Structural Optimization and Experimental Investigation of the Organic Rankine Cycle for Solar Thermal Power Generation

در مقایسه با چرخه معمولی رانکین با استفاده از آب، ORC می‌تواند انبساط کارآمد را در توان کم ایجاد کند، از سوپرهیتر اجتناب کند و بازده حرارتی بالاتری را در کاربرد دمای پایین ارائه دهد. ORCهای مقیاس کوچک از چند کیلووات تا چند صد کیلو وات پتانسیل زیادی برای تامین نیازهای مسکونی در گرما و برق ارائه می دهند و در زمینه های علمی و فنی مورد توجه فزاینده ای هستند. با این حال، یک مشکل مهم کاهش راندمان دستگاه و مقرون به صرفه بودن است که با کاهش ORC به وجود می آید.

در این پایان نامه، ORC با کلکتورهای خورشیدی با نسبت غلظت پایین ترکیب می شود. پیشینه، روند تحقیق، شایستگی و اهمیت ORC خورشیدی شرح داده شده است. برای کاهش برگشت ناپذیری ترمودینامیکی و هزینه سیستم، سه راه حل ابتکاری پیشنهاد شده است: ORC خورشیدی بدون سیال انتقال حرارت (HTF)، که از کلکتورهای دو مرحله ای و واحدهای ذخیره حرارت استفاده می کند. تولید برق خورشیدی هیبریدی بر اساس ORC و سلول های سیلیکونی آمورف. ORC خورشیدی مبتنی بر اسمز جمع آوری گرما، ذخیره سازی و تبدیل توان بهینه شده است. طراحی، ساخت و آزمایش یک نمونه اولیه انجام شده است که امکان سنجی ORC را برای تولید همزمان در مقیاس کوچک نشان می دهد. توجه ویژه ای به عملکرد متغیر و طراحی پارامتر با توجه به دمای تراکم شده است.

Compared to the conventional Rankine cycle using water, the ORC can create efficient expansion at low power, avoid superheater and offer higher thermal efficiency in low temperature application. Small-scale ORCs from several kWe to a few hundred kWe offer great potential for meeting the residential demand on heat and power, and are of growing interest in scientific and technical fields. However, one critical problem is the decreased device efficiency and cost-effectiveness that arises when the ORC is scaled down.

In this thesis, the ORC is combined with low concentration-ratio solar collectors. The background, research trend, merits and importance of the solar ORC are described. To reduce the thermodynamic irreversibility and the cost of the system, three innovative solutions are proposed: solar ORC without heat transfer fluid (HTF), which employs two-stage collectors and heat storage units; hybrid solar power generation based on ORC and amorphous silicon cells; osmosis-driven solar ORC. Heat collection, storage and power conversion are optimized. The design, construction and test of a prototype are conducted, demonstrating the feasibility of the ORC for small-scale cogeneration. Special attention is paid to the variable operation and parameter design with respect to the condensation temperature.