闡述ORC熱力循環系統的工作原理及循環系統熱效率

工作原理與熱效率

工作原理(Working Principle)

目前將中、低溫熱能轉換為電功率的方法中,有機朗肯循環(organic Rankine cycle,ORC)具備最高發電效率且最具經濟效益。ORC的基本架構和作動原理相同於一般電廠的蒸汽發電機朗肯循環,主要關鍵元件有:工質升壓泵浦、蒸發器、膨脹器、發電機、冷凝器。不同點在於蒸汽發電機以水為工質,其常壓沸點達100℃,僅適合高溫熱源發電(一般溫度≥300℃)。ORC依據冷源和熱源溫度範圍,選用合適低溫沸點有機工質(例如:冷媒、烷類、烯類等物質),可將中、低溫熱能轉換為電力或軸功率輸出

ORC係利用工質的物理特性及熱力性質在蒸發器內擷取中低溫熱源的熱能,並利用膨脹機將此熱能轉換為膨脹機的轉子軸功率,再利用發電機將此軸功率轉換為電力輸出。ORC工作原理說明如下:

1→2:液泵加壓液態工質,升壓後的工質傳送到蒸發器。

2→3:液態工質於蒸發器內吸收熱源熱能,成為過熱汽(或飽和汽)傳送到膨脹機。

3→4:高溫、高壓汽態工質於膨脹機內降壓、降溫膨脹,將熱焓轉換為膨脹機轉子的旋轉動能,再經由發電機轉換為電力輸出。做功後的低溫、低壓汽態工質傳送到冷凝器。

4→1汽態工質在冷凝器中將熱能排放給冷源後,轉變為液態後,傳送到液泵入口,完成ORC熱力循環。

 

 

ORC熱效率(System Efficiency)

依據多樣化的熱源、冷源參數及條件,ORC循環系統可選用不同的工質種類,運行於多種的熱源型態及溫度範圍,應用領域寬廣。ORC系統結構簡單、穩定性佳、可靠度高,發電效率亦較一般中、低溫熱能發電系統高;因此,ORC廣泛應用於中、低熱能發電,例如:工業製程餘熱(熱水、低壓蒸汽、煙氣等)、地熱/溫泉、生質/廢棄物熱能(農業廢棄物、沼氣等)、太陽熱能、海洋溫差發電等。ORC除了可應用於中、低溫熱能發電外,也可將低溫冷能(例如:液態天然氣或液態氮)和大氣環境間的溫差產生電力。

ORC系統熱效率受工質的蒸發溫度及冷凝溫度間的溫差影響,溫差愈大、熱效率愈高,反之亦然。茲以ORC循環系統工質的冷凝溫度30℃為參考,下圖說明蒸發溫度在70℃(Case 1)、120℃(Case 2)及150℃(Case 3)時的系統熱效率。