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Current costs of solar powered organic Rankine cycle engines

1978; Elsevier BV; Volume: 20; Issue: 1 Linguagem: Espanhol

10.1016/0038-092x(78)90133-0

1471-1257

Robert E. Barber,

Advanced Thermodynamic Systems and Engines

Solar energy can be used to heat and cool buildings, drive irrigation pumps, make electrical power, desalt sea water, and, in general, reduce energy demands on conventional energy sources. The organic Rankine cycle engine will play an important part in the conversion of solar energy to useful shaft power. Technical feasibility is here now, as shown by several demonstration projects; however, economic feasibility may be some years away. This paper addresses the technical and cost aspects of the organic Rankine cycle and its interaction with the solar collector as a power system. The efficiency and practical considerations of the combined collector and Rankine system show that collector temperatures of 93°C (200°F), 150–200°C (300–400°F), and 315°C (600°F) are optimum operating conditions for flat plate, concentrators, and tracking concentrators respectively. The peak solar conversion efficiencies of these systems are approximately 5, 10 and 11 per cent respectively. When comparing the cost of solar power systems, it is shown that the dominant factor in the system cost is the collector cost. It is estimated that in a production unit the Rankine cycle cost will be approximately one-third of the total system cost with two-thirds going to the collector component. Consequently, low-cost collectors are crucial for commercialization of solar Rankine systems. It is estimated that the installed cost of mass produced solar power systems would be in the neighborhood of $1600–$2500/peak kW output. These values do not relate to a solar cooling system since not all the collectors are charged to the cooling system; hence, the relevant cost comparison is the production costs of the Rankine and the absorption cooling systems. Therefore, the conclusions presented here relate primarily to power systems. Solar power systems are technically feasible now; however, when will they be economically feasible? It is this author's opinion that this will occur when there is no other alternative, which may not be long in coming. When this time does arrive, the organic Rankine engine is available to convert the Sun's heat into useful power. La energía solar puede ser usada para calentar y enfriar edificios, mover bombas de riego, producir energía eléctrica, desalinizar agua de mar y en general, reducir las demandas sobre las fuentes convencionales de energía. El motor de ciclo Rankine orgánico presentará un papel importante en la conversión de la energía solar en mecánica. La factibilidad técnica existe actualmente, como lo dicen varios proyectos demostrativos; sin embargo, la factibilidad económica existirá dentro de algunos años. Este artículo se refiere a aspectos técnicos y de costos del ciclo Rankine orgánico y su interacción con el colector solar como sistema energético. El rendimiento y las consideraciones prácticas del sistema combinado Rankine y colector muestra que las temperaturas de 93°C (200°F), 150–200°C (300–400°F), y 315°C (600°F) son las óptimas condiciones de operación para colectores planos, concentradores y concentradores seguidores, respectivamente. El pico de rendimiento de conversión de estos sistemas son aproximadamente 5%, 10% y 11% respectivamente. Cuando se comparan los costos de los sistemas de potencia mecánica solares, se ve que el factor dominante en el sistema es el costo del colector. Se estima que en una producción la unidad de ciclo Rankine costaría aproximadamente un tercio del costo total del sistema yendo dos tercios al componente colector. Consecuentemente, los colectores de bajo costo son esenciales para la comercialización de sistemas Rankine solares. Se estima que el costo de instalación de estos sistemas producidos masivamente podría ser de alrededor de $1600 a $2500 por pico kW de salida. Estos valores no se relacionan con sistemas de enfriamiento solar por cuanto no todos los colectores son cargados al sistema de enfriamiento; entonces la comparación relevante es la de costos de producción de sistemas Rankine y de enfriamiento por absorción. Por lo tanto las conclusiones aquí presentadas se relacionan esencialmente a sistemas de energía mecánica. Los sistemas de potencia solar son ya técnicamente factibles; sin embargo, cuándo serán económicamente factibles?. Es la opinión de este autor de que esto ocurrirá cuando no haya ninguna otra alternativa, lo cual no está lejano. Cuando este momento llegue el motor Rankine orgánico está disponible para convertir el calor solar a potencia mecánica útil. L'énergie solaire peut être utilisée pour chauffer et refroidir des habitations, entraîner des pompes d'irrigation, fabriquer du courant électrique, désaler l'eau de mer, et, en général, réduire les demandes d'énergie de sources conventionnelles. La machine à cycles de Rankine organique jouera un rôle important dans la conversion de l'énergie solaire en énergie utilisable. Sa practibilité technique est maintenant certaine, comme l'ont prouvé plusieurs projets de démonstration. Toutefois, du point de vue économique, sans doute celle-ci ne fera-t-elle ses preuves que dans quelques années. Cet article reprend les aspects du point de vue de la technique et des prix du cycle de Rankine organique, et son interaction avec les capteurs solaires en tant que système de production d'énergie. L'efficacité et les considérations pratiques du système combiné captueur et cycle de Rankine montrent que les températures du capteur de 93°C (200°F), 150–200°C (300–400°F) et 315°C (600°F) sont les conditions de fonctionnement optimales respectivement pour le capteur plan, les concentrateurs et les concentrateurs mobiles. Les records de conversion solaire de ces systèmes sont de l'ordre de 5, 10 et 11% respectivement. En comparant le coût des systèmes solaires de production de puissance, il apparaît que le facteur déterminant dans le coût total est le prix du capteur. On estime que dans une unité de production le coût du cycle de Rankine sera approximativement d'un tiers du prix du système global, les deux-tiers restants étant affectés au capteur. En conséquence, l'abaissement du prix des capteurs est crucial pour la commercialisation de systèmes solaires Rankine. On estime que le coût de systèmes solaires de production serait de $1600–$2500 par kW crête de sortie. Ces valeurs ne tiennent pas compte d'un système solaire de refroidissement puisque les capteurs ne sont pas tous adaptés à cette fonction, ainsi le coût important dans la comparaison du prix est celui des systèmes de Rankine et des systèmes d'absorption. C'est pourquoi les conclusions présentées ici concernent d'abord les systèmes de production d'énergie. Les systèmes solaires de production d'énergie sont maintenant techniquement réalisables; quand le seront-ils du point de vue économique? L'opinion de l'auteur est que cela arrivera lorqu'il n'y aura pas d'autre alternative, et ne saurait se faire attendre. Quand ce temps viendra, la machine à cycles de Rankine organique sera capable de convertir l'énergie solaire en puissance utile.