài)學(xué)的多屬性評價、兩目標(biāo)優(yōu)化，甚至是三目標(biāo)優(yōu)化[57-62]。同時還可以發(fā)現(xiàn)，熱力性能的解析是經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益分析的基礎(chǔ)，熱性能計算的復(fù)雜程度決定了其他性能求解的難易程度。

然而，一方面，目前有機(jī)朗肯循環(huán)的多目標(biāo)優(yōu)化研究多以蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、換熱器換熱夾點(diǎn)及過多熱度等運(yùn)行參數(shù)為變量，是以假定了循環(huán)結(jié)構(gòu)和工質(zhì)為前提的，而有機(jī)朗肯循環(huán)的熱力性能也往往受到不同工質(zhì)和不同循環(huán)結(jié)構(gòu)的影響，因此，如何進(jìn)行有機(jī)朗肯循環(huán)運(yùn)行參數(shù)、循環(huán)結(jié)構(gòu)和循環(huán)工質(zhì)的全局優(yōu)化，并確定基于有機(jī)朗肯循環(huán)的熱功發(fā)電系統(tǒng)(機(jī)組)的熱經(jīng)濟(jì)性適用閾值(如熱源溫度/干度/流量、熱源的間歇特征、上網(wǎng)電價及用戶負(fù)荷)，依然是有機(jī)朗肯循環(huán)多屬性評價或多目標(biāo)優(yōu)化的研究內(nèi)容之一。

另一方面，前述研究多是基于數(shù)值模型的迭代計算和優(yōu)化，優(yōu)化的迭代過程往往需要調(diào)用工質(zhì)的物性和依靠MATLAB等軟件計算，所得結(jié)果往往需要進(jìn)一步的深度分析且解釋性較弱；而工質(zhì)物性、循環(huán)工況和循環(huán)結(jié)構(gòu)與循環(huán)性能的關(guān)系密切，可通過循環(huán)過程的近似、推導(dǎo)或啟發(fā)式循環(huán)拆分等方法，并借助數(shù)據(jù)擬合技術(shù)，獲得具備顯式特征可直接反映變量關(guān)系的有機(jī)朗肯循環(huán)性能關(guān)聯(lián)式，這抑或成為未來有機(jī)朗肯循環(huán)研究的熱點(diǎn)之一。

3.4 基于有機(jī)朗肯循環(huán)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的耦合與解耦

有機(jī)朗肯循環(huán)具備的中低品位熱功轉(zhuǎn)換能力使其成為構(gòu)建冷熱電聯(lián)供多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)的熱點(diǎn)技術(shù)之一。以地?zé)崮艿睦脼槔?，基于有機(jī)朗肯循環(huán)的地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)就是進(jìn)行地?zé)崮艿木C合利用，即通過將地?zé)岚l(fā)電、制冷、供熱及制氫、碳捕集等技術(shù)的級聯(lián)或耦合，實(shí)現(xiàn)地?zé)崮艿睦洹?、電?lián)供[63]；構(gòu)建太陽能-地?zé)崮艿榷嗄荞詈系牡責(zé)岚l(fā)電系統(tǒng)[64-65]，在地?zé)崮芎吞柲苜Y源均豐富的青海、內(nèi)蒙古、滇藏、華北、關(guān)中和廣東等地具備較大的應(yīng)用潛力[59]；可結(jié)合采暖、制冷、熱泵和干燥等方式進(jìn)行地?zé)崮苤苯永?，?gòu)建以地?zé)岚l(fā)電為主的地?zé)崮芗s化綜合利用系統(tǒng)，如廣東豐順的地?zé)岚l(fā)電-制冷-干燥-洗浴和熱泵的集約化利用形式[66]；耦合LNG汽化過程“免費(fèi)”冷能的中低溫地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)，能夠大幅提高地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)的熱效率[67]。

再比如，傳統(tǒng)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)自身熱電比具有相對固定的屬性，導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計層面和運(yùn)行層面“源-荷”熱電比存在不匹配的缺點(diǎn)，加之內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等發(fā)電單元的大量煙氣、缸套水等中低品位余熱未能有效利用，造成現(xiàn)有天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中存在設(shè)備利用率低、系統(tǒng)適應(yīng)性不強(qiáng)、綜合效益不明顯等問題。而有機(jī)朗肯循環(huán)及其逆循環(huán)(熱泵)具備優(yōu)良的中低品位熱能的轉(zhuǎn)化能力，因此，耦合有機(jī)朗肯循環(huán)或熱泵的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，能夠改善天然氣綜合能源系統(tǒng)的熱電比，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部和外部中低品位熱能的高效回收和利用，在提高設(shè)備利用率的同時，也有可能打破傳統(tǒng)天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)內(nèi)外部能量、質(zhì)量的分配策略，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能流之間的耦合與解耦，帶來系統(tǒng)不同品位冷熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化匹配潛力，使天然氣綜合能源系統(tǒng)“源側(cè)”冷熱電的供應(yīng)能夠更加靈活主動、清潔高效、低成本地供應(yīng)到“荷側(cè)”，這或?qū)⑹俏磥碛袡C(jī)朗肯循環(huán)研究的熱點(diǎn)之一。

3.5 其他方向

除上述研究熱點(diǎn)外，有關(guān)有機(jī)朗肯循環(huán)其他方面的研究，還包括但不限于CO2跨臨界/超臨界熱力循環(huán)及高溫工況傳熱過程的研究[68]、混合工質(zhì)的傳熱流動特性研究[69]、多元工質(zhì)的PVTx量測[70]、工質(zhì)穩(wěn)定性及可燃性分析[71]、氣液分離及分液冷凝在有機(jī)朗肯循環(huán)上的應(yīng)用[72]、基于升維構(gòu)建與循環(huán)拆分的有機(jī)朗肯循環(huán)的重構(gòu)[73]、小型高效渦旋膨脹機(jī)的開發(fā)[74]、高效透平及其流型的設(shè)計[75]、結(jié)合風(fēng)光消納的有機(jī)朗肯循環(huán)綜合能源系統(tǒng)[76]、異質(zhì)及波動熱源驅(qū)動有機(jī)朗肯循環(huán)架構(gòu)及運(yùn)行策略[77]、柴油機(jī)-有機(jī)朗肯循環(huán)多能流系統(tǒng)及其性能優(yōu)化[78]、基于分子模擬、大數(shù)據(jù)及人工智能的循環(huán)設(shè)計及運(yùn)行調(diào)控[79]等。

4 結(jié)論

本文以國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目、國際范圍內(nèi)論文發(fā)表和專利申請為知識圖譜，分析和梳理了我國有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域研究的發(fā)展態(tài)勢。近10年我國有機(jī)朗肯循環(huán)的研究主要集中在發(fā)動機(jī)尾氣余熱回收、工業(yè)余熱回收、太陽能熱功轉(zhuǎn)換等方向，覆蓋了工質(zhì)物性、狀態(tài)過程、熱力循環(huán)和系統(tǒng)構(gòu)建等不同層次的研究內(nèi)容，基本形成了一套以“工質(zhì)篩選→循環(huán)分析→系統(tǒng)優(yōu)化→實(shí)驗(yàn)研究→工程示范”為主線的研究體系。主要結(jié)論如下：

1)自2009年以來，有機(jī)朗肯循環(huán)相關(guān)的國家自然科學(xué)基金獲批78項(xiàng)，資助金額達(dá)5156.55萬元。目前學(xué)界對有機(jī)朗肯循環(huán)的研究仍是中低品位熱能高效回收和利用領(lǐng)域的重要研究方向，近10年該領(lǐng)域我國論文發(fā)表體量明顯高于其他國家。

2)天津大學(xué)、西安交通大學(xué)、清華大學(xué)在有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域獲批國家自然科學(xué)基金數(shù)量分別為9項(xiàng)、7項(xiàng)和6項(xiàng)。天津大學(xué)該方面的繼承和拓展研究或源于其在地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)及熱泵循環(huán)的前期科研積累，但以核心專利為代表的有機(jī)朗肯循環(huán)膨脹機(jī)、系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)仍需要取得關(guān)鍵突破。

3)除上世紀(jì)70年代地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)的探索外，目前有機(jī)朗肯循環(huán)國家自然科學(xué)基金層面的研究包括：不同熱源的匹配和動力循環(huán)的熱經(jīng)濟(jì)優(yōu)化；工質(zhì)篩選、系統(tǒng)部件及熱力系統(tǒng)的仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究；臨界或超臨界更高循環(huán)工況和耦合、復(fù)疊循環(huán)的研究；混合工質(zhì)設(shè)計及其物性分析、冷熱電聯(lián)供循環(huán)構(gòu)建及其動態(tài)調(diào)控。

4)展望未來，膨脹機(jī)作為有機(jī)朗肯循環(huán)的核心設(shè)備，需要熱工、流體、材料及機(jī)械等專業(yè)領(lǐng)域的交叉突破，也需要進(jìn)一步加強(qiáng)產(chǎn)、學(xué)、研的合作。除此之外，系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)、工質(zhì)物性分析及非共沸工質(zhì)設(shè)計、基于有機(jī)朗肯循環(huán)的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的耦合與解耦、熱力系統(tǒng)的能量、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的綜合評價及優(yōu)化調(diào)控、高溫工況傳熱過程的研究等也將是關(guān)注的熱點(diǎn)和方向。

不得不說的是，國家自然科學(xué)基金的資助是鼓勵科研工作者對該領(lǐng)域科學(xué)問題的自由探索，但基金資助數(shù)量、論文發(fā)表、專利申請僅是有機(jī)朗肯循環(huán)科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個縮影。本文以管窺豹概覽的同時，也意識到有機(jī)朗肯循環(huán)的研究還與其他熱力循環(huán)、制冷劑物性、可再生能源利用和冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)等領(lǐng)域的研究高度關(guān)聯(lián)，但本文并未嚴(yán)格區(qū)分它們之間的邊界，也懇請各位老師和學(xué)者多批評指正。

致謝：本文在撰寫過程中得到了李思奇校友、天津大學(xué)鄧帥老師、福州大學(xué)王大彪老師、江蘇大學(xué)馮永強(qiáng)老師等人的審閱，并收到寶貴建議，作者在此表示真摯的感謝！