太阳能驱动的分布式多联供示范系统的建立及其仿真机制是智能电网技术推广和实施的关键。天津大学赵力教授课题组对集成供冷和供热系统的200kW级有机朗肯循环（ORC）发电系统进行了初步测试。结果显示所研发系统在R123工质及采用膨胀阀的情况下，可维持10%的热发电效率。并以实际应用中的最优系统为目标，提出了一种包括长时、中时和短时仿真的多时间尺度仿真机制，所对应的时间步长分别为年、小时和秒。通过六甲基二硅氧烷工质下模型指导的最优串联系统对此机制进行了说明。在长时仿真下，获得了高性能比（67.61%）、低成本（$0.12）以及占地面积小（3774.2 m2）的最优系统。在中时仿真下，确定了相应的系统额定运行参数，并得到了可接受的供需匹配特性，系统投资回收期为7.41年。此外，在典型晴朗和多云天气下进行了系统动态特性的分析，并比较了其运行状态。短时仿真显示，在晴朗天气下，系统可在15000s内维持稳定热效率9.6%，但实际安全运行状态仅持续6000s。尽管多云天气下的峰值辐射高于晴朗天气，但是系统性能由于辐射波动而大幅衰减。
1. 研究意义
随着智能电网概念的提出，生态工业园区[3]以及智能建筑[4]日益增多。对于此类建筑，负荷侧具有冷、热、电甚至淡水等多样化能源产品需求，因此，多联供系统受到广泛关注。其中，分布式太阳能多联供系统不仅可获得较高的能源利用率、实现灵活的多产品供应，同时清洁环保[5, 6]。因此，适宜在中国中东部地区推广，凭借其结构紧凑、占地面积小的优势应用于负荷端温度需求低的低㶲建筑中。其中，基于有机朗肯循环（ORC）的太阳能多联供系统通过采用低沸点有机工质，可有效地实现低品位热功转换[11]。
当前此类系统主要关注于新型耦合循环的理论分析。在技术研发方面，关键部件和核心子系统的实验，尤其有关太阳能集热器和ORC子系统的测试已有研究。天津大学赵力课题组实验研究了碟式太阳能集热器半球形腔体接收器的热损[18]，并进行了低温ORC系统在太阳能集热器或无太阳能集热器下的实验测试，旨在提升ORC效率并降低各热力过程的不可逆损失。包括考虑工质物性的工质泵测试[19]，往复式膨胀机验证[20]以及内部换热器[21]的集成。针对整个CCHP系统的实验研究很少，尤其集成太阳能的系统，因为其较高的成本，复杂的系统集成以及较长的测试周期。Qiu等人研发并评估了一个位于诺丁汉大学的1kW生物质燃料驱动的基于ORC的CCHP系统，ORC效率和CHP效率分别为3.78%和78.69%[24]。Chaiyat和Kiatsiriroat测试了一个25kW的以R245fa为工质并集成了20kW溴化锂吸收式单元的系统，ORC效率提升至约7%[25]。此外，中试系统目前尚未见报道，阻碍了市场应用，以及如中国等地太阳能热利用技术标杆电价的出台。
同时，随着智能电网的发展拓展了此类系统的技术边界，计算机模拟及系统级别的仿真成为工程研究领域一项低成本的重要技术。一方面，相对于具体的实验平台，其可支持不同场景模拟，指导示范系统的优化和运行决策。另一方面，基于太阳辐射波动下的动态特性分析有助于系统运行和控制策略研发。此外，有可能建立大数据，为可能的网络计算提供以人为本的价值和能源服务，同时提高系统效率和可靠性。
但是，当前的系统模拟还存在巨大挑战。不同的时间尺度下的编程被用于进行部件或系统模型构建，相关模拟工作如图1所示。显然，现有仿真研究提出了多种不同时间尺度，对于不同时间步长下的数学模型的目的缺乏清晰的界定。此外，大多数研究集中于单一时间尺度。因此，针对基于ORC的太阳能多联供的系统级别的综合仿真研究亟待开展。
图 1：不同时间尺度下仿真目标
赵力课题组对集成供冷和供热系统的200kW级有机朗肯循环（ORC）发电系统进行了初步测试。测试项目是基于国家863项目支撑的200kW级发电容量的聚焦太阳能分布式多联供示范系统。此项目旨在探究高效太阳能综合利用率以及灵活的基于模型指导的系统管理。此集成系统根据实际可行性，由抛物槽式集热器（PTC）、ORC、单效吸收式制冷机（ACH）以及换热器供热系统组成。本文针对此系统开展了系统优化及多时间尺度仿真研究。主要贡献在于（1）进行了ORC子系统初步测试；（2）研发了系统级别仿真的多时间尺度仿真机制；（3）界定了各时间尺度合适的时间步长，以及仿真目标，从而为以实时供需平衡及效率提升为目标、基于模型的系统管理的研发奠定基础。
