本文来自能源类顶级国际期刊《Renewable and Sustainable Energy Reviews》刊登的文章“Technoeconomic survey of Organic Rankine Cycle (ORC) systems”，原文对ORC发电技术在世界范围内的发展概况进行了客观全面的分析，小编特别选取相关内容进行了综述性编译，推荐给有兴趣了解ORC发电技术的中国朋友们。全文主要涵盖以下七个方面，因内容较多，我们将分为上下篇呈现给大家：
本期
1. ORC发电技术的应用领域及经济性分析：包括生物质发电、地热发电、太阳能发电、工业余热发电几个领域。
2. ORC设备厂商及市场概况
ORC应用领域及经济性分析
1. 生物质发电
生物质在农业、工业领域如木材厂、农业废弃物中广泛存在。但是由于实现清洁生物质能燃烧的投资比传统的燃料投入更大，所以对于小型生物质发电厂，其发电成本并没有太大竞争力，可以通过热电联产的方式来实现投资盈利。因此，为了实现高效率转换，生物质热电联产电厂通常是由热需求，而不是电力需求来驱动的。通常，一个典型的生物质热电厂的装机规模在发电功率1~2MW左右，同时可提供6~10MW的热功率。
对于图2的例子，虽然发电效率只有18%，但是整体效率达到88%，比集中利用高了很多。
图3 为一个典型的生物质热电联产ORC系统的工作原理图
此外，目前处理生物质还有另外一种技术：生物质气化燃烧发电。此项技术虽然有更高的热电转化效率，但技术成熟度不及ORC;同时，相比于ORC发电技术，生物质气化燃烧发电涉及更高的初期投资成本(约高出75%)和更高的运行维护成本(约高出200%)，因此，目前还无法和ORC竞争。
2. 地热发电
地热温度一般在几十度到300度之间。实际上ORC可利用的温度必须在80度以上，低于这个温度则由于热电转换效率过低而导致经济性很差。地热开发中的勘探成本包括打生产井和回灌井，占总投资成本的比例很高，最高可达70%。此外，由于发电过程中地热水的抽取和回灌耗能大，水泵及工质泵的耗电量要占到总输出功率的30%-50%。
当然，较高温度(150℃以上)的地热源也可使用热电联产方式：冷凝温度设置高一点，比如60℃，ORC系统出来的冷却水即可用于区域供热。在这种情况下，通过牺牲一部分发电效率来换取整体回收效率的提高。
图4 为一个典型的地热发电ORC系统的工作原理图
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表1给出了欧洲地区不同温度地热资源的发电潜力与供热潜力：(MWth代表供热功率，MWe代表发电功率)，实际上，由于120度以下的地热资源量非常大，所以即使温度不高，全部用于发电也是非常可观的。
3. 太阳能发电
太阳能光热发电是一种经过充分验证的技术：太阳能辐射到一个集热板上，把介质加热到很高的温度，然后进入动力循环系统发电。聚光太阳能发电技术包括槽式、塔式和碟式。其中塔式和碟式可以得到更高的温度，用于太阳能光热发电的动力循环为斯特林循环(通常用于小规模的发电厂)、蒸汽朗肯循环或联合循环。
槽式太阳能集热系统温度较低(300-400℃)，主要是通过传统的蒸汽朗肯循环发电。和地热、生物质发电一样，槽式太阳能光热发电也受到同样的限制：蒸汽循环需要高温，高压，因此需要较大的装机才能实现较好的投资回报。
相比而言，对于小规模的太阳能光热发电站，ORC是一项有前途的技术，可降低系统的初期投资成本。它可以在较低温度下工作，并且装机功率可到1MW以下，像菲涅尔线性聚光技术就特别适合用ORC发电。
不过，目前市场上使用ORC技术的太阳能光热发电站还很少，以下为国外已建成的几个小型电站：
美国亚利桑那州在2006年建成一个装机1MW的太阳能光热ORC发电站，使用正戊烷作为ORC工质，系统热电转换效率在20%，太阳能光热的转换效率在12.1%。
美国夏威夷在2009年建成一个发电功率仅100kW的太阳能光热发电站，ORC工质的蒸发温度在120℃左右。
图5 为一个典型的太阳能光热发电ORC系统的工作原理图
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4. 工业余热/废热发电(WHR)
4.1 工业生产过程的余热回收
目前工业领域有许多低品位热源无法被利用，排空的话会对环境、健康产生影响，通过ORC发电技术可解决这个问题。全世界范围低品位的余热发电潜力巨大，其中，美国超过750MW的，欧洲超过3000MW。某些行业呈现出特别高的余热潜力，如水泥行业，其中40%的热量是通过烟气排出，其它还有钢铁，炼油，化工等行业。
4.2 内燃机尾气余热回收
内燃机发电过程中仅把1/3的燃烧热量转化成了机械功，其它热量则通过缸套水和燃烧之后的烟气浪费掉了。蒸汽朗肯循环和有机朗肯循环(ORC)发电技术可有效地将这部分余热回收用于发电。从经济性方面分析，ORC发电技术特别适合小规模发电站(内燃机总装机功率20MW以下)或缺水地区(如中国西部地区将ORC技术用于大型燃驱压气站的高温烟气发电，可实现单机装机功率17MW)，通过使用ORC技术回收尾气余热，可将现有内燃机的发电量提高6~12%。
ORC市场发展概况从20世纪80年代初期开始，世界各国的ORC设备制造商(主要集中在欧美)已经开始进入ORC发电的商业应用领域，主要知名厂商(国外)
如表2：
从已安装的台数和装机功率方面来看，排名前三的制造商分别为意大利的Turboden(全球安装台数份额45%，装机功率份额8.6%)，美国的ORMAT(全球安装台数份额25%，装机功率份额86%)，德国的Maxxtec(全球安装台数份额23%，装机功率份额3.4%)，其中，美国ORMAT的重点市场在规模较大的地热发电站，因此装机功率遥遥领先。
除上表中提到的ORC设备制造商之外，全球范围内也逐步涌现出新的厂商，其中一些厂商以其具备竞争力的核心技术或独到的商业运作方式，成为区域性ORC市场的后起之秀。下表是小编收集整理的全球(包括中国)ORC膨胀机厂商的关键技术：
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自20世纪70年代第一个商业化ORC发电站运行以来，全球ORC市场几乎呈指数增长。在余热回收，生物质能热电联产和地热发电这些领域有广泛的应用，太阳能发电领域目前应用虽然较少，但也在稳步增长。图6中的左图给出了自1984年以来全球ORC发电站的累计装机功率(左边纵坐标值：单位MW)与累计安装台数(右边纵坐标值)的增长趋势，右图给出了不同应用领域的ORC发电机组的安装台数比例构成。从图中来看，相对于太阳能光热发电，ORC发电技术在生物质发电、地热发电以及工业余热/废热发电(WHR)领域中的应用更为成熟。同时ORC发电站的装机功率通常都在MW级，几百kW的ORC发电站从投资回报率来看还是不太经济。
图7粗略给出了不同应用类型不同装机功率的ORC发电系统的单位kW造价(欧元)，可以看出，装机功率越大，单位kW的价格越低。当然，需要指出的是，ORC发电系统的投资成本与不同国家的能源政策、具体的应用、不同的区域电价、不同厂商的技术及其市场战略等因素都有很大的关系。从投资成本来看，对于同样的应用领域，机组的装机功率越大，单位kW的价格越低;其中，成本最低的是工业余热/废热发电WHR，而地热发电和生物质热电联产则投资成本较高。这些投资成本除了ORC系统发电机组的设备投资，还包括工程设计、土建、锅炉(对于烟气余热回收或热电联产的电站)、系统集成，对于某些应用，这部分成本所占的比例甚至更高。
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原标题：中文首发| ORC发电技术的经济性分析（上篇）
