低溫熱能回收ORC系統之特性研究

摘要：有機朗肯循環（Organic Rankine Cycle，ORC）之工作原理係利用合適的有機工作流體，即能在兼顧效率與經濟效益下，將中低溫熱能轉換為電力輸出。ORC屬於密閉式循環系統，主要元件為泵、蒸發器、膨脹器、發電機組及冷凝器。由於工作流體僅與冷熱源透過熱交換器進行能量交換，因此系統具備可靠度高、維修少和壽命長等優點。工研院自2009年起開始發展小型ORC機組，並陸續建置數台示範機組，期能達到節能減碳與經濟效益雙重成果，本研究設計並開發20 kW級螺桿膨脹機ORC系統，本機組採用R134a作為工作流體。藉由系統分析及系統性能測試結果，研發成果可直接應用於低溫工業廢熱、地熱/溫泉、生質熱能及太陽熱能發電，可促成國內低溫發電產業。

Abstract: An organic Rankine cycle (ORC) consists of a pump, evaporator, condenser, expander and generator. Using a low boiling-point organic working fluid, an ORC can convert low-grade heat into power. This energy exchange process proceeds though only the heat exchange between working fluid, cold source and heat source. Therefore, the ORCs give high thermodynamic efficiency and promising economic profit. Screw expander ORC has a wide operation range and delivers stable power output. It can be used for heat energy conversion to electricity from waste heat, geothermal, biomass, and solar thermal energy. In this research, a 20-kW ORC system using R134a as the working fluid was designed and built for low-grade waste heat recovery. The performance and experimental results were explored in this research and the results could be used as the basis of future practical applications.

關鍵詞：工業廢熱、有機朗肯循環、低溫熱能發電

Keywords：Industrial Waste Heat, Organic Rankine Cycle, Low Grade Heat to Power

前言
隨著科技進步，人類對能源的需求量有著爆炸性的增加，尤其在不可再生的石化能源上，需求量更是居高不下。然而，能源在使用的過程中，超過90%是以熱的形式轉換成所需的能量，如機械能、化學能及電能等，但轉換效率大多低於40%，換言之，有超過50%的能量在轉換的過程中，以廢熱的形式排放至環境中，造成能源浪費與環境破壞。台灣能源耗量逐年增加，近年更達到100~120百萬公秉油當量，如圖1所示，但受限於天然資源匱乏，超過99%的石化能源需仰賴進口，每逢遭遇國際原油價格大幅度波動，各行各業都會受到極大衝擊，影響國內民生與經濟發展。為了避免過度依存進口能源，在節能減碳之環保政策推行下，提高能源使用效率與開發再生能源勢在必行。前者可由工業餘熱回收再利用減少廢熱排放，台灣工業部門能源耗量占台灣能源耗量約40%，其中廢熱排放又占工業部門能源耗量30~50%。在工業廢熱中，低溫廢熱定義為溫度小於230℃之熱源，占約60%，因此投資低溫廢熱的回收具有相對較高的經濟效益及誘因。針對開發再生能源目的，台灣四面環海且溫泉遍布全島各處，地熱、海洋溫差或生質能等再生能源蘊藏量豐富，可永續開採且穩定，且無論廢熱回收或是地熱等再生能源，皆擁有作為「基載機組」必須具有之可長時間穩定運轉與成本變動低的特性，可作為基載電力，故有著極大之開發價值。