本發(fā)明屬于太陽能熱發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于螺桿膨脹機(jī)的中低溫直膨式太陽能熱電聯(lián)供系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

直膨式系統(tǒng)（DSG）是未來減少太陽能發(fā)電成本的一個(gè)重要途徑。在直膨式系統(tǒng)中，水蒸氣在集熱器陣列中直接膨脹，因此避免了二次換熱流體（如導(dǎo)熱油）。集熱部分循環(huán)泵的耗功也會(huì)減少。水蒸氣在兩相區(qū)保持不變的溫度和高傳熱系數(shù)對(duì)集熱器運(yùn)行很有利。由歐盟資助的已經(jīng)運(yùn)行超過6000小時(shí)的直膨式太陽能蒸汽（DISS）項(xiàng)目可以證明直膨式技術(shù)的可行性。由阿本戈太陽能公司建造的8兆瓦時(shí)示范電站，為了保證工作在8.5 MPa和500℃，其蒸發(fā)器由3個(gè)平行的環(huán)路組成，過熱器由2個(gè)環(huán)路組成。電站已經(jīng)運(yùn)行了一年。期間，在瞬態(tài)工況下穩(wěn)定運(yùn)行的創(chuàng)新性控制策略系統(tǒng)得到了驗(yàn)證。技術(shù)人員評(píng)估了集熱器之間不同配置的相互鏈接，包括球形接頭和靈活的旋轉(zhuǎn)接頭。世界上第一個(gè)商業(yè)化的直膨式槽式熱電站自從2011年就開始發(fā)電。位于泰國北碧府的5 MWe太陽能熱發(fā)電站的槽式集熱器采用新一代結(jié)合高效薄玻璃鏡片的復(fù)合材料，可以反射95%以上的太陽輻射。經(jīng)過幾年的成功運(yùn)行，該電站證明了直膨式技術(shù)的高效性。

目前已有的直膨式太陽能熱發(fā)電站都是由渦輪膨脹機(jī)（汽輪機(jī)）驅(qū)動(dòng)的。為了避免膨脹過程中冷凝出現(xiàn)水滴，只有過熱蒸汽才能進(jìn)入汽輪機(jī)。因?yàn)樗我坏┬纬?，?huì)高速地撞擊汽輪機(jī)的葉片，造成損害并降低機(jī)械效率。在DISS電站中，直膨式太陽能蒸汽項(xiàng)目中汽輪機(jī)進(jìn)口的蒸汽溫度為400℃，壓力為10MPa。過熱度大約為90℃。在該項(xiàng)目的后續(xù)工程INDITEP項(xiàng)目中，汽輪機(jī)進(jìn)口蒸汽溫度和壓力分別為400℃和6.5 MPa。過熱度大約為119 ℃。過熱的需要極大地增加了汽輪機(jī)進(jìn)口溫度，但是對(duì)蒸汽朗肯循環(huán)效率的貢獻(xiàn)卻非常有限。另一方面，高的熱源溫度增加了集熱和蓄熱的技術(shù)要求，不利于降低系統(tǒng)成本。

采用螺桿膨脹機(jī)可以解決以上問題。螺桿膨脹機(jī)是一種容積式膨脹機(jī)，它運(yùn)用旋轉(zhuǎn)型容積式的原理，避免了高速的流體。通常，它由一雙螺旋形螺桿和一個(gè)殼套組成。流體從進(jìn)口小體積的凹槽流向大體積的其他凹槽，反向地驅(qū)動(dòng)一對(duì)螺旋形螺桿。在這個(gè)過程中，流體的溫度和壓力下降，功由傳動(dòng)軸輸出。與渦輪膨脹機(jī)相比，螺桿膨脹機(jī)可以處理氣液混合物、飽和蒸汽以及液體。它具有快速啟停，允許熱源壓力和體積流量大范圍波動(dòng)，旋轉(zhuǎn)速度低，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，維護(hù)費(fèi)用低，裝配容易，機(jī)動(dòng)性優(yōu)良等特點(diǎn)。因此，采用螺桿膨脹機(jī)的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)將不需要過熱器，在適中的熱源溫度（如250℃）下仍舊能獲得與常規(guī)太陽能電站相近的效率（約15%）。

蓄熱是太陽能熱發(fā)電站的重要方面。美國SEGS I電站采用礦物油作為傳熱流體，可以蓄熱3小時(shí)。當(dāng)溫度在400℃以下，該技術(shù)可以成功地把產(chǎn)生的電力進(jìn)行分配，以滿足無太陽輻照時(shí)的公共峰值負(fù)荷。但是對(duì)于運(yùn)行在更高集熱場(chǎng)溫度下的更高效的熱發(fā)電站，礦物油會(huì)非常易燃，不能使用。在美國Solar-Two塔式熱發(fā)電工程中，熔融鹽被用為換熱介質(zhì)。由于其蓄熱原理簡(jiǎn)單，所以在槽式熱發(fā)電站中也可以推薦使用。最近世界最大的帶熔鹽蓄熱裝置的太陽能熱發(fā)電站已經(jīng)在美國亞利桑那州并網(wǎng)發(fā)電。但是在熔融鹽作為蓄熱技術(shù)之前，其低導(dǎo)熱系數(shù)和和高熔點(diǎn)（這將引起凝固問題）是兩大必須克服的障礙。發(fā)明專利申請(qǐng)CN201510948417.5提出了基于螺桿膨脹機(jī)的直膨式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，并采用相變材料（PCM）作為蓄熱介質(zhì)。

水作為蓄熱介質(zhì)具有來源廣泛和無環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)。但在傳統(tǒng)基于汽輪機(jī)的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中，熱源溫度一般高于350℃，水蒸氣壓一般高于6.5MPa。如果采用水為介質(zhì)，那么蓄熱容器的設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力很高，對(duì)鋼材的要求也高。與導(dǎo)熱油和熔鹽蓄熱系統(tǒng)相比，壓力容器的造價(jià)更昂貴。同時(shí)，當(dāng)蓄熱水罐處于放熱狀態(tài)時(shí)，隨著工作時(shí)間的增長(zhǎng)，蓄熱罐的水溫會(huì)降低，水蒸氣壓力隨著降低，從而不利于汽輪機(jī)有效工作。最后，蓄熱水罐需要與其它蓄熱或補(bǔ)能系統(tǒng)相配合，以保證汽輪機(jī)入口水蒸氣處于過熱狀態(tài)，這會(huì)帶來很大的控制難題。因此，在傳統(tǒng)基于汽輪機(jī)的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中，一般不采用水為蓄熱介質(zhì)。

值得指出，對(duì)基于螺桿膨脹機(jī)的直膨式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)而言，水是很有應(yīng)用前景的蓄熱介質(zhì)。原因如下：1）螺桿膨脹機(jī)比汽輪機(jī)具有更加優(yōu)良的變工況性能，適合于變工況運(yùn)行。學(xué)者對(duì)螺桿膨脹機(jī)變工況運(yùn)行做了大量研究。Avadhanula等人基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了兩個(gè)螺桿膨脹機(jī)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，運(yùn)行壓比從2.70變化到6.54時(shí)，等熵效率變化并不明顯。Hsu等人實(shí)驗(yàn)研究了基于螺桿膨脹機(jī)的ORC性能。結(jié)果表明螺桿膨脹機(jī)可以在大范圍的進(jìn)口壓力和運(yùn)行壓比內(nèi)運(yùn)行，并保持較高的效率。Ng等指出對(duì)于一個(gè)內(nèi)置比體積比為5的膨脹機(jī)，當(dāng)運(yùn)行壓比升高到內(nèi)置壓比的3倍時(shí)，等熵效率的相比于最大值的降低不到10%。鑒于此，當(dāng)螺桿膨脹機(jī)入口和出口壓力出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，依舊能高效地進(jìn)行熱功轉(zhuǎn)換。2）基于螺桿膨脹機(jī)的直膨式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的工作溫度和工作壓力要明顯低于常規(guī)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。后面的例子將表明，在熱源溫度為250℃時(shí)，系統(tǒng)仍舊能獲得15%左右的發(fā)電效率。水在250℃時(shí)的飽和壓力約為4.0MPa。在該工作溫度和工作壓力下，壓力容器的制造成本將大幅度降低。3）蓄熱水罐出口水蒸氣可直接通往螺桿膨脹機(jī)，不需要任何過熱裝置，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單。

綜上，水是一種十分適合于太陽能螺桿膨脹機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的蓄熱介質(zhì)，但目前蓄熱水罐與螺桿膨脹機(jī)相結(jié)合的直膨式太陽能熱發(fā)電技術(shù)方案尚未見報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決傳統(tǒng)基于渦輪膨脹機(jī)（汽輪機(jī)）的太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的高溫蓄熱和高溫集熱技術(shù)難度大、成本高，以及傳統(tǒng)太陽能熱電聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電和供熱的獨(dú)立性差等問題，本發(fā)明提供一種具有兩級(jí)蓄熱水罐的直膨式太陽能熱電聯(lián)供系統(tǒng)。

具有兩級(jí)蓄熱水罐的直膨式太陽能熱電聯(lián)供系統(tǒng)包括集熱器陣列C1、高溫級(jí)蓄熱水罐S1、低溫級(jí)蓄熱水罐S2、螺桿膨脹機(jī)組E、第一換熱器HE1和第二換熱器HE2；

所述高溫級(jí)蓄熱水罐S1的第一出口通過閥門連接著螺桿膨脹機(jī)組E的入口，高溫級(jí)蓄熱水罐S1的第二出口連接著第二水泵P2的進(jìn)口；

螺桿膨脹機(jī)組E的出口連接著低溫級(jí)蓄熱水罐S2的第一入口；低溫級(jí)蓄熱水罐的出口分別連接著第一水泵P1的進(jìn)口、第三水泵P3的進(jìn)口、第四水泵P4的進(jìn)口和第五水泵P5的進(jìn)口；

第一水泵P1的出口通過串聯(lián)的第一閥門V1和第六閥門V6連接著集熱器陣列的入口；

第二水泵P2的出口通過第二閥門V2連接著第一閥門V1和第六閥門V6之間；

第三水泵P3的出口通過第三閥門V3連接著第一換熱器HE1的一側(cè)入口；

第四水泵P4的出口通過第四閥門V4連接著第二換熱器HE2的一側(cè)入口；

第五水泵P5的出口通過第五閥門V5連接著集熱器陣列C1的入口；

集熱器陣列C1的出口通過三通管分別連接著第八閥門V8的進(jìn)口和第九閥門V9的進(jìn)口；第九閥門的出口、第一換熱器的一側(cè)出口、第二換熱器的一側(cè)出口并聯(lián)連接著低溫級(jí)蓄熱水罐S2的第二入口；第八閥門V8的出口連接著高溫級(jí)蓄熱水罐S1的入口；

所述第八閥門V8的出口和第六閥門V6的進(jìn)口之間串聯(lián)著第七閥門V7，使集熱器陣列和高溫級(jí)蓄熱水罐S1之間形成一調(diào)節(jié)旁路；

所述第一換熱器HE1的另一側(cè)入口和另一側(cè)出口連接著有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)O1；所述第二換熱器HE2的另一側(cè)入口和另一側(cè)出口連接著供熱系統(tǒng)G1；

所述高溫級(jí)蓄熱水罐S1的熱能適合于轉(zhuǎn)換為電能；所述低溫級(jí)蓄熱水罐S2的熱能既可以通過有機(jī)朗肯循環(huán)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為電能，也可以直接給用戶供熱；集熱器陣列C1依據(jù)太陽能輻照的強(qiáng)弱將熱能傳遞給高溫級(jí)蓄熱水罐S1或低溫級(jí)蓄熱水罐S2或用于產(chǎn)生水蒸氣，實(shí)現(xiàn)太陽能的高效利用；

發(fā)電時(shí)，水工質(zhì)直接在集熱器陣列中吸熱膨脹，無需過熱措施，在200～300℃的中溫條件下仍能高效進(jìn)行熱功轉(zhuǎn)換，發(fā)電效率為10～25%。

進(jìn)一步限定的技術(shù)方案如下：

所述集熱器陣列C1、高溫級(jí)蓄熱水罐S1、低溫級(jí)蓄熱水罐S2和螺桿膨脹機(jī)組E構(gòu)成的系統(tǒng)所用的工質(zhì)為水蒸汽。

所述螺桿膨脹機(jī)組由一臺(tái)以上的螺桿膨脹機(jī)并聯(lián)組成。

所述高溫級(jí)蓄熱水罐S1的工作溫度為180℃-300℃。

所述低溫級(jí)蓄熱水罐S2的工作溫度為80℃-180℃。

所述集熱器為槽式拋物面集熱器、復(fù)合拋物面集熱器、線性菲涅爾集熱器、熱管真空管集熱器、平板真空集熱器中的一種。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益技術(shù)效果體現(xiàn)在以下方面：

1）螺桿膨脹機(jī)出口水蒸氣的冷凝余熱具有自身儲(chǔ)存性。

目前已有技術(shù)中，水蒸氣螺桿膨脹機(jī)出口尾氣或直接排放到環(huán)境中，或通過換熱器將冷凝余熱傳給其它媒介。而本發(fā)明中的螺桿膨脹機(jī)尾氣不需要任何傳熱媒介輔助，就能將冷凝余熱釋放并儲(chǔ)存于低溫級(jí)蓄熱水罐S2中，與此同時(shí)保證螺桿膨脹機(jī)處于較穩(wěn)定的工況中。與高溫級(jí)蓄熱水罐S1類似，低溫級(jí)蓄熱水罐S2中具有很大的比熱容，從而使得罐中水溫和水壓在短期內(nèi)(如數(shù)小時(shí))變化很小。低溫級(jí)蓄熱水罐S2與常規(guī)換熱器有著實(shí)質(zhì)性區(qū)別。常規(guī)換熱器的功能僅僅是熱量交換，換熱器得到的水蒸氣冷凝熱量要么直接傳給用熱單元，要么儲(chǔ)存于水蒸氣朗肯循環(huán)外部。低溫級(jí)蓄熱水罐S2的功能則是在水蒸氣朗肯循環(huán)內(nèi)部?jī)?chǔ)存能量，這些能量最終也會(huì)釋放出來，交換給其它媒介，但能量?jī)?chǔ)存和交換是分開的、獨(dú)立的物理過程。

這種技術(shù)方案有利于系統(tǒng)發(fā)電和供熱的獨(dú)立性和靈活性。在傳統(tǒng)技術(shù)方案中，如果需要利用水蒸氣朗肯循環(huán)的冷凝余熱進(jìn)行供熱或驅(qū)動(dòng)底部有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電（如發(fā)明專利申請(qǐng)US20110209474A1和CN201510948417.5），那么螺桿膨脹機(jī)必須同時(shí)工作。然而，在實(shí)際生活中，人們的用電和用熱需求不一定是同步進(jìn)行的。在本發(fā)明中，由于具有兩級(jí)蓄熱水罐，系統(tǒng)可以利用螺桿膨脹機(jī)單獨(dú)發(fā)電，也可以利用低溫級(jí)蓄熱水罐S2單獨(dú)供熱或驅(qū)動(dòng)有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電，或發(fā)電供熱同時(shí)進(jìn)行。供能模式可以依據(jù)用戶需求靈活調(diào)整。

2) 螺桿膨脹機(jī)的裝機(jī)容量與底部有機(jī)朗肯循環(huán)膨脹機(jī)的裝機(jī)容量不存在嚴(yán)格的匹配關(guān)系。發(fā)明專利申請(qǐng)CN201510948417.5提出了水蒸氣朗肯循環(huán)與有機(jī)朗肯循環(huán)相結(jié)合的復(fù)疊式發(fā)電系統(tǒng)。在該申請(qǐng)中，底部有機(jī)朗肯循環(huán)所需的瞬時(shí)熱能來源于頂部水蒸氣朗肯循環(huán)釋放的熱能，即有機(jī)朗肯循環(huán)所需的加熱功率嚴(yán)格等于水蒸氣朗肯循環(huán)的放熱功率。根據(jù)熱力學(xué)轉(zhuǎn)換關(guān)系，一旦水蒸氣朗肯循膨脹機(jī)的設(shè)計(jì)發(fā)電功率給定，那么有機(jī)朗肯循環(huán)膨脹機(jī)的設(shè)計(jì)發(fā)電功率也將隨著確定。而本專利申請(qǐng)的低溫級(jí)蓄熱水罐S2具有蓄熱能力，底部有機(jī)朗肯循環(huán)所需的瞬時(shí)熱能可以不等于水蒸氣朗肯循環(huán)釋放的熱能。后面的實(shí)施例將指出，在給定有機(jī)朗肯循環(huán)膨脹機(jī)裝機(jī)容量時(shí)，水蒸氣朗肯循環(huán)螺桿膨脹機(jī)的裝機(jī)容量可以不同。

3）具有梯級(jí)集熱功能。

集熱器陣列C1與高溫級(jí)蓄熱水罐S1和低溫級(jí)蓄熱水罐S2有機(jī)結(jié)合，可將獲得的太陽熱能直接用于發(fā)電，也可將熱能儲(chǔ)存于高溫級(jí)蓄熱水罐S1中，還能將熱能儲(chǔ)存于低溫級(jí)蓄熱水罐S2中，實(shí)現(xiàn)梯級(jí)集熱。已有的太陽能梯級(jí)集熱技術(shù)方案通常采用不同的集熱裝置（如CN201610317423.5）或同一集熱裝置的不同區(qū)域（如CN03264094.3）加以實(shí)現(xiàn)，集熱場(chǎng)的溫度分布具有很大梯度。而本發(fā)明技術(shù)方案的集熱場(chǎng)可以依據(jù)不同時(shí)段的輻照強(qiáng)度調(diào)整其工作溫度（與高溫級(jí)蓄熱水罐S1連接時(shí)工作在高溫區(qū)，與低溫級(jí)蓄熱水罐S2連接時(shí)工作在低溫區(qū)），與傳統(tǒng)方案有著本質(zhì)差異。

在中國很多地區(qū)，直射輻照強(qiáng)度為300W/m²-500W/m²的日照時(shí)間通常與600W/m²以上的日照時(shí)間相當(dāng)。在低的太陽輻照條件下，若維持集熱器陣列C1在高溫下工作，那么集熱效率會(huì)很低甚至等于0。另一方面，若讓集熱器C1在較低溫度下工作，則有望高效獲得熱能。本發(fā)明低溫級(jí)蓄熱水罐S2的設(shè)計(jì)工作溫度有可能比高溫級(jí)蓄熱水罐S1的設(shè)計(jì)工作溫度低100℃，在低的太陽輻照條件下，可將集熱器陣列C1的熱能通過閥門V5、V9以及泵P5輸送到低溫級(jí)蓄熱水罐S2中，達(dá)到高效利用低強(qiáng)度太陽輻照的目的。

4）兩臺(tái)以上的螺桿膨脹機(jī)可通過并聯(lián)工作方式連接至低溫級(jí)蓄熱水罐S2。

已有技術(shù)方案中，發(fā)明專利申請(qǐng)CN103195481B和CN102022221B提出了多級(jí)螺桿膨脹機(jī)串聯(lián)發(fā)電系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)裝機(jī)容量。專利申請(qǐng)CN201110234738.0提到多聯(lián)螺桿膨脹機(jī)的用并聯(lián)運(yùn)行模式，但未涉及具體的出口連接方式。專利申請(qǐng)CN203476413U提到了多個(gè)并聯(lián)蒸發(fā)器和并聯(lián)冷凝器與螺桿膨脹機(jī)的連接結(jié)構(gòu)，但未采用多臺(tái)螺桿膨脹機(jī)。本發(fā)明的基于低溫級(jí)蓄熱水罐S2的多臺(tái)螺桿膨脹機(jī)并聯(lián)技術(shù)方案在已有專利中尚未見類似報(bào)道。

在目前技術(shù)條件下，市場(chǎng)上的螺桿膨脹機(jī)單機(jī)容量一般不高于3MW。而在已商業(yè)化運(yùn)行的太陽能熱發(fā)電站中，汽輪機(jī)的單機(jī)容量一般高于50MWe。大的裝機(jī)容量有利于縮短電站投資回收期。本發(fā)明采用的低溫級(jí)蓄熱水罐S2為螺桿膨脹機(jī)并聯(lián)工作奠定了基礎(chǔ)：一是保證了螺桿膨脹機(jī)背壓相對(duì)穩(wěn)定，無需使用多個(gè)冷凝換熱器；二是將兩臺(tái)或兩臺(tái)以上螺桿膨脹機(jī)出口蒸汽的冷凝余熱收集起來，可驅(qū)動(dòng)底部有機(jī)朗肯循環(huán)的單機(jī)汽輪機(jī)發(fā)電。假設(shè)采用20臺(tái)3MW的螺桿膨脹機(jī)并聯(lián)工作，那么可能只需要配一臺(tái)約60MW的汽輪機(jī)，系統(tǒng)的單位發(fā)電功率的裝機(jī)成本應(yīng)當(dāng)?shù)陀诓捎?臺(tái)3MW的螺桿膨脹機(jī)與一臺(tái)約3MW的汽輪機(jī)相結(jié)合的情形。原因在于一臺(tái)60MW汽輪機(jī)的成本要低于20臺(tái)3MW汽輪機(jī)的成本。

5）水同時(shí)為集熱器傳熱介質(zhì)、螺桿膨脹機(jī)做功介質(zhì)以及蓄熱介質(zhì)。

以水同時(shí)為集熱器、汽輪機(jī)以及蓄熱器介質(zhì)的技術(shù)方案已見報(bào)道（WO2014014027-A1，WO2012042639-A1），但發(fā)電系統(tǒng)一般需要額外的過熱措施以保證汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。發(fā)明專利申請(qǐng)CN201510948417.5中水同時(shí)為集熱器傳熱、螺桿膨脹機(jī)做功介質(zhì)，但不具備蓄熱功能，系統(tǒng)額外需要采用相變材料蓄熱。水直接在集熱場(chǎng)吸熱、直接通過螺桿膨脹機(jī)熱功轉(zhuǎn)換并依靠自身比熱容蓄熱的技術(shù)方案在已有專利中尚未見報(bào)道。

本發(fā)明不需要中間介質(zhì)（如導(dǎo)熱油）傳遞集熱場(chǎng)熱量，避免二次換熱，同時(shí)水具有成本低廉、易于獲取、比熱容高、不會(huì)造成環(huán)境污染等特點(diǎn)，有利于系統(tǒng)集熱-蓄熱-熱功轉(zhuǎn)換的一體化設(shè)計(jì)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1和實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例3的性能分析圖。

上圖中序號(hào)：C1-集熱器陣列、S1-高溫級(jí)蓄熱水罐、S2-低溫級(jí)蓄熱水罐、E1-螺桿膨脹機(jī)、E2-螺桿膨脹機(jī)、HE1-換熱器、HE2-換熱器、O1-有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)、G1-供熱系統(tǒng)、V1-第一閥門、V2-第二閥門、V3-第三閥門、V4-第四閥門、V5-第五閥門、V6-第六閥門、V7-第七閥門、V8-第八閥門、V9-第九閥門、V10-第十閥門、V11-第十一閥門、P1-第一水泵、P2-第二水泵、P3-第三水泵、P4-第四水泵、P5-第五水泵。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地描述。

參見圖1，具有兩級(jí)蓄熱水罐的直膨式太陽能熱電聯(lián)供系統(tǒng)包括集熱器陣列C1、高溫級(jí)蓄熱水罐S1、低溫級(jí)蓄熱水罐S2、螺桿膨脹機(jī)組E、第一換熱器HE1和第二換熱器HE2；

所述高溫級(jí)蓄熱水罐S1的第一出口通過閥門連接著螺桿膨脹機(jī)組E的入口，高溫級(jí)蓄熱水罐S1的第二出口連接著第二水泵P2的進(jìn)口；

螺桿膨脹機(jī)組E的出口連接著低溫級(jí)蓄熱水罐S2的第一入口；低溫級(jí)蓄熱水罐的出口分別連接著第一水泵P1的進(jìn)口、第三水泵P3的進(jìn)口、第四水泵P4的進(jìn)口和第五水泵P5的進(jìn)口；

第一水泵P1的出口通過串聯(lián)的第一閥門V1和第六閥門V6連接著集熱器陣列的入口；

第二水泵P2的出口通過第二閥門V2連接著第一閥門V1和第六閥門V6之間；

第三水泵P3的出口通過第三閥門V3連接著第一換熱器HE1的一側(cè)入口；

第四水泵P4的出口通過第四閥門V4連接著第二換熱器HE2的一側(cè)入口；

第五水泵P5的出口通過第五閥門V5連接著集熱器陣列C1的入口；

集熱器陣列C1的出口通過三通管分別連接著第八閥門V8的進(jìn)口和第九閥門V9的進(jìn)口；第九閥門的出口、第一換熱器的一側(cè)出口、第二換熱器的一側(cè)出口并聯(lián)連接著低溫級(jí)蓄熱水罐S2的第二入口；第八閥門V8的出口連接著高溫級(jí)蓄熱水罐S1的入口；

所述第八閥門V8的出口和第六閥門V6的進(jìn)口之間串聯(lián)著第七閥門V7，使集熱器陣列和高溫級(jí)蓄熱水罐S1之間形成一調(diào)節(jié)旁路；

所述第一換熱器HE1的另一側(cè)入口和另一側(cè)出口連接著有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)O1；有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)包括ORC膨脹機(jī)、冷凝器、工質(zhì)泵等。所述第二換熱器HE2的另一側(cè)入口和另一側(cè)出口連接著供熱系統(tǒng)G1。

本發(fā)明系統(tǒng)所用的工質(zhì)為水蒸汽。

螺桿膨脹機(jī)組E由兩臺(tái)螺桿膨脹機(jī)并聯(lián)組成。

高溫級(jí)蓄熱水罐S1的工作溫度為180℃-300℃。

低溫級(jí)蓄熱水罐S2的工作溫度為80℃-180℃。

所述集熱器為槽式拋物面集熱器。

本發(fā)明的系統(tǒng)有靈活的運(yùn)行模式，由于種類較多，以下僅僅列出10種可能的模式，具體實(shí)施時(shí)，可根據(jù)用戶的用能要求選擇相應(yīng)的模式：

1）太陽輻照很強(qiáng)，且系統(tǒng)需要全功率發(fā)電，但不需要對(duì)外供熱。在這種模式下，第一閥門V1、第三閥門V3、第六閥門V6、第八閥門V8、第十閥門V10和第十一閥門V11打開，其它閥門關(guān)閉。第一水泵P1和第三水泵P3運(yùn)轉(zhuǎn)，其它水泵關(guān)閉。頂部蒸汽朗肯循環(huán)以及底部與第一換熱器HE1連接的有機(jī)朗肯循環(huán)都運(yùn)行。水在集熱器陣列C1中被加熱蒸發(fā)，經(jīng)過高溫級(jí)蓄熱水罐S1后進(jìn)入蒸汽螺桿膨脹機(jī)組E1/E2，在焓降過程中輸出功。蒸汽螺桿膨脹機(jī)組E1/E2出口水蒸汽在低溫級(jí)蓄熱水罐S2中被冷凝為液體。第一水泵P1將液態(tài)水加壓運(yùn)送到集熱器陣列C1中。與此同時(shí)，第三水泵P3通過第一換熱器HE1將熱量傳遞給有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)，進(jìn)一步進(jìn)行熱功轉(zhuǎn)換。

2）太陽輻照很強(qiáng),且系統(tǒng)需要全功率發(fā)電，以及對(duì)外供熱。在這種模式下，第一閥門V1、第三閥門V3、第四閥門V4、第六閥門V6、第八閥門V8、第十閥門V10和第十一閥門V11打開，其它閥門關(guān)閉。第一水泵P1、第三水泵P3和第四水泵P4運(yùn)轉(zhuǎn)，其它水泵關(guān)閉。系統(tǒng)在全功率發(fā)電的同時(shí)，通過第四水泵和第二換熱器HE2將熱量提供給用戶。

3）太陽輻照很強(qiáng),且系統(tǒng)需要部分負(fù)荷發(fā)電，但不需要對(duì)外供熱。在這種模式下，第一閥門V1、第六閥門V6、第八閥門V8、第十閥門V10和第十一閥門V11打開，其它閥門關(guān)閉。第一水泵P1運(yùn)轉(zhuǎn)，其它水泵關(guān)閉。蒸汽螺桿膨脹機(jī)組E1/E2在發(fā)電的同時(shí)將出口蒸汽冷凝余熱儲(chǔ)存于低溫級(jí)蓄熱水罐S2中。

4）太陽輻照很強(qiáng),且系統(tǒng)需要部分負(fù)荷發(fā)電，以及對(duì)外供熱。在這種模式下，第一閥門V1、第四閥門V4、第六閥門V6、第八閥門V8、第十閥門V10和第十一閥門V11打開，其它閥門關(guān)閉。第一水泵P1和第四水泵P4運(yùn)轉(zhuǎn)，其它水泵關(guān)閉。蒸汽螺桿膨脹機(jī)組E1/E2在發(fā)電的同時(shí)，通過第四水泵P4和第二換熱器HE2將熱量提供給用戶。

5）太陽輻照很強(qiáng),系統(tǒng)不需要發(fā)電，但需要供熱。在這種模式下，第二閥門V2、第四閥門V4、第六閥門V6和第八閥門V8打開，其它閥門關(guān)閉。第二水泵P2和第四水泵P4運(yùn)轉(zhuǎn)，其它水泵關(guān)閉。集熱器陣列C1獲得的熱量?jī)?chǔ)存于高溫級(jí)蓄熱水罐S1中。與此同時(shí)低溫級(jí)蓄熱水罐S2的熱量通過第四水泵P4和第二換熱器HE2提供給用戶。

6）太陽輻照很強(qiáng),系統(tǒng)不需要發(fā)電，且不需要供熱。在這種模式下，第二閥門V2、第六閥門V6和第八閥門V8打開，其它閥門關(guān)閉。第二水泵P2運(yùn)轉(zhuǎn)，其它水泵關(guān)閉。集熱器陣列C1獲得的熱量?jī)?chǔ)存于高溫級(jí)蓄熱水罐S1中。

7）太陽輻照較弱,系統(tǒng)不需要發(fā)電，且不需要供熱。在這種模式下，第五閥門V5、第九閥門V9打開，其它閥門關(guān)閉。第五水泵P5運(yùn)轉(zhuǎn)，其它水泵關(guān)閉。集熱器陣列C1獲得的熱量?jī)?chǔ)存于低溫級(jí)蓄熱水罐S2中。

8）太陽輻照較弱，但系統(tǒng)需要全功率發(fā)電，以及對(duì)外供熱。在這種模式下，第一閥門V1、第三閥門V3、第四閥門V4、第五閥門V5、第七閥門V7、第九閥門V9、第十閥門V10和第十一閥門V11打開，其它閥門關(guān)閉。第一水泵P1、第三水泵P3、第四水泵P4和第五水泵P5運(yùn)轉(zhuǎn)，其它水泵關(guān)閉。高溫級(jí)蓄熱水罐S1釋放熱量維持蒸汽螺桿膨脹機(jī)組E1/E2運(yùn)行。同時(shí)集熱器陣列C1獲得的熱量?jī)?chǔ)存于低溫級(jí)蓄熱水罐S2中。低溫級(jí)蓄熱水罐S2的熱量通過第四水泵P4和第二換熱器HE2提供給用戶，并通過第三水泵P3和第一換熱器HE1將熱量傳遞給有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)。

9）無太陽輻照，但系統(tǒng)需要全功率發(fā)電，以及對(duì)外供熱。在這種模式下，第一閥門V1、第三閥門V3、第四閥門V4、第七閥門V7、第十閥門V10和第十一閥門V11打開，其它閥門關(guān)閉。第一水泵P1、第三水泵P3和第四水泵P4運(yùn)轉(zhuǎn)，其它水泵關(guān)閉。高溫級(jí)蓄熱水罐S1釋放熱量維持蒸汽螺桿膨脹機(jī)組E1/E2運(yùn)行。低溫級(jí)蓄熱水罐S2一方面獲得來自水蒸氣的冷凝余熱，另一方面將熱量傳遞給第一換熱器HE1和第二換熱器HE2。

10）無太陽輻照，系統(tǒng)僅需要對(duì)外供熱。在這種模式下，第四閥門V4打開，其它閥門關(guān)閉。第四水泵P4運(yùn)轉(zhuǎn)，其它水泵關(guān)閉。低溫級(jí)蓄熱水罐S2釋放熱量，通過第二換熱器HE2提供給用戶。

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地描述。

實(shí)施例1

實(shí)施例1在模式1下工作：系統(tǒng)需要全功率發(fā)電，但不需要對(duì)外供熱。

參見圖2，高溫級(jí)蓄熱水罐S1的第一出口通過閥門連接著一臺(tái)螺桿膨脹機(jī)E1的入口（只有單臺(tái)水蒸氣螺桿膨脹機(jī)工作）。

在這種模式1下，第一閥門V1、第三閥門V3、第六閥門V6、第八閥門V8和第十閥門V10打開，其它閥門關(guān)閉。第一水泵P1和第三水泵P3運(yùn)轉(zhuǎn)，其它水泵關(guān)閉。頂部蒸汽朗肯循環(huán)以及底部與第一換熱器HE1連接的有機(jī)朗肯循環(huán)都運(yùn)行。水在集熱器陣列C1中被加熱蒸發(fā)，經(jīng)過高溫級(jí)蓄熱水罐S1后進(jìn)入蒸汽螺桿膨脹機(jī)組E1，在焓降過程中輸出功。蒸汽螺桿膨脹機(jī)組E1出口水蒸汽在低溫級(jí)蓄熱水罐S2中被冷凝為液體。第一水泵P1將液態(tài)水加壓運(yùn)送到集熱器陣列C1中。與此同時(shí)，第三水泵P3通過第一換熱器HE1將熱量傳遞給有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)，進(jìn)一步進(jìn)行熱功轉(zhuǎn)換。

有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的工質(zhì)為有機(jī)物R245fa。表1列出了系統(tǒng)各熱力學(xué)狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)，狀態(tài)點(diǎn)用帶圓圈的紅色數(shù)字標(biāo)注于圖2中。采用槽式拋物面集熱器，輻照強(qiáng)度取800W/m²，在當(dāng)前工況下，集熱效率約為58%。水蒸氣螺桿膨脹機(jī)E1和ORC膨脹機(jī)的等熵效率取0.75，水泵和有機(jī)工質(zhì)泵效率取0.7。根據(jù)熱力學(xué)公式，可以計(jì)算出系統(tǒng)太陽能熱發(fā)電的效率為14.9%。

系統(tǒng)凈發(fā)電量為1000kW。經(jīng)計(jì)算，所需集熱面積為8333m²，其中螺桿膨脹機(jī)E1發(fā)電功率約為596kW，ORC膨脹機(jī)發(fā)電功率約為425kW，水泵P1和工質(zhì)泵功耗約為21kW。蓄熱2小時(shí)，2小時(shí)前后高溫級(jí)蓄熱水罐S1的溫降為20℃（從250℃降至230℃）。高溫級(jí)蓄熱水罐S1的設(shè)計(jì)溫度為250℃，設(shè)計(jì)壓力為4.0MPa。低溫級(jí)蓄熱水罐S2的設(shè)計(jì)溫度為150℃，設(shè)計(jì)壓力為0.47MPa。罐體水平放置，圓柱形，直徑為3.49米。兩端為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。

采用目前最常用的材料Q345R作為壓力容器的材料，焊縫系數(shù)取0.8。根據(jù)《GB 713-2008 鍋爐和壓力容器用鋼板》標(biāo)準(zhǔn)，250℃下，Q345R許用應(yīng)力隨壁厚的取值范圍為：

3-16mm： 167MPa;

>16-36 mm: 157 MPa;

＞36-60 mm: 147 MPa;

＞60-100 mm: 137 MPa;

＞100-150 mm: 133 MPa;

>150-200 mm: 130 MPa

150℃下，Q345R許用應(yīng)力隨壁厚的取值范圍為：

3-16mm： 183MPa;

>16-36 mm: 170 MPa;

＞36-60 mm: 160 MPa;

＞60-100 mm: 150 MPa;

＞100-150 mm: 147 MPa;

>150-200 mm: 143 MPa

根據(jù)壓力容器國家標(biāo)準(zhǔn)（GB 150-1998），高溫級(jí)蓄熱水罐S1的罐體設(shè)計(jì)壁厚約為59.9毫米，罐體總質(zhì)量約為325噸。低溫級(jí)蓄熱水罐S2的罐體設(shè)計(jì)壁厚約為8.5毫米，罐體總質(zhì)量約為58噸。高溫級(jí)蓄熱水罐S1和低溫級(jí)蓄熱水罐S2的總質(zhì)量為383噸。目前Q345R的市場(chǎng)價(jià)格為3000-4200元/噸，取平均值3600元/噸。因此，蓄熱系統(tǒng)Q345R材料的價(jià)格約為1378800元?？紤]容器加工、安裝等因素，單位發(fā)電功率下的蓄熱成本約為3.5元/瓦。該成本不到目前商業(yè)化槽式發(fā)電站（帶蓄熱）單位功率成本的四分之一。

當(dāng)系統(tǒng)凈發(fā)電量為更高時(shí)，高溫級(jí)蓄熱水罐S1可采用多罐并聯(lián)工作方式，低溫級(jí)蓄熱水罐S2也可采用多罐并聯(lián)工作方式。

結(jié)合圖2和表1，高溫級(jí)蓄熱水罐S1的出口處介質(zhì)水為飽和氣態(tài)，溫度為250℃，壓力為3.976 MPa；低溫級(jí)蓄熱水罐S2的進(jìn)口處介質(zhì)水為氣液兩相，溫度為134℃，壓力為0.304 MPa；低溫級(jí)蓄熱水罐S2的出口處介質(zhì)水為飽和液態(tài)，溫度為134℃，壓力為0.304 MPa；第一閥門V1的出口處介質(zhì)水為過冷液體，溫度為134.58℃，壓力為3.976MPa；ORC膨脹機(jī)的進(jìn)口處R245fa為飽和氣態(tài)，溫度為129℃，壓力為2.3MPa；ORC膨脹機(jī)出口為過熱氣體，溫度為56.892℃，壓力為0.178MPa；工質(zhì)泵入口為飽和液體，溫度為30℃，壓力為0.178MPa；工質(zhì)泵出口為過冷液體，溫度為31.073℃，壓力為2.3MPa。

實(shí)施例2

實(shí)施例2在模式2下工作，即系統(tǒng)需要全功率發(fā)電，同時(shí)需要對(duì)外供熱。參見圖2，與實(shí)施例1相比，實(shí)施例2增加了一臺(tái)螺桿膨脹機(jī)E2，發(fā)電功率與螺桿膨脹機(jī)E1相同，為596kW。集熱器陣列面積從8333m²增加到13020 m²。ORC膨脹機(jī)功率不變。供熱系統(tǒng)G1的供熱功率為2000kW。

在這種模式2下，第一閥門V1、第三閥門V3、第四閥門V4、第六閥門V6、第八閥門V8、第十閥門V10和第十一閥門V11打開，其它閥門關(guān)閉。第一水泵P1、第三水泵P3和第四水泵P4運(yùn)轉(zhuǎn)，其它水泵關(guān)閉。系統(tǒng)在全功率發(fā)電的同時(shí)，通過第四水泵和第二換熱器HE2將熱量提供給用戶。

采用槽式拋物面集熱器，輻照強(qiáng)度取800W/m²，在當(dāng)前工況下，集熱效率約為58%，系統(tǒng)凈發(fā)電功率約為1585kW。螺桿膨脹機(jī)E1和螺桿膨脹機(jī)E2出口的水蒸氣冷凝后放出的熱量為5079kW。有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電所用熱源功率為3560kW。在供熱功率為3000kW的條件下，低溫級(jí)蓄熱水罐S2需對(duì)外輸出的凈熱量為：5079-3560-3000 = -1481kW。

則系統(tǒng)運(yùn)行4小時(shí)后，低溫級(jí)蓄熱水罐S2水的溫降約為1481*1000*3600*4/(3.14*1.75*1.75*50*1000*4200)=10.5℃。

由實(shí)施例2可以看出，由于低溫級(jí)蓄熱水罐S2的存在，螺桿膨脹機(jī)組的裝機(jī)容量與ORC膨脹機(jī)的裝機(jī)容量不存在嚴(yán)格的匹配關(guān)系，這與傳統(tǒng)復(fù)疊式循環(huán)系統(tǒng)不同。

實(shí)施例3

實(shí)施例3模式7下工作，即系統(tǒng)不需要發(fā)電，且不需要供熱。

在模式7下，第五閥門V5、第九閥門V9打開，其它閥門關(guān)閉。第五水泵P5運(yùn)轉(zhuǎn)，其它水泵關(guān)閉。集熱器陣列C1獲得的熱量?jī)?chǔ)存于低溫級(jí)蓄熱水罐S2中。

以一種安裝在美國的，集熱面積為2700 m²的槽式拋物面集熱器為例，該集熱器的光學(xué)效率為0.762，第一熱損系數(shù)為0.2521W/(m²K)，第二熱損系數(shù)為0.002672W/(m²K²)。當(dāng)工作溫度分別為250℃（對(duì)應(yīng)高溫級(jí)蓄熱水罐S1）和150℃（低溫級(jí)蓄熱水罐S2）時(shí)，集熱器效率隨輻照強(qiáng)度的變化如圖3所示。

圖3表明，集熱器陣列C1與低溫級(jí)蓄熱水罐S2聯(lián)合工作時(shí)的集熱效率高于集熱器陣列C1與高溫級(jí)蓄熱水罐S1聯(lián)合工作時(shí)的集熱效率。特別是當(dāng)直射輻照強(qiáng)度小于300W/m²時(shí)，集熱器陣列C1與高溫級(jí)蓄熱水罐S1聯(lián)合工作時(shí)的集熱效率幾乎為0，而集熱器陣列C1與低溫級(jí)蓄熱水罐S2聯(lián)合工作時(shí)的集熱效率仍舊可達(dá)40%以上。

由實(shí)施例3可以看出，低輻照條件下，將集熱器陣列C1的能量?jī)?chǔ)存于低溫級(jí)蓄熱水罐S2可顯著提高太陽能的利用效率。

根據(jù)上述說明書的揭示和教導(dǎo)，本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員還可以對(duì)上述實(shí)施方式進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖兏托薷?。因此，本發(fā)明并不局限于上面揭示和描述的具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的一些修改和變更也應(yīng)當(dāng)落入本發(fā)明的權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。此外，盡管本說明書中使用了一些特定的術(shù)語，但這些術(shù)語只是為了方便說明，并不對(duì)本發(fā)明構(gòu)成任何限制。