有机工质由于低沸点的特性,在中低温条件下可以获得较高的蒸汽压力,推动膨胀机做功。相比于水蒸气朗肯循环,有机朗肯循环(organic Rankine cycle, ORC)可以在低环温下很好地运行；由于凝固点低,冬季可以防冻；低功率下涡轮设计更加简单；用干工质能避免水蒸气循环中由高过热度引起的平均吸热温度和循环效率降低的问题。而太阳辐照具有分散性强、能流密度低、易于转化为中低温热源的本质,将其与ORC结合起来有很好的应用前景,但同时太阳能ORC面临着发电效率较低,不可逆损失大等挑战。单级ORC系统由于结构相对简单目前被广泛地应用,但是单级系统只适用于冷热源温差较小的情形。在大冷热源温差下采用单级系统会导致透平多级膨胀,结构设计十分复杂,而容积式膨胀机一般内置比体积比较小,也不适用于大冷热源温差的单级ORC系统中。采用复叠朗肯循环系统可以解决以上的弊端,用在大冷热源温差下可以提高热功转换效率且使透平的设计更加简单,因此有广阔的应用前景,但目前复叠朗肯循环系统的研究还很少。本文围绕复叠朗肯循环系统在不同情形下的应用进行了研究,具体内容和创新点如下：1)提出将复叠朗肯循环用于太阳能与液化天然气(liquefied natural gas, LNG)相结合的发电系统,集热器收集到的热能驱动顶部循环Ⅰ中工质的蒸发,循环Ⅰ释放的热量驱动底部循环Ⅱ中工质的蒸发,LNG是循环Ⅱ的冷源。提出了等效效率对系统进行优化,它表示由于增加太阳能集热器而产生的额外发电量和接收到的太阳辐照之比。阐明了等效效率与已有的热效率、冷能效率和(?)效率相比的优势。研究了工质对系统性能的影响,集热装置为平板和真空管集热器。分析表明只有等效效率才能体现太阳能与LNG结合的效能。当采用异戊烷/R125和真空管集热器时最大等效效率为5.99%。相比于单级LNG-ORC系统,复叠系统中膨胀机的压比小很多,因此涡轮的设计和制造更加简单。2)提出将复叠朗肯循环用于抛物面槽式集热器(parabolic trough collector, PTC)的热发电系统,顶部和底部分别为蒸汽朗肯循环和ORC。顶部循环采用对气液混合物具有良好适应性的螺杆膨胀机(screw expander, SE)。蒸汽直接在PTC中蒸发并在SE中膨胀,蒸汽冷凝释放的热量用来驱动ORC。该系统具有如下优势：避免了过热蒸汽、适宜的运行温度和压力、集热和蓄热的技术要求很低,非常适合于分布式热发电。采用10种工质对系统性能进行了计算,热源和冷源温度分别为473/313 K,473/293 K,523/313 K和523/293 K。结果表明对应于理论最大热发电效率的ORC蒸发温度与SE内置压比不匹配。为了使系统发电效率达到最大,且使底部ORC透平设计更加简单,SE将不可避免地在变工况下运行,系统的热效率为13.68-15.62%。3)基于已有实验数据提出了一个SE变工况模型,可以近似地反映实际等熵效率随运行压比的变化。并用该模型对基于蒸汽螺杆膨胀机的直膨式复叠朗肯循环系统进行优化,结果表明当采用内置比体积比为5的SE,在直射辐射为800W/m2时最大热发电效率为13.74-15.45%。当SE内置比体积比为3.5时发电效率为13.12-15.11%。分析了热源温度和直射辐射对发电效率的影响。由于SE良好的变工况性能,低内置比体积比对发电效率的负面影响并不明显。4)提出了一个等效热源温度(TEHST)的新指标,它来源于理想热力学过程,但可以反映实际ORC效率。对17种工质的研究表明在给定的运行工况下更高的TFHST对应的ORC效率更高。它比已有的临界温度、沸点、雅各布斯数和品质因数等指标更有普适性。进一步建立了基于误差传递和补偿法的ORC模型,定量地反映了ORC效率与TEHST的关系。该模型由液汽曲线上的热力学参数组成,与过热状态工质的性质无关,因此更方便。与传统模型计算的效率相对偏差为-0.7%到3.4%。基于相平衡数据对一种新工质HFO 1336mzzZ用新模型进行了热力学性能分析。结果表明在高蒸发温度和低泵效率下HF01336mzzZ比R245fa的性能更好。5)搭建了ORC、热管真空管集热器等太阳能复叠朗肯循环发电系统关键单元,并开展了实验研究。测试了不同冷热源温度下系统的动态性能,拟合了集热器效率曲线,分析了涡旋膨胀机效率、净发电量、ORC效率等参数的变化。集热器的垂直入射光学效率和第一热损系数分别为0.686和2.w·m-2.℃-1。在导热油温度为140℃,冷凝温度为20℃时系统净发电量为710W,基于净发电量的ORC效率为4.3%,太阳能整体发电效率最大为1.9%。