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　　ORC子系统的初步实验结果显示，R123工质下，导热油温度176.49~188.8℃，冷却水温度6.5℃的工况下，系统热效率范围9.5~11%（图 6(a)）。R245fa工质下，由于导热油温度降低、冷却水温度升高，热效率仅5.6~6.9%，膨胀机输出功56.5kW，等熵效率55.4~70.9%（图 6(b)）。

   

图 6： ORC子系统初步实验结果：(a) R123及膨胀阀下系统实时效率测试; (b) R123及R245fa下不同工况点系统性能

　　相对于现有系统的并联配置，采用中温工质六甲基二硅氧烷（MM）进行串联系统配置优化，MM工质具有环保、安全和无毒特性。长时仿真下，得到如图 7所示的系统配置参数以热效率、规模和初投资为多目标优化的帕累托最优解。最优配置参数设计值下，预期的系统性能比为67.61%，热电比10.3，总系统规模3774.2m2，系统初投资120,000$。具体配置参数如表 2所示。

   

图 7：基于ORC的太阳能多联供系统优化：(a) 帕累托最优解；(b) 蒸发温度对热电比的影响

　　

　　根据示范系统所在地12742m2的建筑负荷，采用当地气象数据通过中时仿真研究了最优系统的能量输出。在以小时为时间步长的仿真模型下，全年冷热电输出分别为1269.4MWh，693MWh，321.7MWh；负荷则为1588.6MWh，722.9MWh，603.1MWh（通过TRNSYS仿真得到负荷结果），供需比分别为79.9%，95.9%，53.3%。但是从月时间尺度，负荷匹配特性变差（图 8(a)），主要原因在于太阳辐射的波动性及负荷需求的随机性。图 9显示了小时时间步长下系统在供冷典型日和供热典型日下的负荷匹配特性。结果显示两个典型日下，由优化系统满足的冷热负荷的覆盖因子可接近1，但是电负荷由于辐射波动以及时空不匹配难以获得满意的负荷匹配特性。本质上，此结果代表系统能量输出的最大潜力。如图 8(b)所示，以小时为时间步长的仿真过程中假设油和工质泵的转速随辐射波动实时调节，从而实现了44.7%的系统热经济效率。此外，集成系统的性能比和ORC热效率分别维持67.61%和9.7%。系统运行策略5月15-9月15为CCP模型，其他时段为CHP模式，与负荷需求相匹配。但是，中时仿真结果不能揭示辐射波动下系统的动态响应特性。

图 8 中时仿真能量输出及系统调节：(a) 供需平衡；(b) 变太阳辐射下质量流量调节

   

图 9 小时时间尺度下载荷特性：(a)供冷季典型日；(b)供热季典型日

　　为仿真实际串联系统在太阳辐射波动下可能出现的连锁反应，通过可得的典型晴朗天气和多云天气下的实时太阳辐射进行了短时仿真，时间步长为秒。假设系统初始状态为设计的额定状态，由表 2可看出动态仿真结果与长时时间尺度下各状态点间误差小于1.5%。但是，系统预期性能误差较大，其中PTC集热效率和系统性能比误差分别为30.7%和29.34%，原因在于PTC动态模型中考虑的误差因素全面，集热面积增大以达到系统各状态点的设计值。

　　图 10显示典型晴天条件下，峰值辐射880W/m2出现在t=19400s，而峰值来油温度243.4℃在延迟4000s后出现，回油温度峰值与来油温度同步达到。油温变化趋势与辐射变化趋势一致（图 10(a)）。蒸发和冷凝温度、以及冷却水出口温度变化趋势与油温一致，最大偏离设计值分别为95.9℃，18℃和12.7℃（图 10(b)）。因此，导致系统发电输出和余热波动，范围分别为31.1~156.0kW，625.4~1651.0kW（图 10(c)）。ORC热效率在辐射816.4~463.1W/m2 (20600s~26600s)区间可稳定在9.6%，认为是系统稳定运行状态区间。但是，安全运行状态区间（即蒸发器出口干度大于1的状态），仅维持在20600s~26600s（图 10(d)）。

　　图 11显示典型多云天条件下，峰值辐射可达958W/m2，峰值导热油与峰值辐射间时延缩至220s，温度215℃，反而低于晴天峰值辐射880W/m2对应的温度（图 11(a)）。太阳能热驱动的多联供系统在无控制情况下，本身具有抵抗辐射波动、加强系统稳定性的热惯性，使供能输出更平滑（图 11(b)）。最大发电功率输出127.5kW，余热量1361.24kW(低于晴天条件最大值)（图 11(c)）。最大ORC热效率9.5%出现在最大辐射值处，但蒸发器出口干度小于1。系统运行不安全（图 11(d)）。

图 10 ：典型晴天条件下系统短时仿真结果

图 11： 典型多云条件下系统短时仿真结果

 

　　基于示范系统中ORC子系统的初步试验结果，本文提出基于MM的串联优化配置。建立全时仿真机制，界定长/中/短时仿真的时间步长分别为年、日和秒。

　　（1）初步测试结果显示，对于200kW级ORC示范系统，在R123工质和膨胀阀的应用下，实现了10%的热效率；并在R245fa和螺杆膨胀机的机组下，实现了热效率5.6~6.9%，膨胀机输出功约56.5kW，等熵效率55.4%~70.9%的性能。

　　（2）以能效提升为目标的长时仿真实现了系统最优运行决策的确定。相应的性能比、系统规模和初投资分别为67.61%，3774.2 m2，和$0.12 百万，热电比10.3。

　　（3）通过中时仿真，评估了系统最大全年冷热电输出为1269.4MWh，693.0MWh和321.7MWh，全年热经济效率44.7%，可满足79.9%，95.9，和53.3%的冷热电负荷。

　　（4）通过短时仿真研究了系统动态特性。在一个峰值辐射880W/m2的典型晴天内，最优输出功和余热在延时后达到156.2kW和1651.0kW，相应的稳定热效率为9.6%，持续时间15800-30800s，但蒸发器出口干度>1的安全区间仅维持在20600~26600s。而对于峰值辐射958W/m2的典型多云天，最大输入功率和余热仅127.5 kW和1361.24 kW。系统性能衰减并偏离安全运行区间。

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