抛物面槽式太阳能电站中的级联热回收技术：一种用于发电、制冷和氢气液化的新型三联产系统框架

《International Journal of Hydrogen Energy》：Cascade heat recovery in parabolic trough solar fields: A novel trigeneration framework for power, cooling, and hydrogen liquefaction

本文提出一种新型太阳能多能产生系统，集成双压有机朗肯循环（DORC）、改进有机闪蒸循环（OFC）、质子交换膜电解器（PEME）及克劳德循环，用于同时生产电力（13.57MW）、冷却（0.28MW）和液氢（12.29kg/h）。通过引入喷射器和zeotropic工质优化系统，降低熵产损失（86.5%来自太阳能部分），经济回收期5.61年，净现值43.62M美元，环境指数59.3Pt/h，系统综合效率达18.2%。

　　

王振霞|李欣|金晨聪

中国河北省邢台市河北职业技术工程职业学院电气工程系，054000

摘要

为应对环境问题和实现可持续能源目标，可再生能源的使用趋势日益增长，这凸显了探索高效可再生能源系统的必要性。本研究提出了一种创新的多联产系统，该系统能够将太阳能转化为电力、冷却能力和液化氢气。该系统结合了双压有机朗肯循环、改进型有机闪蒸单元、喷射器制冷单元以及与克劳德循环相结合的质子交换膜电解器。评估结果显示，太阳能发电占总能损的86.50%，成本率为4.40%，能源环境比为3.20%。该系统可产生13.57兆瓦的电力、0.28兆瓦的冷却负荷和12.29千克/小时的液化氢气产量，能源环境影响比为59.30Pt/小时，能量效率为18.20%。4436万美元的固定资产投资可在5.61年内回收，经济寿命结束时的净现值为4362万美元。

引言

近几十年来，全球能源需求持续增长。根据国际能源署（IEA）的数据，2018年之前的十年间全球能源消耗增长了2.3%[1]，预计到2040年将增长25%[2]。这种增长主要由化石燃料满足[3]。然而，这些燃料的广泛使用导致了大量的二氧化碳（CO₂）排放[4]，1990年至2022年间二氧化碳排放量增加了约160%[5]。因此，环境保护和能源安全问题日益受到关注[6]。可再生能源为解决这些挑战提供了有希望的方案[7]，既能提供可持续的能源储备，又能减少二氧化碳排放[8]。太阳能因其广泛的可用性、环保性和低运营成本而在可再生能源中脱颖而出[9]。无需支付燃料费用进一步促进了其作为首选可再生能源的应用[10]。太阳能适用于小型和大型系统，这增加了其吸引力[11]。有多种技术可用于利用太阳能，包括塔式系统[12]、碟式太阳能集热系统[13]和抛物面槽式太阳能集热器（PTSCs）[14]。太阳能系统有两种运行模式：直接模式，即集中阳光直接加热工作流体；间接模式，即具有独特传热特性的流体首先吸收能量，然后再传递给工作流体[15]。然而，仍存在依赖天气条件和太阳辐射波动等挑战[16]。为缓解这些问题，通常会集成热能存储（TES）单元[17]。预测表明，到2030年太阳能可能贡献全球电力的6%，到2050年可能达到12%[18]。

太阳能常被用于能源系统中发电。Al-Sulaiman和Atif[19]研究了五种布雷顿循环布局以利用太阳能发电。研究表明，对工作流体进行再压缩可以提高热效率。Chacartegui等人[20]使用有机朗肯循环（ORC）回收了太阳能驱动的布雷顿循环中的废热，这种级联显著提高了热效率和能量效率。

能源系统的主要目标是减少能源消耗以生产单一或多个产品。基于太阳能的系统有潜力生产多种产品以实现更高的性能[21]。Moshaverati等人[22]设计了一种多联产系统，该系统结合了ORC、质子交换膜电解器（PEME）、反渗透和吸收式制冷单元，用于冷却、海水淡化、发电和制氢，成本为205.50美元/小时，能量效率为30%。Dong等人[23]利用ORC与蒸汽朗肯循环级联、PEME和反渗透将太阳能转化为电力、氢气和淡水，生产成本为142美元/小时。在多联产系统中，主要贡献在于整合不同系统以获得所需产品。相关评估结果见表1。

关于表1，能源领域的研究旨在设计高效的系统以利用储能装置的能量并生产所需产品。文献调查强调了多联产系统中太阳能的应用，证实了其能源可持续性。本研究的目标是生产电力、冷却能力和液化氢气。为此，采用PTSC作为储能装置，为有机闪蒸循环（OFC）和PEME提供热源。此外，还集成双压ORC（DORC）和ERC将OFC的废热转化为电力和冷却能力。同时，克劳德循环与PEME的氢气液化输出相结合。该研究考虑了高效利用能源的方式，子系统经过多项改进以提高性能，并通过级联防止热量浪费并将其转化为有用产品。表1中列出了主要的 research gaps，包括经济性、环境性和优化方法。经济分析中缺失了系统经济可行性的评估，而主要关注点在于系统的成本率和产品单位成本。尽管可再生能源利用可实现零排放，但所用组件的制造过程仍会对环境产生影响。此外，尽管进行了多次评估，但对最佳运行模式的评估较少。本研究解决了这些不足之处。因此，本研究的新颖性和贡献可总结如下：

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高效能源利用

• I.
  所提出的OFC包含两个阶段以提高发电效率和性能。每个阶段都增加了喷射器，显著增强了循环的发电效率。
• II.
  所提出的DORC-ERC结合了ORC和ERC的优点，同时生成电力和冷却负荷。
• III.
  DORC单元的工作流体为共沸混合物，以减少热交换器内的温差和相关的能量损失。

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填补研究空白

• I.
  经济分析通过投资回收期和净现值来评估系统的经济可行性。
• II.
  通过能源环境评估来估计该结构的环境影响，包括对产品影响的评估和报告。
• III.
  通过三种情景确定最佳运行状态。

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  所提出系统的描述见第2节。
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  仿真过程见第3节。
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  分析结果见第4节。
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  研究结论见第5节。

系统概述

系统描述

系统结构示意图见图1(a)。系统包括太阳能单元、改进型双级OFC（MDOFC）、DORC-ERC以及集成的PEME和克劳德循环。

仿真过程

仿真过程基于第一定律框架，考虑了质量、能量和能量的角度。随后进行了基于能量角度的经济和环境评估。热力学方法的仿真基于以下假设：

• 1.
  系统处于稳态运行[26]。
• 2.
  所有组件均绝热运行[41]。
• 3.
  忽略连接器中的压力损失[42]。
• 4.
  等熵效率

讨论与报告

系统评估结果包括基准模式评估、参数研究和最佳状态评估。

结论

环境和能源供应问题促使人们更加重视可再生能源的使用。本研究提出了一种创新的多联产结构，用于利用太阳能发电、提供冷却能力和生产液化氢气。该多联产系统包括改进型有机闪蒸循环，其中喷射器替代了膨胀阀；结合了双压有机朗肯循环和喷射器制冷循环以及共沸工作流体；还集成了质子交换膜电解器。

CRediT作者贡献声明

王振霞：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、资金筹集、概念构思。李欣：撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、数据整理、概念构思。金晨聪：撰写 – 原稿撰写、软件开发、资源调配、方法论研究、数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。