近日，我校汽车与交通工程学院制冷与低温工程系李鹏程老师在太阳能热发电研究领域取得新进展。相关研究成果“Thermo-economic analysis of a novel partial cascade organic-steam Rankine cycle”在能源类国际著名学术期刊Energy Conversion and Management上发表。英国赫尔大学高级研究员李晶为通讯作者。
传统的热电池和塔式热发电系统采用亚临界水蒸汽朗肯循环（SRC），以避免超临界循环的一系列技术挑战。水的蒸发温度为310-337℃，对应的蒸发压力为10-14MPa，这限制了循环效率（约42%）。本研究提出了一种新型的部分复叠有机-蒸汽朗肯循环（ORC-SRC）系统，以提高工质蒸发温度和热效率。ORC-SRC使用联苯/联苯醚混合物作为顶部循环工质。该混合物从高温熔融盐中吸热，并在400℃下蒸发以驱动ORC透平做功，出口的过热蒸汽将热量释放给底部的常规SRC。ORC为饱和水蒸汽的生成提供热量，而熔融盐通过蒸汽过热器和再热器向SRC提供剩余的热量。本研究表明，该系统显著提高了加热过程中循环工质的平均吸热温度（从338℃提高到402℃）；在SRC蒸发温度为290℃时ORC-SRC的热效率达到最大值45.3%，此时ORC和SRC输出功分别为10.3MW和49.53MW；在SRC蒸发温度为260℃时ORC-SRC的㶲效率达到最大值81.99%；此外，SRC中7.44 MPa适宜的水蒸汽压力降低了高压汽轮机的泄漏损失和设备成本。
以中国德令哈50MW塔式系统的年发电量和蓄热能力作为参考，尽管本系统中高低温罐的温降有所减少（219.6℃vs. 275℃），这意味着蓄热能力的降低，同时由于顶部ORC设备需要665.22×104$的额外投资，但每年能多产生1035.46×104kWh的电量，可推算出不到4年即可收回成本。这对于一般寿命为30年光热电站来说确实是一个满意的结果。
本研究得到国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金、东方电气集团东方锅炉股份有限公司、安徽省科技重大专项以及工程及自然科学研究委员会拨款的资助。