工作原理與發電效率
ORC工作原理(Working Principle)
有機朗肯循環(organic Rankine cycle，ORC)發電是目前轉換中、低溫熱能產生電力時，可達到最高發電效率及最具備經濟效益的方法。ORC的基本架構和作動原理相同於一般電廠的蒸汽朗肯循環(steam Rankine cycle)，主要關鍵元件有：升壓泵、蒸發器、膨脹機(渦輪、螺桿機等)、發電機、冷凝器。蒸汽朗肯循環以水為工質(工作流體, working fluid)，常壓沸點100℃，適合高溫熱源(化石燃料燃燒、核能、廢棄物燃燒等，熱源溫度≥300℃)發電，下圖說明蒸汽的T-s(溫度-熵)圖，其臨界溫度達374℃、臨界壓力220.6 barA。
ORC依據冷源和熱源溫度範圍，選用合適低溫沸點有機工質(例如：HFCs(R245fa、R134a等)、HFOs(R1233ZD等)、烷類(丁烷、戊烷、環戊烷等)、烯類等物質)，將中、低溫熱能轉換為電力或軸功率輸出。下圖說明R245fa的T-s(溫度-熵)圖，其臨界溫度154.1℃、臨界壓力36.51 barA，適合中溫熱源。
ORC液態工質在蒸發器內擷取外界中、低溫熱源的熱能，轉換為汽態工質後，利用膨脹機將此熱能轉換為膨脹機的轉子軸功率，並透過發電機將此軸功率轉換為電力輸出。ORC工作原理說明如下：
1→2：液泵加壓液態工質，升壓後的工質輸送到蒸發器。
2→3：液態工質於蒸發器內吸收熱源熱能、成為過熱汽(或飽和汽)後，輸送到膨脹機。
3→4：高溫、高壓汽態工質於膨脹機內降壓、降溫膨脹，將熱焓轉換為膨脹機轉子的旋轉動能，並透過發電機轉換為電力輸出。做功後的過熱低溫、低壓汽態工質輸送到冷凝器。
4→1：汽態工質在冷凝器中將熱能排放給冷源、成為液態後，輸送到液泵入口，完成ORC熱力循環。
ORC發電效率(Electricity Efficiency)
依據多樣化的熱源(例如：低壓蒸汽、製程後熱水(冷凝水)、地熱水、熱媒油、氣液混合汽、熱空氣、煙氣等)、冷源(例如：水冷、氣冷、低溫冷源(LNG、LN2)等)參數及工況，篩選適合的工作流體(工質)，ORC循環系統就可運行於各類熱源型態及各種溫度範圍。ORC系統結構簡單、負荷比(turndown ratio)大、年稼動率高、穩定性佳，發電效率亦較一般中、低溫熱能發電系統高；因此，ORC廣泛應用於中、低熱能發電領域，例如：工業製程餘熱(熱水、熱媒油、蒸汽、煙氣等)、地熱/溫泉、生質/廢棄物熱能(農業廢棄物、沼氣、一般廢棄物、事業廢棄物等)、太陽熱能、海洋溫差等熱能轉換、輸出電力。ORC除了可應用於中、低溫熱能發電外，也可轉換低溫冷能(例如：液態天然氣(LNG)或液態氮)和環境間的溫差能，產出電力。
ORC系統的發電效率受下列因素影響：
(1) 熱源及冷源溫度：ORC系統的工質蒸發溫度及冷凝溫度間的溫差越大，發電效率就越高、發電功率也越大。因此，在高溫的熱源或低溫的冷源(溫度、流量)工況下，ORC發電功率明顯增加。在相同的熱源條件下，冬季時(環境溫度低、冷源溫度低)的ORC發電功率大於夏季時(環境溫度高、冷源溫度高)的ORC發電功率。以100T/h、150℃的地熱水(台灣地熱水上井溫度120 ~ 160℃)為熱源，下圖顯示：水冷式ORC的發電功率隨冷卻水入水溫(跟隨環境溫度)變動的性能曲線。圖中，冷卻水溫30℃時，毛發電功率831kW(設計點)；冷卻水溫20℃時，毛發電功率996kW；冷卻水溫15℃時，毛發電功率1,082kW。
比較ORC發電的性能表現時，務必植基於相同的熱源及冷源溫度(環境溫度)，冷源溫度低10℃，發電功率就提升~24%。
(2) 排熱方式：ORC系統的排熱方式可採用水冷式冷凝器(WCC, water cooled condenser)或氣冷式冷凝器(ACC, air cooled condenser)。水冷式散熱系統(冷卻水塔)利用水的蒸發潛熱排熱，體積小、散熱效果佳；氣冷式散熱系統藉由風扇強制空氣流通散熱鰭管，利用空氣顯熱散熱，體積龐大、散熱效果差。因此，在相同的熱源及環境溫度下，水冷式ORC散熱佳、冷凝溫度低，發電功率高於氣冷式ORC。
(3) 工質選擇：就來源熱源溫度及其操作的溫度範圍，篩選合適ORC循環系統的工質(工作流體)，讓ORC運轉時可達到最佳的性能表現。選錯工質，對ORC發電功率影響甚鉅，因此，ORC設計、開發時，必須依據熱源、冷源的工作溫度範圍，展開系統參數分析，選定工質。工質篩選原則如下：
>合適溫度範圍(搭配熱源/冷源溫度範圍)
>>臨界點溫度/壓力
>>常壓沸點溫度
>安全
>>對金屬、非金屬無腐蝕作用
>>無毒、不可燃
>等熵或乾流體
>與冷凍油互溶性
>低環境衝擊因素(ODP, GWP)
>洩漏易偵測
>化學性安定
>可用性高、價格低
>合理工作壓力
(4) 發電功率比較：茲以100T/h、150℃的地熱水(不含蒸汽，如果含有蒸汽，發電功率隨蒸汽占比大幅提升)為熱源，環境溫度30℃為例，分析WCC、ACC及採用不同工質(鹵碳化合物(例如：R245fa、R1233RZD等，不可燃工作流體)、碳氫化合物(例如：丁烷Butane、環戊烷Cyclo-Pentane等，易燃工作流體))下的ORC性能表現。下圖顯示上述4種工質的溫度-熵圖(T-s diagram)，並註明各工質的臨界點溫度、壓力數值、常壓沸點溫度。
4.1 水冷式(WCC)ORC毛發電功率比較
採用Butane工質的ORC毛發電功率表現最佳，R245fa-ORC次之；採用CycloPantane工質的ORC毛發電功率表現最差，Butane-ORC毛發電功率為CycloPantane-ORC的1.26倍。
4.2 水冷式(WCC)ORC淨發電功率比較
本ORC淨發電功率尚未扣除ESP及地熱水回注泵耗功。採用Butane及R245fa工質的ORC淨發電功率表現最佳，CycloPantane-ORC表現最差，Butane-ORC及R245fa-ORC的淨發電功率為CycloPantane-ORC的1.2倍。由於Butane易燃、R245fa不可燃，考慮地熱發電站的經濟效益(發電效益)及運維安全，在150℃地熱水熱源及採用水冷式排熱方式時，建議建造R245fa-ORC地熱發電站。
4.3 氣冷式(ACC)ORC毛發電功率比較
採用Butane工質的ORC毛發電功率表現最佳，R245fa-ORC次之；採用CycloPantane工質的ORC毛發電功率表現最差，Butane-ORC毛發電功率為CycloPantane-ORC的1.25倍。
4.4 氣冷式(ACC)ORC淨發電功率比較
本ORC淨發電功率尚未扣除ESP及地熱水回注泵耗功。採用Butane及R245fa工質的ORC淨發電功率表現最佳，CycloPantane-ORC表現最差，Butane-ORC及R245fa-ORC的淨發電功率為CycloPantane-ORC的1.167倍。由於Butane易燃、R245fa不可燃，考慮地熱發電站的經濟效益(發電效益)及運維安全，在150℃地熱水熱源及採用氣冷式排熱方式時，建議建造R245fa-ORC地熱發電站。
4.5 水冷式(WCC)、氣冷式(ACC)ORC淨發電功率比較
