｜低階熱能發電的有機朗肯循環機組開發與測試

摘要：依據熱源、冷源溫度條件，選擇適用有機工作流體，有機朗肯循環（Organic Rankine Cycle，ORC）機組可將熱源和冷源間的溫差熱能轉換為電力輸出，適合工業餘熱、地熱/溫泉、廢棄物熱能、生質熱能、太陽熱能等低階或中階熱能利用。ORC迴路系統主要關鍵元件有昇壓泵浦、蒸發器、作功元件、冷凝器等，本文以工研院成功開發的10瓩ORC發電機組載台，探討介紹ORC機組的設計、開發和性能測試結果。

Abstract: Based on the thermal energy potential between heat sources and heat sinks, Organic Rankine Cycles (ORCs) are suitable for the conversion of low grade and medium grade thermal energy (such as industrial waste heat, geothermal, biomass, solar thermal energy, etc.) into power. The main components of an ORC consists of a working fluid pump, an evaporator, an expander, and a condenser. By virtue of the successful development of an ORC with 10 kilo-watts power rating in ITRI, the ORC’s design and performance test were investigated.

關鍵詞：有機朗肯循環、低溫熱能發電、渦輪機、螺桿膨脹機

Keywords：Organic Rankine Cycle, Low Grade Thermal Energy Conversion, Turbine, Screw Expander

前言

工作原理
有機朗肯循環（Organic Rankine Cycle，ORC）的基本架構和作動原理相同於蒸汽朗肯循環系統，不同點在於蒸汽朗肯循環使用水為工作流體，其常壓沸點溫度為100℃；ORC則使用有機工作流體（organic working fluid），利用有機工作流體的蒸發和冷凝熱力性質特點，可適應不同冷、熱源條件。ORC循環迴路內的主要關鍵元件有昇壓泵浦、蒸發器、作功元件（例如：渦輪機、螺桿膨脹機、渦卷膨脹機等）、冷凝器等（圖1），其熱能轉換為（一）取熱：利用蒸發器擷取來自熱源端的熱載體熱能，使蒸發器內的有機工作流體蒸發為汽態；（二）熱功轉換：利用作功元件轉換有機工作流體熱能和壓力能為機械軸功，機械軸功再藉由發電機產生電力；（三）排熱：利用冷凝器內來自冷源端的冷載體帶走汽態有機工作流體釋放的熱能並將其冷凝為液態；（四）昇壓：利用泵浦汲取、昇壓液態有機工作流體，並輸送至取熱單元，完成ORC動力系統循環。