本實用新型屬于太陽能熱發(fā)電技術領域，尤其涉及一種基于螺桿膨脹機的中低溫直膨式太陽能熱電聯(lián)供系統(tǒng)。

背景技術：

直膨式系統(tǒng)（DSG）是未來減少太陽能發(fā)電成本的一個重要途徑。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（如導熱油）。集熱部分循環(huán)泵的耗功也會減少。水蒸氣在兩相區(qū)保持不變的溫度和高傳熱系數(shù)對集熱器運行很有利。由歐盟資助的已經(jīng)運行超過6000小時的直膨式太陽能蒸汽（DISS）項目可以證明直膨式技術的可行性。由阿本戈太陽能公司建造的8兆瓦時示范電站，為了保證工作在8.5 MPa和500℃，其蒸發(fā)器由3個平行的環(huán)路組成，過熱器由2個環(huán)路組成。電站已經(jīng)運行了一年。期間，在瞬態(tài)工況下穩(wěn)定運行的創(chuàng)新性控制策略系統(tǒng)得到了驗證。技術人員評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接頭。世界上第一個商業(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合高效薄玻璃鏡片的復合材料，可以反射95%以上的太陽輻射。經(jīng)過幾年的成功運行，該電站證明了直膨式技術的高效性。

目前已有的直膨式太陽能熱發(fā)電站都是由渦輪膨脹機（汽輪機）驅動的。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入汽輪機。因為水滴一旦形成，會高速地撞擊汽輪機的葉片，造成損害并降低機械效率。在DISS電站中，直膨式太陽能蒸汽項目中汽輪機進口的蒸汽溫度為400℃，壓力為10 MPa。過熱度大約為90℃。在該項目的后續(xù)工程INDITEP項目中，汽輪機進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進口溫度，但是對蒸汽朗肯循環(huán)效率的貢獻卻非常有限。另一方面，高的熱源溫度增加了集熱和蓄熱的技術要求，不利于降低系統(tǒng)成本。

采用螺桿膨脹機可以解決以上問題。螺桿膨脹機是一種容積式膨脹機，它運用旋轉型容積式的原理，避免了高速的流體。通常，它由一雙螺旋形螺桿和一個殼套組成。流體從進口小體積的凹槽流向大體積的其他凹槽，反向地驅動一對螺旋形螺桿。在這個過程中，流體的溫度和壓力下降，功由傳動軸輸出。與渦輪膨脹機相比，螺桿膨脹機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，旋轉速度低，結構更簡單，維護費用低，裝配容易，機動性優(yōu)良等特點。因此，采用螺桿膨脹機的太陽能熱發(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。當溫度在400℃以下，該技術可以成功地把產(chǎn)生的電力進行分配，以滿足無太陽輻照時的公共峰值負荷。但是對于運行在更高集熱場溫度下的更高效的熱發(fā)電站，礦物油會非常易燃，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。由于其蓄熱原理簡單，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之前，其低導熱系數(shù)和和高熔點（這將引起凝固問題）是兩大必須克服的障礙。實用新型專利申請CN201510948417.5提出了基于螺桿膨脹機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。

水作為蓄熱介質具有來源廣泛和無環(huán)境污染等優(yōu)點。但在傳統(tǒng)基于汽輪機的太陽能熱發(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，那么蓄熱容器的設計溫度和設計壓力很高，對鋼材的要求也高。與導熱油和熔鹽蓄熱系統(tǒng)相比，壓力容器的造價更昂貴。同時，當蓄熱水罐處于放熱狀態(tài)時，隨著工作時間的增長，蓄熱罐的水溫會降低，水蒸氣壓力隨著降低，從而不利于汽輪機有效工作。最后，蓄熱水罐需要與其它蓄熱或補能系統(tǒng)相配合，以保證汽輪機入口水蒸氣處于過熱狀態(tài)，這會帶來很大的控制難題。因此，在傳統(tǒng)基于汽輪機的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中，一般不采用水為蓄熱介質。

值得指出，對基于螺桿膨脹機的直膨式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)而言，水是很有應用前景的蓄熱介質。原因如下：1）螺桿膨脹機比汽輪機具有更加優(yōu)良的變工況性能，適合于變工況運行。學者對螺桿膨脹機變工況運行做了大量研究。Avadhanula等人基于實驗數(shù)據(jù)建立了兩個螺桿膨脹機經(jīng)驗模型，運行壓比從2.70變化到6.54時，等熵效率變化并不明顯。Hsu等人實驗研究了基于螺桿膨脹機的ORC性能。結果表明螺桿膨脹機可以在大范圍的進口壓力和運行壓比內運行，并保持較高的效率。Ng等指出對于一個內置比體積比為5的膨脹機，當運行壓比升高到內置壓比的3倍時，等熵效率的相比于最大值的降低不到10%。鑒于此，當螺桿膨脹機入口和出口壓力出現(xiàn)波動時，依舊能高效地進行熱功轉換。2）基于螺桿膨脹機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，系統(tǒng)仍舊能獲得15%左右的發(fā)電效率。水在250℃時的飽和壓力約為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，不需要任何過熱裝置，因此系統(tǒng)結構更簡單。

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

技術實現(xiàn)要素：

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

具有兩級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、高溫級蓄熱水罐S1、低溫級蓄熱水罐S2、螺桿膨脹機組E、第一換熱器HE1和第二換熱器HE2；

所述高溫級蓄熱水罐S1的第一出口通過閥門連接著螺桿膨脹機組E的入口，高溫級蓄熱水罐S1的第二出口連接著第二水泵P2的進口；

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

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的進口和第九閥門V9的進口；第九閥門的出口、第一換熱器的一側出口、第二換熱器的一側出口并聯(lián)連接著低溫級蓄熱水罐S2的第二入口；第八閥門V8的出口連接著高溫級蓄熱水罐S1的入口；

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

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

所述高溫級蓄熱水罐S1的熱能適合于轉換為電能；所述低溫級蓄熱水罐S2的熱能既可以通過有機朗肯循環(huán)進一步轉換為電能，也可以直接給用戶供熱；集熱器陣列C1依據(jù)太陽能輻照的強弱將熱能傳遞給高溫級蓄熱水罐S1或低溫級蓄熱水罐S2或用于產(chǎn)生水蒸氣，實現(xiàn)太陽能的高效利用；

發(fā)電時，水工質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行熱功轉換，發(fā)電效率為10～25%。

進一步限定的技術方案如下：

所述集熱器陣列C1、高溫級蓄熱水罐S1、低溫級蓄熱水罐S2和螺桿膨脹機組E構成的系統(tǒng)所用的工質為水蒸汽。

所述螺桿膨脹機組由一臺以上的螺桿膨脹機并聯(lián)組成。

所述高溫級蓄熱水罐S1的工作溫度為180℃-300℃。

所述低溫級蓄熱水罐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。

本實用新型與現(xiàn)有技術相比的有益技術效果體現(xiàn)在以下方面：

1）螺桿膨脹機出口水蒸氣的冷凝余熱具有自身儲存性。

目前已有技術中，水蒸氣螺桿膨脹機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。而本實用新型中的螺桿膨脹機尾氣不需要任何傳熱媒介輔助，就能將冷凝余熱釋放并儲存于低溫級蓄熱水罐S2中，與此同時保證螺桿膨脹機處于較穩(wěn)定的工況中。與高溫級蓄熱水罐S1類似，低溫級蓄熱水罐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(如數(shù)小時)變化很小。低溫級蓄熱水罐S2與常規(guī)換熱器有著實質性區(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，要么儲存于水蒸氣朗肯循環(huán)外部。低溫級蓄熱水罐S2的功能則是在水蒸氣朗肯循環(huán)內部儲存能量，這些能量最終也會釋放出來，交換給其它媒介，但能量儲存和交換是分開的、獨立的物理過程。

這種技術方案有利于系統(tǒng)發(fā)電和供熱的獨立性和靈活性。在傳統(tǒng)技術方案中，如果需要利用水蒸氣朗肯循環(huán)的冷凝余熱進行供熱或驅動底部有機朗肯循環(huán)發(fā)電（如實用新型專利申請US20110209474A1和CN201510948417.5），那么螺桿膨脹機必須同時工作。然而，在實際生活中，人們的用電和用熱需求不一定是同步進行的。在本實用新型中，由于具有兩級蓄熱水罐，系統(tǒng)可以利用螺桿膨脹機單獨發(fā)電，也可以利用低溫級蓄熱水罐S2單獨供熱或驅動有機朗肯循環(huán)發(fā)電，或發(fā)電供熱同時進行。供能模式可以依據(jù)用戶需求靈活調整。

2) 螺桿膨脹機的裝機容量與底部有機朗肯循環(huán)膨脹機的裝機容量不存在嚴格的匹配關系。實用新型專利申請CN201510948417.5提出了水蒸氣朗肯循環(huán)與有機朗肯循環(huán)相結合的復疊式發(fā)電系統(tǒng)。在該申請中，底部有機朗肯循環(huán)所需的瞬時熱能來源于頂部水蒸氣朗肯循環(huán)釋放的熱能，即有機朗肯循環(huán)所需的加熱功率嚴格等于水蒸氣朗肯循環(huán)的放熱功率。根據(jù)熱力學轉換關系，一旦水蒸氣朗肯循膨脹機的設計發(fā)電功率給定，那么有機朗肯循環(huán)膨脹機的設計發(fā)電功率也將隨著確定。而本專利申請的低溫級蓄熱水罐S2具有蓄熱能力，底部有機朗肯循環(huán)所需的瞬時熱能可以不等于水蒸氣朗肯循環(huán)釋放的熱能。后面的實施例將指出，在給定有機朗肯循環(huán)膨脹機裝機容量時，水蒸氣朗肯循環(huán)螺桿膨脹機的裝機容量可以不同。

3）具有梯級集熱功能。

集熱器陣列C1與高溫級蓄熱水罐S1和低溫級蓄熱水罐S2有機結合，可將獲得的太陽熱能直接用于發(fā)電，也可將熱能儲存于高溫級蓄熱水罐S1中，還能將熱能儲存于低溫級蓄熱水罐S2中，實現(xiàn)梯級集熱。已有的太陽能梯級集熱技術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）加以實現(xiàn)，集熱場的溫度分布具有很大梯度。而本實用新型技術方案的集熱場可以依據(jù)不同時段的輻照強度調整其工作溫度（與高溫級蓄熱水罐S1連接時工作在高溫區(qū)，與低溫級蓄熱水罐S2連接時工作在低溫區(qū)），與傳統(tǒng)方案有著本質差異。

在中國很多地區(qū)，直射輻照強度為300W/m²-500W/m²的日照時間通常與600W/m²以上的日照時間相當。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。本實用新型低溫級蓄熱水罐S2的設計工作溫度有可能比高溫級蓄熱水罐S1的設計工作溫度低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輸送到低溫級蓄熱水罐S2中，達到高效利用低強度太陽輻照的目的。

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

已有技術方案中，實用新型專利申請CN103195481B和CN102022221B提出了多級螺桿膨脹機串聯(lián)發(fā)電系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)裝機容量。專利申請CN201110234738.0提到多聯(lián)螺桿膨脹機的用并聯(lián)運行模式，但未涉及具體的出口連接方式。專利申請CN203476413U提到了多個并聯(lián)蒸發(fā)器和并聯(lián)冷凝器與螺桿膨脹機的連接結構，但未采用多臺螺桿膨脹機。本實用新型的基于低溫級蓄熱水罐S2的多臺螺桿膨脹機并聯(lián)技術方案在已有專利中尚未見類似報道。

在目前技術條件下，市場上的螺桿膨脹機單機容量一般不高于3MW。而在已商業(yè)化運行的太陽能熱發(fā)電站中，汽輪機的單機容量一般高于50MWe。大的裝機容量有利于縮短電站投資回收期。本實用新型采用的低溫級蓄熱水罐S2為螺桿膨脹機并聯(lián)工作奠定了基礎：一是保證了螺桿膨脹機背壓相對穩(wěn)定，無需使用多個冷凝換熱器；二是將兩臺或兩臺以上螺桿膨脹機出口蒸汽的冷凝余熱收集起來，可驅動底部有機朗肯循環(huán)的單機汽輪機發(fā)電。假設采用20臺3MW的螺桿膨脹機并聯(lián)工作，那么可能只需要配一臺約60MW的汽輪機，系統(tǒng)的單位發(fā)電功率的裝機成本應當?shù)陀诓捎?臺3MW的螺桿膨脹機與一臺約3MW的汽輪機相結合的情形。原因在于一臺60MW汽輪機的成本要低于20臺3MW汽輪機的成本。

5）水同時為集熱器傳熱介質、螺桿膨脹機做功介質以及蓄熱介質。

以水同時為集熱器、汽輪機以及蓄熱器介質的技術方案已見報道（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的安全運行。實用新型專利申請CN201510948417.5中水同時為集熱器傳熱、螺桿膨脹機做功介質，但不具備蓄熱功能，系統(tǒng)額外需要采用相變材料蓄熱。水直接在集熱場吸熱、直接通過螺桿膨脹機熱功轉換并依靠自身比熱容蓄熱的技術方案在已有專利中尚未見報道。

本實用新型不需要中間介質（如導熱油）傳遞集熱場熱量，避免二次換熱，同時水具有成本低廉、易于獲取、比熱容高、不會造成環(huán)境污染等特點，有利于系統(tǒng)集熱-蓄熱-熱功轉換的一體化設計。

附圖說明

圖1為本實用新型結構示意圖。

圖2為本實用新型實施例1和實施例2的結構示意圖。

圖3為本實用新型實施例3的性能分析圖。

上圖中序號：C1-集熱器陣列、S1-高溫級蓄熱水罐、S2-低溫級蓄熱水罐、E1-螺桿膨脹機、E2-螺桿膨脹機、HE1-換熱器、HE2-換熱器、O1-有機朗肯循環(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。

具體實施方式

下面結合附圖，通過實施例對本實用新型作進一步地描述。

參見圖1，具有兩級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、高溫級蓄熱水罐S1、低溫級蓄熱水罐S2、螺桿膨脹機組E、第一換熱器HE1和第二換熱器HE2；

所述高溫級蓄熱水罐S1的第一出口通過閥門連接著螺桿膨脹機組E的入口，高溫級蓄熱水罐S1的第二出口連接著第二水泵P2的進口；

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

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的進口和第九閥門V9的進口；第九閥門的出口、第一換熱器的一側出口、第二換熱器的一側出口并聯(lián)連接著低溫級蓄熱水罐S2的第二入口；第八閥門V8的出口連接著高溫級蓄熱水罐S1的入口；

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

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

本實用新型系統(tǒng)所用的工質為水蒸汽。

螺桿膨脹機組E由兩臺螺桿膨脹機并聯(lián)組成。

高溫級蓄熱水罐S1的工作溫度為180℃-300℃。

低溫級蓄熱水罐S2的工作溫度為80℃-180℃。

所述集熱器為槽式拋物面集熱器。

本實用新型的系統(tǒng)有靈活的運行模式，由于種類較多，以下僅僅列出10種可能的模式，具體實施時，可根據(jù)用戶的用能要求選擇相應的模式：

1）太陽輻照很強，且系統(tǒng)需要全功率發(fā)電，但不需要對外供熱。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，其它閥門關閉。第一水泵P1和第三水泵P3運轉，其它水泵關閉。頂部蒸汽朗肯循環(huán)以及底部與第一換熱器HE1連接的有機朗肯循環(huán)都運行。水在集熱器陣列C1中被加熱蒸發(fā)，經(jīng)過高溫級蓄熱水罐S1后進入蒸汽螺桿膨脹機組E1/E2，在焓降過程中輸出功。蒸汽螺桿膨脹機組E1/E2出口水蒸汽在低溫級蓄熱水罐S2中被冷凝為液體。第一水泵P1將液態(tài)水加壓運送到集熱器陣列C1中。與此同時，第三水泵P3通過第一換熱器HE1將熱量傳遞給有機朗肯循環(huán)工質，進一步進行熱功轉換。

2）太陽輻照很強,且系統(tǒng)需要全功率發(fā)電，以及對外供熱。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，其它閥門關閉。第一水泵P1、第三水泵P3和第四水泵P4運轉，其它水泵關閉。系統(tǒng)在全功率發(fā)電的同時，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,且系統(tǒng)需要部分負荷發(fā)電，但不需要對外供熱。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，其它閥門關閉。第一水泵P1運轉，其它水泵關閉。蒸汽螺桿膨脹機組E1/E2在發(fā)電的同時將出口蒸汽冷凝余熱儲存于低溫級蓄熱水罐S2中。

4）太陽輻照很強,且系統(tǒng)需要部分負荷發(fā)電，以及對外供熱。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，其它閥門關閉。第一水泵P1和第四水泵P4運轉，其它水泵關閉。蒸汽螺桿膨脹機組E1/E2在發(fā)電的同時，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,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，其它閥門關閉。第二水泵P2和第四水泵P4運轉，其它水泵關閉。集熱器陣列C1獲得的熱量儲存于高溫級蓄熱水罐S1中。與此同時低溫級蓄熱水罐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,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，其它閥門關閉。第二水泵P2運轉，其它水泵關閉。集熱器陣列C1獲得的熱量儲存于高溫級蓄熱水罐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，其它閥門關閉。第五水泵P5運轉，其它水泵關閉。集熱器陣列C1獲得的熱量儲存于低溫級蓄熱水罐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，其它閥門關閉。第一水泵P1、第三水泵P3、第四水泵P4和第五水泵P5運轉，其它水泵關閉。高溫級蓄熱水罐S1釋放熱量維持蒸汽螺桿膨脹機組E1/E2運行。同時集熱器陣列C1獲得的熱量儲存于低溫級蓄熱水罐S2中。低溫級蓄熱水罐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，其它閥門關閉。第一水泵P1、第三水泵P3和第四水泵P4運轉，其它水泵關閉。高溫級蓄熱水罐S1釋放熱量維持蒸汽螺桿膨脹機組E1/E2運行。低溫級蓄熱水罐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)僅需要對外供熱。在這種模式下，第四閥門V4打開，其它閥門關閉。第四水泵P4運轉，其它水泵關閉。低溫級蓄熱水罐S2釋放熱量，通過第二換熱器HE2提供給用戶。

下面結合實施例對本實用新型作進一步地描述。

實施例1

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

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

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，其它閥門關閉。第一水泵P1和第三水泵P3運轉，其它水泵關閉。頂部蒸汽朗肯循環(huán)以及底部與第一換熱器HE1連接的有機朗肯循環(huán)都運行。水在集熱器陣列C1中被加熱蒸發(fā)，經(jīng)過高溫級蓄熱水罐S1后進入蒸汽螺桿膨脹機組E1，在焓降過程中輸出功。蒸汽螺桿膨脹機組E1出口水蒸汽在低溫級蓄熱水罐S2中被冷凝為液體。第一水泵P1將液態(tài)水加壓運送到集熱器陣列C1中。與此同時，第三水泵P3通過第一換熱器HE1將熱量傳遞給有機朗肯循環(huán)工質，進一步進行熱功轉換。

有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的工質為有機物R245fa。表1列出了系統(tǒng)各熱力學狀態(tài)點參數(shù)，狀態(tài)點用帶圓圈的紅色數(shù)字標注于圖2中。采用槽式拋物面集熱器，輻照強度取800W/m²，在當前工況下，集熱效率約為58%。水蒸氣螺桿膨脹機E1和ORC膨脹機的等熵效率取0.75，水泵和有機工質泵效率取0.7。根據(jù)熱力學公式，可以計算出系統(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)計算，所需集熱面積為8333m²，其中螺桿膨脹機E1發(fā)電功率約為596kW,ORC膨脹機發(fā)電功率約為425kW,水泵P1和工質泵功耗約為21kW。蓄熱2小時，2小時前后高溫級蓄熱水罐S1的溫降為20℃（從250℃降至230℃）。高溫級蓄熱水罐S1的設計溫度為250℃，設計壓力為4.0MPa。低溫級蓄熱水罐S2的設計溫度為150℃，設計壓力為0.47MPa。罐體水平放置，圓柱形，直徑為3.49米。兩端為標準橢圓形封頭。

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》標準，250℃下，Q345R許用應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)壓力容器國家標準（GB 150-1998），高溫級蓄熱水罐S1的罐體設計壁厚約為59.9毫米，罐體總質量約為325噸。低溫級蓄熱水罐S2的罐體設計壁厚約為8.5毫米，罐體總質量約為58噸。高溫級蓄熱水罐S1和低溫級蓄熱水罐S2的總質量為383噸。目前Q345R的市場價格為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。

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

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

實施例2

實施例2在模式2下工作，即系統(tǒng)需要全功率發(fā)電，同時需要對外供熱。參見圖2，與實施例1相比，實施例2增加了一臺螺桿膨脹機E2，發(fā)電功率與螺桿膨脹機E1相同，為596kW。集熱器陣列面積從8333m²增加到13020 m²。ORC膨脹機功率不變。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，其它閥門關閉。第一水泵P1、第三水泵P3和第四水泵P4運轉，其它水泵關閉。系統(tǒng)在全功率發(fā)電的同時，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，輻照強度取800W/m²，在當前工況下，集熱效率約為58%，系統(tǒng)凈發(fā)電功率約為1585kW。螺桿膨脹機E1和螺桿膨脹機E2出口的水蒸氣冷凝后放出的熱量為5079kW。有機朗肯循環(huán)發(fā)電所用熱源功率為3560kW。在供熱功率為3000kW的條件下，低溫級蓄熱水罐S2需對外輸出的凈熱量為：5079-3560-3000 = -1481kW。

則系統(tǒng)運行4小時后，低溫級蓄熱水罐S2水的溫降約為1481*1000*3600*4/(3.14*1.75*1.75*50*1000*4200)=10.5℃。

由實施例2可以看出，由于低溫級蓄熱水罐S2的存在，螺桿膨脹機組的裝機容量與ORC膨脹機的裝機容量不存在嚴格的匹配關系，這與傳統(tǒng)復疊式循環(huán)系統(tǒng)不同。

實施例3

實施例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，其它閥門關閉。第五水泵P5運轉，其它水泵關閉。集熱器陣列C1獲得的熱量儲存于低溫級蓄熱水罐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)。當工作溫度分別為250℃（對應高溫級蓄熱水罐S1）和150℃（低溫級蓄熱水罐S2）時，集熱器效率隨輻照強度的變化如圖3所示。

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

由實施例3可以看出，低輻照條件下，將集熱器陣列C1的能量儲存于低溫級蓄熱水罐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，本實用新型所屬領域的技術人員還可以對上述實施方式進行適當?shù)淖兏托薷摹Ｒ虼?，本實用新型并不局限于上面揭示和描述的具體實施方式，對本實用新型的一些修改和變更也應當落入本實用新型的權利要求的保護范圍內。此外，盡管本說明書中使用了一些特定的術語，但這些術語只是為了方便說明，并不對本實用新型構成任何限制。