Ontwerp en optimalisatie van een goedkope organische Rankine-cyclus op zonne-energie voor energieopwekking

De recente belangstelling voor kleinschalige thermische warmtekrachtkoppeling op zonne-energie viel samen met de groei van de vraag naar gedistribueerde elektriciteitsvoorziening. Een mogelijke technische benadering om aan deze vraag te voldoen, is de parabolische thermische zonnecollector in combinatie met een organische Rankine-cyclus (ORC) warmtemotor.

De economie van een Rankine-systeem is strikt gekoppeld aan de thermodynamische eigenschappen van de werkvloeistof. Eigenschappen van een goede vloeistof zijn: lage specifieke volumes, hoog rendement matige drukken in de warmtewisselaars, lage kosten, lage toxiciteit.

Solar ORC's zijn zowel theoretisch (Davidson 1977, Probert et al., 1983) als experimenteel (Monahan, 1976) al in de jaren zeventig bestudeerd en met gerapporteerde algemene efficiënties variërend tussen 2,52% en 7%. Het is interessant om op te merken dat er geen enkele vloeistof is geïdentificeerd als optimaal voor de ORC. Dit komt vooral door de sterke onderlinge afhankelijkheid tussen de optimale werkvloeistof, de werkomstandigheden en de cyclusarchitectuur.

Hieruit volgt dat de studie van een werkvloeistofkandidaat moet worden geïntegreerd in het ontwerpproces van een ORC-systeem. Er zijn maar weinig studies die experimentele gegevens hebben opgeleverd van operationele zonne-ORC-systemen. Kane et al. (2003) bestudeerden de koppeling van lineaire Fresnel-collectoren met een gecascadeerde 9-kWe ORC, met R123 en R134a als werkvloeistoffen. Er werd een globaal rendement (van zonne-energie naar elektriciteit) van 7,74% bereikt, met een collectorrendement van 57%.

Manolakos et al. (2007) bestudeerden een 2kWe lage temperatuur zonne-ORC met R134a als werkvloeistof en geëvacueerde buiscollectoren, een algemeen rendement van minder dan 4% werd verkregen.