一種雪能溫差發電熱力系統分析

黎永盛

（廣東理工學院，廣東 肇慶 526000）

0 引言

自從能源危機發生以來，能源問題一直難以解決，開發利用可再生能源成為彌補能源短缺和減少污染的途徑之一[1]。地表陸地30%覆蓋著雪，雪能是巨大的能源庫。每年雪的自然融化都會產生大量的能量，而雪能溫差發電能夠利用天然環境，對雪的冷能進行利用，因地制宜，實現發電。雪能發電不僅成本低，而且非常環保。我國有豐富的積雪資源，大部分為季節性積雪，并且多分布于高緯度和海拔較高的地區[2]。黃河和長江的水幾乎都來自于青藏高原的高山融雪，因此青藏高原的雪每年釋放出的雪能不可估量。在西部偏遠地方實行雪能發電不僅可以解決當地用電問題，而且可以降低運輸電力的成本。

1 雪能溫差發電系統原理和構成

雪能溫差發電系統發電主要依靠熱力循環系統完成，所構成的循環方式為朗肯循環。朗肯循環發電作為一種有效的低溫熱源驅動發電技術，已在地熱、太陽能和工業余熱發電領域得到了一定應用，然而在現有文獻中，熱源溫度往往大于溫海水溫度[3]。雪能溫差發電系統循環原理如圖1所示，主要設備包括蒸發器、冷凝器、汽輪機、水輪機、發電機等。工作流程：將蒸發器放在地下熱水源旁邊，冷凝器放在覆蓋雪的高山上，用管道將蒸發器和冷凝器連在一起，選取循環工質，將循環工質放置在蒸發器中，利用地下熱水讓低沸點的循環工質蒸汽化，在循環工質被地下熱水加熱沸騰后，會順著管道向上端跑去，沖擊汽輪機并帶動其轉動，從而帶動發電機，最后乏氣到達冷凝器，利用雪將循環工質再次液化。通過管道循環工質再次回到蒸發器中，進行下一個循環。冷凝器里的雪液化成水，通過管道流下高山，在管道上安裝水輪機，將水的勢能轉換成驅使機械旋轉的機械能，發電機再將機械能轉換成電能輸出。

圖1 循環原理圖

2 系統關鍵設備熱力分析

雪能溫差發電系統的循環過程T-S圖如圖2所示，數字對應過程與圖1對應，其分為4個階段：

圖2 T-S圖

（1）1→2 高壓氣體不斷沖擊汽輪機，帶動汽輪機葉片轉動，從而帶動發電機發電，該過程為等熵膨脹做功過程。

（2）2→3 乏氣在冷凝器中和雪進行熱傳遞，再次變回循環工質，該過程為等壓冷凝過程。

（3）3→4 工質泵對循環工質進行加壓，該過程為等熵加壓過程。

（4）4→1 循環工質在蒸發器中再次吸熱轉化成蒸汽，該過程為等壓升溫過程。

在循環過程中，對循環系統做以下設定：

（1）地下熱水和循環工質都處于穩定流動狀態，循環工質一直為飽和狀態；

（2）系統對外絕熱，處于理想狀態；

（3）忽略循環工質在蒸發器、冷凝器和管路里的流動阻力[1]；

（4）整個系統無摩擦耗能。

各設備的狀態方程如下：

蒸發器：

式中：Mw為地下熱水單位流量（kg/s）；Wf為氨水工質理論流量（kg/s）；h為比焓（kg/J），h的下標與圖1對應。

冷凝器：

式中：M為系統中冷凝單位工質所需要的雪的理論值（kg/s）。

汽輪機是一種將蒸汽的熱能轉變成軸旋轉機械能的動力機械，其為溫差能發電的關鍵設備，汽輪機進口工質的狀態為飽和狀態或過飽和狀態，汽輪機內部進行的是不可逆絕熱膨脹過程[4]。汽輪機做功方程為：

式中：WT為汽輪機的功率（W）。工質泵：

式中：WP為工質泵的功率（W）。

循環熱效率：

每做1 kW·h（3 600 kJ）的功消耗蒸汽的量，叫汽效率。汽效率計算公式：

式中：Wnet為單位質量下做的凈功（W）。

當雪融化成水，通過管子從高山流下，沖擊水輪機時，重力勢能轉化成機械能，方程為：

式中：Wz為重力勢能做的功（W）；M為單位水的重量（kg/s）；H為高山到水輪機的高度差（m）。

3 系統性能分析

3.1 汽輪機進口壓力對系統的影響

循環效率是檢測循環系統性能的重要指標，而汽輪機進口蒸汽壓力又是影響循環熱效率的一個關鍵因素[5]。氣體在汽輪機中做的功與氣體的進口壓力密切相關。

陳鳳云等《朗肯循環海洋溫差能發電系統性能理論分析與試驗》[1]的實驗結果如圖3（a）所示，吳浩宇等《一種高效海洋溫差能發電循環的性能分析》[5]的實驗結果如圖3（b）所示，對兩者的實驗結果進行了比較分析。

圖3 循環熱效率與汽輪機壓力的關系

分析可得，在其他條件不變的情況下，當進口蒸汽壓力低于0.85 MPa時，循環熱效率隨著汽輪機進口蒸汽壓力的升高而升高；當進口蒸汽壓力高于0.85 MPa時，循環熱效率隨著壓力的增加開始下降。這是因為當汽輪機進口氣體壓力小于0.85 MPa時，隨著汽輪機進口氣體壓力的增大，平均蒸發溫度升高，此時的平均吸熱溫度增大，因此熱效率增加[1]；當氣體壓力大于0.85 MPa時，循環工質因為壓力過大，由氣態轉化成液態，因此循環效率下降。

由此可得，最適進口蒸汽壓力為0.85 MPa。

3.2 有機朗肯循環工質選擇

根據不同的飽和蒸汽曲線，可以將循環工質分為干流體、等熵流體與濕流體，其T-S圖如圖4所示[6]。

圖4 流體的T-S圖

在選擇工質時，應該嚴格滿足以下條件：

（1）工質的安全性，必須無毒、不易燃、不易爆炸。

（2）工質的環保性，如果管道泄漏，工質不能污染環境，加速全球變暖，破壞大氣層。

（3）工質的熱穩定性，工質不能因為受熱分解成其他物質。

（4）工質廉價，易購買[6]。

（5）化學穩定性。有機流體在高溫高壓下會分解，對設備材料產生腐蝕，甚至容易發生燃燒和爆炸，所以要根據熱源溫度等條件來選擇合適的工質[6]。

對三種流體進行比較，可以得出干流體和等熵流體比較適合做循環工質，常用工質的相關物性參數如表1所示。

有機工質熱物性影響有機朗肯循環系統特性，而有機工質傳熱特性影響系統中換熱器（蒸汽發生器和冷凝器）的換熱效果[7]。表1工質中，環保性、安全性、熱物性和熱特性都符合要求的工質有R236ea、R245fa，可用作有機朗肯循環的工質。

表1 常用工質的物性參數

4 結語

本文以熱力學原理為基礎，對雪能溫差系統進行分析，得到以下結論：

（1）在其他條件不變的情況下，當進口蒸汽壓力低于0.85 MPa時，循環熱效率隨著壓力的升高而升高；當進口蒸汽壓力高于0.85 MPa時，循環熱效率隨著壓力的升高而下降。

（2）由系統關鍵設備熱力分析可知，影響雪能溫差發電系統循環熱效率的因素有蒸發溫度、冷凝溫度、汽輪機壓力和循環工質、各類泵耗功等，但最根本的兩個因素是進口蒸汽壓力和循環工質的選取。

（3）在選取循環工質時，要以安全、環保為首要條件，以系統熱循環效率最高為目標，可選取R236ea、R245fa。