｜ORC發電機組開發與應用

摘要：有機朗肯循環（organic Rankine cycle，ORC）為目前將中低溫熱能轉換為電力最有效率且最經濟實惠的方法，因此廣泛應用於工業餘熱/廢熱、地熱/溫泉、生質熱能/廢棄物熱能和太陽熱能等發電用途；一般而言，若熱源溫度超過70 ℃就具備經濟價值。工研院結合國內廠商設計、開發數十瓩~數百瓩級發電容量的ORC機組，建立系統設計/分析/整合/測試、關鍵元件（蒸發器、冷凝器、膨脹器選型、PLC控制器）開發等核心技術，可因應用戶端熱源條件，設計、開發最大發電量和最大經濟效益機組。目前已完成50瓩螺桿膨脹機ORC和250瓩渦輪機ORC示範機組；並完成50瓩ORC機組開發和性能測試，其發電效率優於國際同等級產品，預計102年~103年商品化。國人完全掌控ORC研發技術且自製率百分之百，具有ORC機組價格競爭優勢和高性能產品特性，將有助於開創我國中低溫熱能ORC發電產業。

Abstract: Using an organic Rankine cycle (ORC) to convert low grade thermal energy into power can obtain the highest thermal efficiency and the most economic profit among other approaches. ORCs are therefore used as the power units of industrial waste heat, geothermal heat, biomass heat, and solar heat. When the temperature of a heat source is above 70 ℃, the profits of electricity created by ORC can be achieved. Working together with local companies, ITRI has successfully designed and developed a 50 kWe screw-expander ORC. The performance tested data show that the electricity efficiency of this ORC is superior to the foreign product under the same power rating and operating conditions. In Taiwan, we have the capacities to develop screw-expander ORCs with power rating of 10kWe to 200kWe. The market price would be less than 1/2 of the foreign products. Based on the high performance and the competitive product price, we look forward to creating Taiwan’s ORC industry.

關鍵詞：螺桿膨脹機、渦輪機、有機朗肯循環、低溫熱能發電

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

前言
能源以熱能（thermal energy）形式使用佔能源消耗量90 %以上，其中僅有40 %熱能轉換為製程熱能、機械功、電力或化學能，其餘50 %熱能則以廢熱形式排放於環境，造成能源浪費和環境汙染。人類大量使用石化能源，已面臨石化能源短缺問題亦造成嚴重的全球暖化現象，除了積極開發新能源技術外，提高能源使用效率刻不容緩。

台灣自有能源匱乏，使用的石化能源超過99 %需進口。圖1顯示台灣各部門的能源使用分佈，其中工業部門占比達45 %~55 %。在工業部門排放廢熱中，低溫廢熱排放（溫度< 230 ℃）占70%以上、中溫廢熱（溫度230 ℃~650 ℃）占20 %~30 %、高溫廢熱（溫度>650 ℃）則幾乎沒有。中低溫廢熱屬於低能量密度的熱源，可用能（exergy）低，有機朗肯循環（organic Rankine cycle, ORC）可依據冷源和熱源溫度範圍，選用合適低溫沸點有機工作流體（例如：冷媒、氨等），將中低溫熱能轉換為電力或軸功率輸出[2-4]。ORC為目前中低溫熱能發電效率最高且最經濟實惠的產品。圖2為ORC的系統組成圖，係由下列關鍵元件構成：（1）工作流體昇壓泵：升壓液態工作流體，並送入蒸發器；（2）蒸發器（殼管式或板式熱交換器）：汲取中低溫熱能，汽化工作流體；（3）膨脹機（螺桿膨脹機或渦輪機）和發電機組：轉換工作流體的熱能和壓力能為膨脹機軸功率，再經由發電機產生電力；（4）冷凝器（殼管式或板式熱交換器）：冷凝做功後的汽態工作流體為液態，並送往工作流體昇壓泵入口，完成ORC熱機循環。ORC可搭配合適工作流體，應用於不同冷源、熱源溫度條件，因此廣泛應用於工業餘熱/廢熱、地熱/溫泉、生質熱能/廢棄物熱能和太陽熱能等發電用途[5-6]。圖3說明其應用領域、冷源/熱源溫度範圍和取熱/排熱方式。

本文以小型ORC（發電容量≦500瓩）為載台，闡述工業餘熱/廢熱發電技術和產品應用，並評估其經濟可行性。期以ORC做為工業餘熱/廢熱回收和發電，讓用戶端3年內回本，以達到經濟效益和節能減碳成效，並引導業者（製造端和用戶端）投注經費和人力，打造國內中低溫熱能發電ORC新興產業。