CN106762487B

CN106762487B - 具有两级蓄热水罐的直膨式太阳能热电联供系统

Info

Publication number: CN106762487B
Application number: CN201611107905.4A
Authority: CN
Inventors: 李晶; 裴刚; 高广涛; 王其梁; 季杰
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2016-12-06
Filing date: 2016-12-06
Publication date: 2023-03-14
Anticipated expiration: 2036-12-06
Also published as: CN106762487A

Abstract

本发明涉及具有两级蓄热水罐的直膨式太阳能热电联供系统。包括集热器阵列、高温级蓄热水罐、低温级蓄热水罐、螺杆膨胀机组、第一换热器和第二换热器。高温级蓄热水罐的热能适合于热功转换；低温级蓄热水罐的热能既可以通过有机朗肯循环进一步转换为电能，也可以直接给用户供热；集热器阵列依据太阳能辐照的强弱将热能传递给高温级蓄热水罐或低温级蓄热水罐或用于产生水蒸气。发电时，水工质直接在集热器阵列中吸热膨胀，无需过热措施，在200～300℃的中温条件下仍能高效进行热功转换，发电效率为10～25%。本发明提高了系统发电的稳定性以及设备的全年利用率，提高了系统发电和供热的独立性和灵活性，系统控制简单，充分高效地利用了太阳能资源。

Description

具有两级蓄热水罐的直膨式太阳能热电联供系统

技术领域

本发明属于太阳能热发电技术领域，尤其涉及一种基于螺杆膨胀机的中低温直膨式太阳能热电联供系统。

背景技术

直膨式系统（DSG）是未来减少太阳能发电成本的一个重要途径。在直膨式系统中，水蒸气在集热器阵列中直接膨胀，因此避免了二次换热流体（如导热油）。集热部分循环泵的耗功也会减少。水蒸气在两相区保持不变的温度和高传热系数对集热器运行很有利。由欧盟资助的已经运行超过6000小时的直膨式太阳能蒸汽（DISS）项目可以证明直膨式技术的可行性。由阿本戈太阳能公司建造的8兆瓦时示范电站，为了保证工作在8.5 MPa和500℃，其蒸发器由3个平行的环路组成，过热器由2个环路组成。电站已经运行了一年。期间，在瞬态工况下稳定运行的创新性控制策略系统得到了验证。技术人员评估了集热器之间不同配置的相互链接，包括球形接头和灵活的旋转接头。世界上第一个商业化的直膨式槽式热电站自从2011年就开始发电。位于泰国北碧府的5 MWe太阳能热发电站的槽式集热器采用新一代结合高效薄玻璃镜片的复合材料，可以反射95%以上的太阳辐射。经过几年的成功运行，该电站证明了直膨式技术的高效性。

目前已有的直膨式太阳能热发电站都是由涡轮膨胀机（汽轮机）驱动的。为了避免膨胀过程中冷凝出现水滴，只有过热蒸汽才能进入汽轮机。因为水滴一旦形成，会高速地撞击汽轮机的叶片，造成损害并降低机械效率。在DISS电站中，直膨式太阳能蒸汽项目中汽轮机进口的蒸汽温度为400℃，压力为10MPa。过热度大约为90℃。在该项目的后续工程INDITEP项目中，汽轮机进口蒸汽温度和压力分别为400℃和6.5 MPa。过热度大约为119℃。过热的需要极大地增加了汽轮机进口温度，但是对蒸汽朗肯循环效率的贡献却非常有限。另一方面，高的热源温度增加了集热和蓄热的技术要求，不利于降低系统成本。

采用螺杆膨胀机可以解决以上问题。螺杆膨胀机是一种容积式膨胀机，它运用旋转型容积式的原理，避免了高速的流体。通常，它由一双螺旋形螺杆和一个壳套组成。流体从进口小体积的凹槽流向大体积的其他凹槽，反向地驱动一对螺旋形螺杆。在这个过程中，流体的温度和压力下降，功由传动轴输出。与涡轮膨胀机相比，螺杆膨胀机可以处理气液混合物、饱和蒸汽以及液体。它具有快速启停，允许热源压力和体积流量大范围波动，旋转速度低，结构更简单，维护费用低，装配容易，机动性优良等特点。因此，采用螺杆膨胀机的太阳能热发电系统将不需要过热器，在适中的热源温度（如250℃）下仍旧能获得与常规太阳能电站相近的效率（约15%）。

蓄热是太阳能热发电站的重要方面。美国SEGS I电站采用矿物油作为传热流体，可以蓄热3小时。当温度在400℃以下，该技术可以成功地把产生的电力进行分配，以满足无太阳辐照时的公共峰值负荷。但是对于运行在更高集热场温度下的更高效的热发电站，矿物油会非常易燃，不能使用。在美国Solar-Two塔式热发电工程中，熔融盐被用为换热介质。由于其蓄热原理简单，所以在槽式热发电站中也可以推荐使用。最近世界最大的带熔盐蓄热装置的太阳能热发电站已经在美国亚利桑那州并网发电。但是在熔融盐作为蓄热技术之前，其低导热系数和和高熔点（这将引起凝固问题）是两大必须克服的障碍。发明专利申请CN201510948417.5提出了基于螺杆膨胀机的直膨式太阳能热发电系统，并采用相变材料（PCM）作为蓄热介质。

水作为蓄热介质具有来源广泛和无环境污染等优点。但在传统基于汽轮机的太阳能热发电系统中，热源温度一般高于350℃，水蒸气压一般高于6.5MPa。如果采用水为介质，那么蓄热容器的设计温度和设计压力很高，对钢材的要求也高。与导热油和熔盐蓄热系统相比，压力容器的造价更昂贵。同时，当蓄热水罐处于放热状态时，随着工作时间的增长，蓄热罐的水温会降低，水蒸气压力随着降低，从而不利于汽轮机有效工作。最后，蓄热水罐需要与其它蓄热或补能系统相配合，以保证汽轮机入口水蒸气处于过热状态，这会带来很大的控制难题。因此，在传统基于汽轮机的太阳能热发电系统中，一般不采用水为蓄热介质。

值得指出，对基于螺杆膨胀机的直膨式太阳能热发电系统而言，水是很有应用前景的蓄热介质。原因如下：1）螺杆膨胀机比汽轮机具有更加优良的变工况性能，适合于变工况运行。学者对螺杆膨胀机变工况运行做了大量研究。Avadhanula等人基于实验数据建立了两个螺杆膨胀机经验模型，运行压比从2.70变化到6.54时，等熵效率变化并不明显。Hsu等人实验研究了基于螺杆膨胀机的ORC性能。结果表明螺杆膨胀机可以在大范围的进口压力和运行压比内运行，并保持较高的效率。Ng等指出对于一个内置比体积比为5的膨胀机，当运行压比升高到内置压比的3倍时，等熵效率的相比于最大值的降低不到10%。鉴于此，当螺杆膨胀机入口和出口压力出现波动时，依旧能高效地进行热功转换。2）基于螺杆膨胀机的直膨式太阳能热发电系统的工作温度和工作压力要明显低于常规太阳能热发电系统。后面的例子将表明，在热源温度为250℃时，系统仍旧能获得15%左右的发电效率。水在250℃时的饱和压力约为4.0MPa。在该工作温度和工作压力下，压力容器的制造成本将大幅度降低。3）蓄热水罐出口水蒸气可直接通往螺杆膨胀机，不需要任何过热装置，因此系统结构更简单。

综上，水是一种十分适合于太阳能螺杆膨胀机发电系统的蓄热介质，但目前蓄热水罐与螺杆膨胀机相结合的直膨式太阳能热发电技术方案尚未见报道。

发明内容

为了解决传统基于涡轮膨胀机（汽轮机）的太阳能光热发电系统的高温蓄热和高温集热技术难度大、成本高，以及传统太阳能热电联供系统发电和供热的独立性差等问题，本发明提供一种具有两级蓄热水罐的直膨式太阳能热电联供系统。

具有两级蓄热水罐的直膨式太阳能热电联供系统包括集热器阵列C1、高温级蓄热水罐S1、低温级蓄热水罐S2、螺杆膨胀机组E、第一换热器HE1和第二换热器HE2；

所述高温级蓄热水罐S1的第一出口通过阀门连接着螺杆膨胀机组E的入口，高温级蓄热水罐S1的第二出口连接着第二水泵P2的进口；

螺杆膨胀机组E的出口连接着低温级蓄热水罐S2的第一入口；低温级蓄热水罐的出口分别连接着第一水泵P1的进口、第三水泵P3的进口、第四水泵P4的进口和第五水泵P5的进口；

第一水泵P1的出口通过串联的第一阀门V1和第六阀门V6连接着集热器阵列的入口；

第二水泵P2的出口通过第二阀门V2连接着第一阀门V1和第六阀门V6之间；

第三水泵P3的出口通过第三阀门V3连接着第一换热器HE1的一侧入口；

第四水泵P4的出口通过第四阀门V4连接着第二换热器HE2的一侧入口；

第五水泵P5的出口通过第五阀门V5连接着集热器阵列C1的入口；

集热器阵列C1的出口通过三通管分别连接着第八阀门V8的进口和第九阀门V9的进口；第九阀门的出口、第一换热器的一侧出口、第二换热器的一侧出口并联连接着低温级蓄热水罐S2的第二入口；第八阀门V8的出口连接着高温级蓄热水罐S1的入口；

所述第八阀门V8的出口和第六阀门V6的进口之间串联着第七阀门V7，使集热器阵列和高温级蓄热水罐S1之间形成一调节旁路；

所述第一换热器HE1的另一侧入口和另一侧出口连接着有机朗肯循环系统O1；所述第二换热器HE2的另一侧入口和另一侧出口连接着供热系统G1；

所述高温级蓄热水罐S1的热能适合于转换为电能；所述低温级蓄热水罐S2的热能既可以通过有机朗肯循环进一步转换为电能，也可以直接给用户供热；集热器阵列C1依据太阳能辐照的强弱将热能传递给高温级蓄热水罐S1或低温级蓄热水罐S2或用于产生水蒸气，实现太阳能的高效利用；

发电时，水工质直接在集热器阵列中吸热膨胀，无需过热措施，在200～300℃的中温条件下仍能高效进行热功转换，发电效率为10～25%。

进一步限定的技术方案如下：

所述集热器阵列C1、高温级蓄热水罐S1、低温级蓄热水罐S2和螺杆膨胀机组E构成的系统所用的工质为水蒸汽。

所述螺杆膨胀机组由一台以上的螺杆膨胀机并联组成。

所述高温级蓄热水罐S1的工作温度为180℃-300℃。

所述低温级蓄热水罐S2的工作温度为80℃-180℃。

所述集热器为槽式抛物面集热器、复合抛物面集热器、线性菲涅尔集热器、热管真空管集热器、平板真空集热器中的一种。

本发明与现有技术相比的有益技术效果体现在以下方面：

1）螺杆膨胀机出口水蒸气的冷凝余热具有自身储存性。

目前已有技术中，水蒸气螺杆膨胀机出口尾气或直接排放到环境中，或通过换热器将冷凝余热传给其它媒介。而本发明中的螺杆膨胀机尾气不需要任何传热媒介辅助，就能将冷凝余热释放并储存于低温级蓄热水罐S2中，与此同时保证螺杆膨胀机处于较稳定的工况中。与高温级蓄热水罐S1类似，低温级蓄热水罐S2中具有很大的比热容，从而使得罐中水温和水压在短期内(如数小时)变化很小。低温级蓄热水罐S2与常规换热器有着实质性区别。常规换热器的功能仅仅是热量交换，换热器得到的水蒸气冷凝热量要么直接传给用热单元，要么储存于水蒸气朗肯循环外部。低温级蓄热水罐S2的功能则是在水蒸气朗肯循环内部储存能量，这些能量最终也会释放出来，交换给其它媒介，但能量储存和交换是分开的、独立的物理过程。

这种技术方案有利于系统发电和供热的独立性和灵活性。在传统技术方案中，如果需要利用水蒸气朗肯循环的冷凝余热进行供热或驱动底部有机朗肯循环发电（如发明专利申请US20110209474A1和CN201510948417.5），那么螺杆膨胀机必须同时工作。然而，在实际生活中，人们的用电和用热需求不一定是同步进行的。在本发明中，由于具有两级蓄热水罐，系统可以利用螺杆膨胀机单独发电，也可以利用低温级蓄热水罐S2单独供热或驱动有机朗肯循环发电，或发电供热同时进行。供能模式可以依据用户需求灵活调整。

2) 螺杆膨胀机的装机容量与底部有机朗肯循环膨胀机的装机容量不存在严格的匹配关系。发明专利申请CN201510948417.5提出了水蒸气朗肯循环与有机朗肯循环相结合的复叠式发电系统。在该申请中，底部有机朗肯循环所需的瞬时热能来源于顶部水蒸气朗肯循环释放的热能，即有机朗肯循环所需的加热功率严格等于水蒸气朗肯循环的放热功率。根据热力学转换关系，一旦水蒸气朗肯循膨胀机的设计发电功率给定，那么有机朗肯循环膨胀机的设计发电功率也将随着确定。而本专利申请的低温级蓄热水罐S2具有蓄热能力，底部有机朗肯循环所需的瞬时热能可以不等于水蒸气朗肯循环释放的热能。后面的实施例将指出，在给定有机朗肯循环膨胀机装机容量时，水蒸气朗肯循环螺杆膨胀机的装机容量可以不同。

3）具有梯级集热功能。

集热器阵列C1与高温级蓄热水罐S1和低温级蓄热水罐S2有机结合，可将获得的太阳热能直接用于发电，也可将热能储存于高温级蓄热水罐S1中，还能将热能储存于低温级蓄热水罐S2中，实现梯级集热。已有的太阳能梯级集热技术方案通常采用不同的集热装置（如CN201610317423.5）或同一集热装置的不同区域（如CN03264094.3）加以实现，集热场的温度分布具有很大梯度。而本发明技术方案的集热场可以依据不同时段的辐照强度调整其工作温度（与高温级蓄热水罐S1连接时工作在高温区，与低温级蓄热水罐S2连接时工作在低温区），与传统方案有着本质差异。

在中国很多地区，直射辐照强度为300W/m²-500W/m²的日照时间通常与600W/m²以上的日照时间相当。在低的太阳辐照条件下，若维持集热器阵列C1在高温下工作，那么集热效率会很低甚至等于0。另一方面，若让集热器C1在较低温度下工作，则有望高效获得热能。本发明低温级蓄热水罐S2的设计工作温度有可能比高温级蓄热水罐S1的设计工作温度低100℃，在低的太阳辐照条件下，可将集热器阵列C1的热能通过阀门V5、V9以及泵P5输送到低温级蓄热水罐S2中，达到高效利用低强度太阳辐照的目的。

4）两台以上的螺杆膨胀机可通过并联工作方式连接至低温级蓄热水罐S2。

已有技术方案中，发明专利申请CN103195481B和CN102022221B提出了多级螺杆膨胀机串联发电系统，提高了系统装机容量。专利申请CN201110234738.0提到多联螺杆膨胀机的用并联运行模式，但未涉及具体的出口连接方式。专利申请CN203476413U提到了多个并联蒸发器和并联冷凝器与螺杆膨胀机的连接结构，但未采用多台螺杆膨胀机。本发明的基于低温级蓄热水罐S2的多台螺杆膨胀机并联技术方案在已有专利中尚未见类似报道。

在目前技术条件下，市场上的螺杆膨胀机单机容量一般不高于3MW。而在已商业化运行的太阳能热发电站中，汽轮机的单机容量一般高于50MWe。大的装机容量有利于缩短电站投资回收期。本发明采用的低温级蓄热水罐S2为螺杆膨胀机并联工作奠定了基础：一是保证了螺杆膨胀机背压相对稳定，无需使用多个冷凝换热器；二是将两台或两台以上螺杆膨胀机出口蒸汽的冷凝余热收集起来，可驱动底部有机朗肯循环的单机汽轮机发电。假设采用20台3MW的螺杆膨胀机并联工作，那么可能只需要配一台约60MW的汽轮机，系统的单位发电功率的装机成本应当低于采用1台3MW的螺杆膨胀机与一台约3MW的汽轮机相结合的情形。原因在于一台60MW汽轮机的成本要低于20台3MW汽轮机的成本。

5）水同时为集热器传热介质、螺杆膨胀机做功介质以及蓄热介质。

以水同时为集热器、汽轮机以及蓄热器介质的技术方案已见报道（WO2014014027-A1，WO2012042639-A1），但发电系统一般需要额外的过热措施以保证汽轮机的安全运行。发明专利申请CN201510948417.5中水同时为集热器传热、螺杆膨胀机做功介质，但不具备蓄热功能，系统额外需要采用相变材料蓄热。水直接在集热场吸热、直接通过螺杆膨胀机热功转换并依靠自身比热容蓄热的技术方案在已有专利中尚未见报道。

本发明不需要中间介质（如导热油）传递集热场热量，避免二次换热，同时水具有成本低廉、易于获取、比热容高、不会造成环境污染等特点，有利于系统集热-蓄热-热功转换的一体化设计。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明实施例1和实施例2的结构示意图。

图3为本发明实施例3的性能分析图。

上图中序号：C1-集热器阵列、S1-高温级蓄热水罐、S2-低温级蓄热水罐、E1-螺杆膨胀机、E2-螺杆膨胀机、HE1-换热器、HE2-换热器、O1-有机朗肯循环系统、G1-供热系统、V1-第一阀门、V2-第二阀门、V3-第三阀门、V4-第四阀门、V5-第五阀门、V6-第六阀门、V7-第七阀门、V8-第八阀门、V9-第九阀门、V10-第十阀门、V11-第十一阀门、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。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

参见图1，具有两级蓄热水罐的直膨式太阳能热电联供系统包括集热器阵列C1、高温级蓄热水罐S1、低温级蓄热水罐S2、螺杆膨胀机组E、第一换热器HE1和第二换热器HE2；

所述第一换热器HE1的另一侧入口和另一侧出口连接着有机朗肯循环系统O1；有机朗肯循环系统包括ORC膨胀机、冷凝器、工质泵等。所述第二换热器HE2的另一侧入口和另一侧出口连接着供热系统G1。

本发明系统所用的工质为水蒸汽。

螺杆膨胀机组E由两台螺杆膨胀机并联组成。

高温级蓄热水罐S1的工作温度为180℃-300℃。

低温级蓄热水罐S2的工作温度为80℃-180℃。

所述集热器为槽式抛物面集热器。

本发明的系统有灵活的运行模式，由于种类较多，以下仅仅列出10种可能的模式，具体实施时，可根据用户的用能要求选择相应的模式：

1）太阳辐照很强，且系统需要全功率发电，但不需要对外供热。在这种模式下，第一阀门V1、第三阀门V3、第六阀门V6、第八阀门V8、第十阀门V10和第十一阀门V11打开，其它阀门关闭。第一水泵P1和第三水泵P3运转，其它水泵关闭。顶部蒸汽朗肯循环以及底部与第一换热器HE1连接的有机朗肯循环都运行。水在集热器阵列C1中被加热蒸发，经过高温级蓄热水罐S1后进入蒸汽螺杆膨胀机组E1/E2，在焓降过程中输出功。蒸汽螺杆膨胀机组E1/E2出口水蒸汽在低温级蓄热水罐S2中被冷凝为液体。第一水泵P1将液态水加压运送到集热器阵列C1中。与此同时，第三水泵P3通过第一换热器HE1将热量传递给有机朗肯循环工质，进一步进行热功转换。

2）太阳辐照很强,且系统需要全功率发电，以及对外供热。在这种模式下，第一阀门V1、第三阀门V3、第四阀门V4、第六阀门V6、第八阀门V8、第十阀门V10和第十一阀门V11打开，其它阀门关闭。第一水泵P1、第三水泵P3和第四水泵P4运转，其它水泵关闭。系统在全功率发电的同时，通过第四水泵和第二换热器HE2将热量提供给用户。

3）太阳辐照很强,且系统需要部分负荷发电，但不需要对外供热。在这种模式下，第一阀门V1、第六阀门V6、第八阀门V8、第十阀门V10和第十一阀门V11打开，其它阀门关闭。第一水泵P1运转，其它水泵关闭。蒸汽螺杆膨胀机组E1/E2在发电的同时将出口蒸汽冷凝余热储存于低温级蓄热水罐S2中。

4）太阳辐照很强,且系统需要部分负荷发电，以及对外供热。在这种模式下，第一阀门V1、第四阀门V4、第六阀门V6、第八阀门V8、第十阀门V10和第十一阀门V11打开，其它阀门关闭。第一水泵P1和第四水泵P4运转，其它水泵关闭。蒸汽螺杆膨胀机组E1/E2在发电的同时，通过第四水泵P4和第二换热器HE2将热量提供给用户。

5）太阳辐照很强,系统不需要发电，但需要供热。在这种模式下，第二阀门V2、第四阀门V4、第六阀门V6和第八阀门V8打开，其它阀门关闭。第二水泵P2和第四水泵P4运转，其它水泵关闭。集热器阵列C1获得的热量储存于高温级蓄热水罐S1中。与此同时低温级蓄热水罐S2的热量通过第四水泵P4和第二换热器HE2提供给用户。

6）太阳辐照很强,系统不需要发电，且不需要供热。在这种模式下，第二阀门V2、第六阀门V6和第八阀门V8打开，其它阀门关闭。第二水泵P2运转，其它水泵关闭。集热器阵列C1获得的热量储存于高温级蓄热水罐S1中。

7）太阳辐照较弱,系统不需要发电，且不需要供热。在这种模式下，第五阀门V5、第九阀门V9打开，其它阀门关闭。第五水泵P5运转，其它水泵关闭。集热器阵列C1获得的热量储存于低温级蓄热水罐S2中。

8）太阳辐照较弱，但系统需要全功率发电，以及对外供热。在这种模式下，第一阀门V1、第三阀门V3、第四阀门V4、第五阀门V5、第七阀门V7、第九阀门V9、第十阀门V10和第十一阀门V11打开，其它阀门关闭。第一水泵P1、第三水泵P3、第四水泵P4和第五水泵P5运转，其它水泵关闭。高温级蓄热水罐S1释放热量维持蒸汽螺杆膨胀机组E1/E2运行。同时集热器阵列C1获得的热量储存于低温级蓄热水罐S2中。低温级蓄热水罐S2的热量通过第四水泵P4和第二换热器HE2提供给用户，并通过第三水泵P3和第一换热器HE1将热量传递给有机朗肯循环系统。

9）无太阳辐照，但系统需要全功率发电，以及对外供热。在这种模式下，第一阀门V1、第三阀门V3、第四阀门V4、第七阀门V7、第十阀门V10和第十一阀门V11打开，其它阀门关闭。第一水泵P1、第三水泵P3和第四水泵P4运转，其它水泵关闭。高温级蓄热水罐S1释放热量维持蒸汽螺杆膨胀机组E1/E2运行。低温级蓄热水罐S2一方面获得来自水蒸气的冷凝余热，另一方面将热量传递给第一换热器HE1和第二换热器HE2。

10）无太阳辐照，系统仅需要对外供热。在这种模式下，第四阀门V4打开，其它阀门关闭。第四水泵P4运转，其它水泵关闭。低温级蓄热水罐S2释放热量，通过第二换热器HE2提供给用户。

下面结合实施例对本发明作进一步地描述。

实施例1

实施例1在模式1下工作：系统需要全功率发电，但不需要对外供热。

参见图2，高温级蓄热水罐S1的第一出口通过阀门连接着一台螺杆膨胀机E1的入口（只有单台水蒸气螺杆膨胀机工作）。

在这种模式1下，第一阀门V1、第三阀门V3、第六阀门V6、第八阀门V8和第十阀门V10打开，其它阀门关闭。第一水泵P1和第三水泵P3运转，其它水泵关闭。顶部蒸汽朗肯循环以及底部与第一换热器HE1连接的有机朗肯循环都运行。水在集热器阵列C1中被加热蒸发，经过高温级蓄热水罐S1后进入蒸汽螺杆膨胀机组E1，在焓降过程中输出功。蒸汽螺杆膨胀机组E1出口水蒸汽在低温级蓄热水罐S2中被冷凝为液体。第一水泵P1将液态水加压运送到集热器阵列C1中。与此同时，第三水泵P3通过第一换热器HE1将热量传递给有机朗肯循环工质，进一步进行热功转换。

有机朗肯循环系统的工质为有机物R245fa。表1列出了系统各热力学状态点参数，状态点用带圆圈的红色数字标注于图2中。采用槽式抛物面集热器，辐照强度取800W/m²，在当前工况下，集热效率约为58%。水蒸气螺杆膨胀机E1和ORC膨胀机的等熵效率取0.75，水泵和有机工质泵效率取0.7。根据热力学公式，可以计算出系统太阳能热发电的效率为14.9%。

系统净发电量为1000kW。经计算，所需集热面积为8333m²，其中螺杆膨胀机E1发电功率约为596kW，ORC膨胀机发电功率约为425kW，水泵P1和工质泵功耗约为21kW。蓄热2小时，2小时前后高温级蓄热水罐S1的温降为20℃（从250℃降至230℃）。高温级蓄热水罐S1的设计温度为250℃，设计压力为4.0MPa。低温级蓄热水罐S2的设计温度为150℃，设计压力为0.47MPa。罐体水平放置，圆柱形，直径为3.49米。两端为标准椭圆形封头。

采用目前最常用的材料Q345R作为压力容器的材料，焊缝系数取0.8。根据《GB713-2008 锅炉和压力容器用钢板》标准，250℃下，Q345R许用应力随壁厚的取值范围为：

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许用应力随壁厚的取值范围为：

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

根据压力容器国家标准（GB 150-1998），高温级蓄热水罐S1的罐体设计壁厚约为59.9毫米，罐体总质量约为325吨。低温级蓄热水罐S2的罐体设计壁厚约为8.5毫米，罐体总质量约为58吨。高温级蓄热水罐S1和低温级蓄热水罐S2的总质量为383吨。目前Q345R的市场价格为3000-4200元/吨，取平均值3600元/吨。因此，蓄热系统Q345R材料的价格约为1378800元。考虑容器加工、安装等因素，单位发电功率下的蓄热成本约为3.5元/瓦。该成本不到目前商业化槽式发电站（带蓄热）单位功率成本的四分之一。

当系统净发电量为更高时，高温级蓄热水罐S1可采用多罐并联工作方式，低温级蓄热水罐S2也可采用多罐并联工作方式。

结合图2和表1，高温级蓄热水罐S1的出口处介质水为饱和气态，温度为250℃，压力为3.976 MPa；低温级蓄热水罐S2的进口处介质水为气液两相，温度为134℃，压力为0.304 MPa；低温级蓄热水罐S2的出口处介质水为饱和液态，温度为134℃，压力为0.304MPa；第一阀门V1的出口处介质水为过冷液体，温度为134.58℃，压力为3.976MPa；ORC膨胀机的进口处R245fa为饱和气态，温度为129℃，压力为2.3MPa；ORC膨胀机出口为过热气体，温度为56.892℃，压力为0.178MPa；工质泵入口为饱和液体，温度为30℃，压力为0.178MPa；工质泵出口为过冷液体，温度为31.073℃，压力为2.3MPa。

实施例2

实施例2在模式2下工作，即系统需要全功率发电，同时需要对外供热。参见图2，与实施例1相比，实施例2增加了一台螺杆膨胀机E2，发电功率与螺杆膨胀机E1相同，为596kW。集热器阵列面积从8333m²增加到13020 m²。ORC膨胀机功率不变。供热系统G1的供热功率为2000kW。

在这种模式2下，第一阀门V1、第三阀门V3、第四阀门V4、第六阀门V6、第八阀门V8、第十阀门V10和第十一阀门V11打开，其它阀门关闭。第一水泵P1、第三水泵P3和第四水泵P4运转，其它水泵关闭。系统在全功率发电的同时，通过第四水泵和第二换热器HE2将热量提供给用户。

采用槽式抛物面集热器，辐照强度取800W/m²，在当前工况下，集热效率约为58%，系统净发电功率约为1585kW。螺杆膨胀机E1和螺杆膨胀机E2出口的水蒸气冷凝后放出的热量为5079kW。有机朗肯循环发电所用热源功率为3560kW。在供热功率为3000kW的条件下，低温级蓄热水罐S2需对外输出的净热量为：5079-3560-3000 = -1481kW。

则系统运行4小时后，低温级蓄热水罐S2水的温降约为1481*1000*3600*4/(3.14*1.75*1.75*50*1000*4200)=10.5℃。

由实施例2可以看出，由于低温级蓄热水罐S2的存在，螺杆膨胀机组的装机容量与ORC膨胀机的装机容量不存在严格的匹配关系，这与传统复叠式循环系统不同。

实施例3

实施例3模式7下工作，即系统不需要发电，且不需要供热。

在模式7下，第五阀门V5、第九阀门V9打开，其它阀门关闭。第五水泵P5运转，其它水泵关闭。集热器阵列C1获得的热量储存于低温级蓄热水罐S2中。

以一种安装在美国的，集热面积为2700 m²的槽式抛物面集热器为例，该集热器的光学效率为0.762，第一热损系数为0.2521W/(m²K)，第二热损系数为0.002672W/(m²K²)。当工作温度分别为250℃（对应高温级蓄热水罐S1）和150℃（低温级蓄热水罐S2）时，集热器效率随辐照强度的变化如图3所示。

图3表明，集热器阵列C1与低温级蓄热水罐S2联合工作时的集热效率高于集热器阵列C1与高温级蓄热水罐S1联合工作时的集热效率。特别是当直射辐照强度小于300W/m²时，集热器阵列C1与高温级蓄热水罐S1联合工作时的集热效率几乎为0，而集热器阵列C1与低温级蓄热水罐S2联合工作时的集热效率仍旧可达40%以上。

由实施例3可以看出，低辐照条件下，将集热器阵列C1的能量储存于低温级蓄热水罐S2可显著提高太阳能的利用效率。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims

1.具有两级蓄热水罐的直膨式太阳能热电联供系统，其特征在于：包括集热器阵列（C1）、高温级蓄热水罐（S1）、低温级蓄热水罐（S2）、螺杆膨胀机组（E）、第一换热器（HE1）和第二换热器（HE2）；

所述高温级蓄热水罐（S1）的工作温度为180℃-300℃；

所述螺杆膨胀机组由一台以上的螺杆膨胀机并联组成；

所述高温级蓄热水罐（S1）的第一出口通过阀门连接着螺杆膨胀机组（E）的入口，高温级蓄热水罐（S1）的第二出口连接着第二水泵（P2）的进口；

螺杆膨胀机组（E）的出口连接着低温级蓄热水罐（S2）的第一入口；低温级蓄热水罐的出口分别连接着第一水泵（P1）的进口、第三水泵（P3）的进口、第四水泵（P4）的进口和第五水泵（P5）的进口；

第一水泵（P1）的出口通过串联的第一阀门（V1）和第六阀门（V6）连接着集热器阵列的入口；

第二水泵（P2）的出口通过第二阀门（V2）连接着第一阀门（V1）和第六阀门（V6）之间；

第三水泵（P3）的出口通过第三阀门（V3）连接着第一换热器（HE1）的一侧入口；

第四水泵（P4）的出口通过第四阀门（V4）连接着第二换热器（HE2）的一侧入口；

第五水泵（P5）的出口通过第五阀门（V5）连接着集热器阵列（C1）的入口；

集热器阵列（C1）的出口通过三通管分别连接着第八阀门（V8）的进口和第九阀门（V9）的进口；第九阀门的出口、第一换热器的一侧出口、第二换热器的一侧出口并联连接着低温级蓄热水罐（S2）的第二入口；第八阀门（V8）的出口连接着高温级蓄热水罐（S1）的入口；

所述第八阀门（V8）的出口和第六阀门（V6）的进口之间串联着第七阀门（V7），使集热器阵列和高温级蓄热水罐（S1）之间形成一调节旁路；

所述第一换热器（HE1）的另一侧入口和另一侧出口连接着有机朗肯循环系统（O1）；所述第二换热器（HE2）的另一侧入口和另一侧出口连接着供热系统（G1）；

所述高温级蓄热水罐（S1）的热能适合于转换为电能；所述低温级蓄热水罐（S2）的热能既可以通过有机朗肯循环进一步转换为电能，也可以直接给用户供热；集热器阵列（C1）依据太阳能辐照的强弱将热能传递给高温级蓄热水罐S1或低温级蓄热水罐S2或用于产生水蒸气，实现太阳能的高效利用；

发电时，水工质可以直接在集热器阵列中吸热膨胀，无需过热措施，在200～300℃的中温条件下仍能高效进行热功转换，发电效率为10～25%。

2.根据权利要求1所述的具有两级蓄热水罐的直膨式太阳能热电联供系统，其特征在于，所述集热器阵列、高温级蓄热水罐（S1）、低温级蓄热水罐（S2）和螺杆膨胀机组构成的系统所用的工质为水蒸汽。

3.根据权利要求1所述的具有两级蓄热水罐的直膨式太阳能热电联供系统，其特征在于，所述低温级蓄热水罐（S2）的工作温度为80℃-180℃。

4.根据权利要求1所述的具有两级蓄热水罐的直膨式太阳能热电联供系统，其特征在于，所述集热器为槽式抛物面集热器、复合抛物面集热器、线性菲涅尔集热器、热管真空管集热器、平板真空集热器中的一种。