150℃以下的低温热能广泛存在于自然界和工业生产过程中，如太阳能、生物质能、地热能，以及水泥厂、热力发电厂和化工厂的工业余热，若不加以利用，则是对能源的巨大浪费，因此，安全、可靠、高效地利用这部分热能的意义重大。与传统的水蒸气朗肯循环发电系统相比，有机物朗肯循环（ORC）发电系统的发电效率高、环境友好、结构简单及可靠性高，已成为回收利用低温热能的最佳选择。国内外关于ORC系统的理论研究较多，但相关的实验研究相对较少。Gu等通过理论和实验的方法研究了余热回收ORC系统，发现部件中蒸汽发生器的不可逆损失最大，而且系统的最大热效率为5.2%；Mathias等搭建了可采用涡旋式或摆线式膨胀机的有机物发电实验台，其最大输出功率为2.96kW；Peterson等建立了一个采用涡旋式膨胀机的实验系统，其热源温度为165～183℃，系统输出功率为187～256W；Quoilin等通过实验和半经验理论模型对涡旋式膨胀机进行了研究，并考虑了膨胀机的内泄漏、漏热、过膨胀或欠膨胀等损失；Li等搭建了实验台并对回热式发电系统进行实验研究；Kang等研究了采用径流式涡轮膨胀机的ORC系统，并分析了影响系统性能的因素；Pei等分析了膨胀机的各项损失对系统性能的影响及热电联产的相关问题；Gao等研究了太阳能混合工质发电系统。这些研究推动了ORC技术的发展，但对膨胀机－发电机－负载三者的相关性研究还很少。
研究所用低温热能有机物朗肯循环发电实验系统外观及结构如图1所示，主要由有机物朗肯循环与热源循环2个环路组成。有机物朗肯循环环路主要包括蒸发器、冷凝器、储液罐、工质泵和膨胀机；热源循环环路是加热油炉循环系统；另外，实验系统中还包括发电机、负载电阻、背压阀、球阀、膜片式脉冲阻尼器及干燥过滤器等配件和一整套测试设备。
为了减小发电实验系统的体积，将实验设备与测试设备集成在一个箱体中，并在箱体底部安装滑轮以便于移动。实验系统的工作原理如下：将蒸发器、膨胀机、冷凝器、储液罐与工质泵用铜管依次连接而形成工质循环的闭路系统；涡旋式膨胀机通过联轴器与永磁交流发电机连接；3个相同的瓷盘变阻器通过三角形接法与发电机相连；采用导热油炉模拟热源，油泵将高温导热油送入蒸发器中以加热有机物工质；工质冷凝以风冷为主；另外，为保证实验能够在不同工况下顺利进行，在冷凝器的散热盘管上安装喷雾系统，以便于冷凝负载较大时使用。
图2示出了当热源温度为100℃时实验所获功率－转速特性曲线。其中，实线为相同工质流量下涡旋膨胀机的功率－转速特性曲线，虚线为相同负载电阻下发电机的功率－转速特性曲线，2条曲线的交点即为涡旋式膨胀机、发电机及负载的耦合工况点，例如电阻为60Ω的发电机功率－转速特性曲线上的耦合工况点为A、B和C。
在不同的工质流量下，涡旋式膨胀机均存在一个最佳转速与一个最大输出功率相对应。将不同工质流量下的最佳工况点相连接，则可得到涡旋式膨胀机的最佳功率转速线。由于联轴器的转速与负载电阻成正相关关系，故在不同工质流量下都存在一个最佳负载电阻，以使涡旋式膨胀机工作在最佳工况点，所以涡旋式膨胀机的最佳功率转速线也即最佳功率负载线。从理论上讲，要想使得膨胀机与发电机及负载达到最佳的匹配，就应使配套发电机的功率－转速曲线与膨胀机的最佳功率负载线重合，以使膨胀机不会工作在过载和欠载状态下。
由图3可见，当热源入口温度不同时，系统的最佳负载电阻约为60Ω，但最佳的转速和发电功率随着热源温度的增加而增大。发电效率表示热源热能转化为电能的程度，决定了发电系统的应用价值，其与发电功率的比值即为单位质量工质的发电量，表示工质的做功能力。由图4可以看出：当负载电阻为60Ω 时，发电效率和比发电功率均达到最大值。随着负载电阻增加，系统的发电效率呈现出先增后减的变化趋势，并存在一个最佳的负载电阻，使得系统具有最大的发电效率，而且当热源温度升高时，最佳负载电阻对应的发电效率随着热源温度升高而增大；同时，比发电功率随负载电阻变化的关系与发电效率和发电功率的相似，即存在一个最佳负载电阻，以使比发电功率最大，且在不同温度下均存在最佳的负载电阻，热源温度越高，最佳负载电阻对应的最大比发电功率越大，即最佳负载电阻不仅使得系统具有最大的发电功率和发电效率，而且使得循环工质的比发电功率最大。因此，合理设置负载电阻，能够使得发电系统发挥最佳的性能。
（1）在不同的热源温度和工质流量条件下，均存在一个最佳的负载电阻，使得系统具有最大的发电功率、比发电功率及发电效率。
（2）在设计发电系统时，应为涡旋式膨胀机选择合适的永磁发电机和负载电阻，以使系统运行时发电机的负载电阻－功率－转速特性曲线尽可能靠近膨胀机的最佳功率负载线，使得系统发挥最佳的性能。
（3）在热源温度不超过120℃ 时，实验所测系统的最大发电功率可达1.05kW，最高发电效率可达4.51%，膨胀机的最大转速和膨胀比分别可以达到2922 r/min和3.03。
