《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Dynamic performance and economic viability analysis of distributed solar thermal-power plants: Thermocline storage integration and multi-technology scheme comparison
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分布式太阳能热电系统在南京化学工业园区应用中，通过数值建模（计算流体力学、传递函数模型）和数据挖掘（互信息分析、贝叶斯网络）方法，比较CSP-ORC-热储、CSP-PV-热储和纯PV三种方案。结果显示，CSP-ORC-热储系统热效率达0.714，动态经济损失仅0.117元/kW，加热成本降低80%，温度波动抑制26-130K，验证了多用户场景下动态优化的技术经济可行性。
作者：王洋、甘阳、葛立超、李和平、伊尼戈·奥尔特加-费尔南德斯、丹尼尔·比埃尔萨
中国江苏常州河海大学可再生能源学院，邮编213200
摘要
分布式太阳能热能系统对于低碳工业能源供应至关重要，然而太阳能的间歇性以及技术经济性的不匹配阻碍了其在多需求场景（如南京化工园区）中的应用。解决传统静态分析无法处理的动态挑战（例如，温度波动干扰热解过程）对于实现可靠且经济高效的清洁能源利用至关重要。通过整合温跃层热能储存技术并比较多种技术方案，可以减轻太阳能的间歇性，提高系统稳定性，并确定最具技术和经济可行性的配置。本研究采用了两种核心的动态分析方法：数值建模（用于储热罐的计算流体动力学模型，以及关键组件的传递函数模型）和数据挖掘（互信息分析、贝叶斯网络，测试准确率为0.685），同时对三种技术方案进行了对比评估。温跃层储热罐的熵效率约为0.747，在50–350秒的太阳能中断期间能够将温度波动抑制在26–130 K范围内；聚光太阳能供热系统的热效率为0.714，优于光伏供热系统（0.156），最优方案可使供热系统成本降低80%，动态经济损失限制在0.117元人民币/千瓦。带有温跃层储热功能的分布式太阳能热能发电站在技术和经济上都具有竞争力，特别是对于同时需要热能和电能的工业园区而言，基于聚光太阳能的双供方案尤为合适。
引言
化石燃料的燃烧导致严重的环境问题（温室气体和空气污染物的主要来源）[1]。太阳能作为一种清洁且可再生的能源[2]，是实现低碳转型的关键[3]。分布式太阳能热能发电站是太阳能实际应用的一种潜在解决方案。其核心优势在于能够直接向终端用户提供热能，避免了集中式系统中“热能-电能-热能”转换过程中的能量损失——工业直接利用太阳能为化学反应器供热可减少20–30%的中间能量损耗[4]。这类发电站建在用户附近，还能降低3–8%的传输损耗和基础设施成本[5]。在地中海南部地区，一个采用碟式斯特林聚光器的联产系统实现了97%的建筑热负荷覆盖率和64%的灵活电力分配[6]。然而，它们面临着关键挑战：持续运行需要高稳定性，但太阳能辐射的时变性会导致输出波动。南京的一项研究表明，每日太阳辐射强度的变化幅度可达28 MJ/m2，导致系统热输出波动10–15%[7]。
太阳能技术主要包括光伏（PV）和聚光太阳能（CSP）[8]。光伏具有高模块化、安装简便和维护成本低等优点，已被应用于分布式发电站以满足工业园区的辅助需求[9]。聚光太阳能有三个主要优势：规模经济性[10]、低成本的热能储存（TES）[11]，以及与化石燃料设施的兼容性。与光伏相比，聚光太阳能在与传统热力设施的兼容性方面具有更大潜力——对现有燃气发电厂进行改造并集成太阳能联合循环技术可降低成本30%[12]。分布式发电站还可以结合光伏和聚光太阳能技术[13]，利用各自的优点，例如太阳能烹饪系统已证明可完全实现零污染，显著减少年度碳排放[14]。
当热能和电能需求同时存在时，分布式太阳能热能发电站的效率最高[15]。直接向附近用户提供热能可以最小化传输和转换损失，例如意大利的意大利面工厂中，线性菲涅尔集热器与混凝土储热罐相结合，满足了40%的年度热能需求，并减少了35%的天然气消耗[16]。然而，由于用户需求的间歇性（例如季节性虾类干燥机），单个用户可能会导致20–30%的能量浪费[8]。因此，需要多个用户之间的协调，要求发电站具备应对动态需求的灵活性[17]。
评估太阳能热能系统时需考虑其动态经济性能：阳光中断会导致系统停机并造成损失，但添加储热装置可以缓解这一问题。储热装置的成本远低于停机带来的损失[18]——例如，填充大理石的填充床式储热装置可使太阳能联合发电系统的功率输出提高1.5倍，饮用水产量增加2.73倍，从而使投资回收期缩短至2.31年[19]。对于聚光太阳能发电站而言，储热装置是克服太阳能波动性和间歇性的关键，填充床式储热装置可将容量因子提高至50%以上[20]。温跃层储热装置相比双罐式储热装置具有成本优势（成本低30–40%[21]）。王洋等人建立了填充床式温跃层储热装置的CFD模型，用于分析充放电过程中的温度分布[22]，以优化系统稳定性。
南京化工园区是本研究的实验场所。该园区的年能源消耗量为1925万吨标准煤当量，造成严重的污染（超过4000万吨二氧化碳、二氧化硫和颗粒物），违反了国家规定并增加了成本[23]。园区对清洁能源有大量需求。分布式太阳能热能发电站为园区建筑供电，并为对温度敏感的热解反应提供热能（温度变化50 K会导致效率下降15%[24]），这考验了发电站的稳定性[25]。园区内的不同热能/电能消费者具有时变的需求，因此分布式太阳能联合发电站必须具备高灵活性[26]。系统应在动态运行条件下以最低成本满足能源需求[27]，例如根据实时太阳辐射和负荷预测调整储热装置的充放电速率。
本研究中的分布式太阳能联合发电站是一种混合系统，其优化过程较为复杂，需要考虑多种能源设施及其相互依赖性[29]。目前缺乏系统整合这些组件的研究，尤其是在多用户、时变负荷条件下的动态优化方面[30]。与前面讨论的其他研究相比，Cortés等人研究了结合热能和电能输出的电力系统，证明了混合系统的可行性[31]，但不同太阳能技术方案的优势尚未明确。
总之，分布式太阳能热能发电站有望很快与化石燃料竞争，具有较低的投资门槛和高性能。然而，关于多用户分布式系统的研究尚不充分——大多数研究仅关注单一用户，缺乏多用户负荷协调和动态优化分析。本研究聚焦于基于聚光太阳能的联合发电技术，证明了其经济和效率优势。为了应对太阳辐射的时变性和多用户需求，建立并分析了分布式聚光太阳能发电站的数值模型。该系统包括太阳辐射收集器、抛物槽式集热器、温跃层储热装置、热交换器、有机朗肯循环（ORC）发电机和热解反应器。储热和热解模型基于以往的研究成果[32]。在效率和经济效益方面，聚光太阳能-ORC-温跃层储热组合方案的表现优于光伏-聚光太阳能组合方案。
方法部分
系统架构如图1所示，太阳能热能发电站包括太阳能集热器、储热罐、热交换器、ORC、热解反应器和光伏面板：白天，系统收集太阳能为消费者提供电能和热能，同时为电池和储热罐充电；夜间，储存在电池或储热罐中的能量被释放出来，以确保持续供电。
该太阳能热能发电站采用了三种技术方案
结果与讨论
系统性能评估重点关注核心功能模块和关键运行条件，以验证分布式太阳能热能发电站的稳定性、效率和可靠性。分析内容包括热能储存罐的工作过程、太阳辐射中断的影响、熵利用率、成本情景匹配以及动态损失逻辑链的验证，为系统优化和方案选择提供了全面的基础。
结论
本研究通过数值建模、实验验证和对比分析，对分布式太阳能热能发电站进行了全面的技术和经济分析，重点解决了太阳能的间歇性和高成本问题，并探讨了其在多用户场景（如南京化工园区）中的实际应用潜力。主要结论如下：
本研究对分布式太阳能热能发电站进行了全面的技术和经济分析
作者贡献声明
王洋：数据整理。甘阳：正式分析。葛立超：概念设计。李和平：资金筹措。伊尼戈·奥尔特加-费尔南德斯：调查研究。丹尼尔·比埃尔萨：方法论制定。
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。
致谢
作者感谢中国中央高校基本科研业务费（项目编号：B240201180）提供的财政支持。同时感谢重庆大学的敖霞教授和黄云教授提供的部分实验数据。
