关于超临界二氧化碳聚光太阳能热电联产系统离网、非设计工况下调度策略的研究

《Energy Conversion and Management》：Research on off-grid off-design scheduling strategies for a supercritical CO 2 concentrating solar power cogeneration system

本研究提出一种sCO2与CSP结合的联合产电、热及氢系统，通过热力学、经济与环境多目标优化及DBSCAN聚类调度策略，实现设计工况下34.29%的产热效率、13.68美元/GJ的氢生产成本及10.89 mPts/GJ的环境影响，并验证了在变工况下调度策略的有效性。

　　

作者：单传云、王江峰、李航

郑州大学机械与动力工程学院，中国郑州 450001

摘要

聚光太阳能（CSP）是一种清洁能源技术，但由于太阳辐射的不确定性，必须考虑非设计条件以更准确地评估其性能。本文介绍了一种超临界二氧化碳（sCO?）系统，该系统与CSP结合使用，用于同时产生电力、工业热水和氢气。通过热力学、能量经济性和能量环境影响分析来评估设计性能。基于多目标优化方法，开发了一个非设计模型，并提出了一种最优的离网调度策略。该策略结合了旁路调度和库存调度，并通过基于密度的空间聚类算法（DBSCAN）进行了优化。结果表明，提高压力比可以在两种运行模式下分别将能量效率提高11.29%和10.85%，但会对经济成本产生负面影响。优化后的设计实现了34.29%的能量效率、13.68美元·GJ?1的产品成本以及10.89 mPts·GJ?1的环境影响。非设计分析显示，DBSCAN算法能够将非设计运行条件聚类，以匹配旁路和库存调度策略。这种最优调度方法在部分负荷下将能量效率分别提高了3.63%和1.69%，在不利的非设计条件下可提高至19.66%，并确保在变化条件下系统的稳定离网运行。

引言

面对全球脱碳目标和可再生能源的加速部署，聚光太阳能（CSP）已成为一种关键的可调清洁能源技术[1]。根据国际可再生能源机构（IRENA）的预测，到2030年全球CSP装机容量预计将达到196.7吉瓦，并进一步扩展到2050年的872.6吉瓦[2]，这凸显了CSP在能源转型中的重要作用。

与直接将太阳能转化为电能的技术不同，CSP电站具有集成热能储存系统（如熔盐）的独特优势，能够实现灵活且可调的电力输出，包括连续的夜间电力供应[3]。这种能力不仅增强了电网稳定性，还为先进发电循环的集成创造了必要条件。在CSP系统中，定日镜场将太阳辐射聚焦到塔式接收器上，工作流体在此被加热。发电循环的效率高度依赖于这种加热工作流体的温度。因此，随着CSP技术的不断进步，提高热源温度以显著提高电站热效率的重要性日益受到重视。发电循环已逐渐从早期的蒸汽朗肯循环过渡到更适合高热源温度的布雷顿循环。Guccione等人[4]表明，在小型系统中，使用sCO?动力模块替代蒸汽朗肯循环（即使采用基本再热循环）也能使平准化电力成本降低42%。同样，Al-Sulaiman等人[5]和Heller等人[6]的研究显示，运行温度超过550°C的sCO?布雷顿循环比传统蒸汽朗肯循环具有更高的热效率。González-Portillo等人[7]提出了一种适用于700°C太阳能塔（SPT）热源的多级加热sCO?循环，与标准SPT相比，热效率提高了3.1%。

近年来，CSP使用的sCO?循环在关键组件设计[8]、系统架构优化[10]、与热能储存系统的集成[11]以及关键运行参数的精细化[12]方面取得了进展。为了进一步提高CSP电站的能量利用效率，新兴研究将这些努力扩展到光伏/风能输入与海水淡化、绿色氢气生产等输出的混合系统。Yao等人[13]探索了用CSP技术替代传统燃煤电站的潜力，开发了一个全面的混合评估框架，严格评估了在CSP系统中集成互补能源的技术和经济可行性。Chen等人[14]引入了一个甲烷重整子系统，与传统的CSP循环的热储存和释放单元相结合，有效减少了换热器损失和压缩机功耗，使发电效率提高了约4%，同时减少了45%的废热。Yang等人[15]评估了CSP电站满足混合能源系统多样化电力需求的能力，强调了CSP在提供稳定电力输出方面的内在优势。他们的分析表明，当CSP与光伏和风能系统结合使用时，可以为可靠的基荷供应做出贡献。具体而言，采用部分冷却循环配置的CSP电站计算出的平准化电力成本（LCOE）为0.2169美元/千瓦时。Hu等人[16]研究了一种利用不同sCO?布雷顿循环配置的混合风能-光伏-CSP系统，并提出了一种两阶段容量和运行优化方法，以同时最小化LCOE和CO?排放。他们的研究表明，使用中间冷却布雷顿循环作为发电循环可将整体系统效率提高36.36%，同时将LCOE和CO?排放分别降低13.81%和40.36%。Li等人[17]将CSP与热电联产结合，并进一步将电力制氢技术纳入所提出的系统中，使碳排放减少了72.4%，提高了风能的集成能力。Al-Mahmodi等人[18]研究了在CSP系统中嵌入电解器的可行性，并对混合电站进行了优化设计。他们还开发了一个氢气生产的经济模型，证明在设计运行条件下，氢气的平准化成本可以显著降低至1.5美元/千克。表1简要总结了利用CSP技术的典型集成能源系统的相关研究。

文献综述表明，大多数研究主要集中在分析特定设计条件下提出的系统的热力学性能、经济可行性和环境影响。这些研究中的CSP热源温度范围很广，通常在565°C到1200°C之间。然而，由于太阳辐射的显著波动，CSP热源温度具有很大的变异性，基于固定设计点的性能分析不足以准确捕捉实际波动热源条件下的电站运行特性。特别是当系统偏离其设计参数时，电力输出会偏离预期值，这不可避免地增加了电网调节的复杂性和电力波动的风险。因此，在CSP电站的设计中全面考虑非设计条件至关重要。通过脱离主电网，离网调度策略提供了更大的灵活性，以管理由非设计因素引起的电力波动，增强了供应稳定性，减少了对电网支持的依赖，并实现了供需的灵活平衡。这种自主性还有助于优化调度和储存管理，从而提高系统的韧性。相比之下，并网系统必须遵守严格的电网规范和法规，这限制了它们在非设计情景下的适应性。如表2所示，现有的CSP非设计调度研究大多仍处于分析或比较单一调度策略的阶段，对多种策略的深入集成以应对复杂和变化的运行条件的探索有限。解决这一差距对于提高适应性和在多种非设计情景下实现稳定性能至关重要，特别是对于面临显著热源变化和运行不确定性的系统。此外，为了适应广泛的热源温度范围并提高整体系统效率（尤其是当与多种输出结合时），系统设计通常涉及相当大的复杂性。这种结构复杂性本身增加了长期运行稳定性的风险，并不可避免地增加了成本。重要的是，集成度低但复杂性高的系统在开发有效和稳健的非设计运行调度策略方面面临重大挑战，这最终影响了电站的实际可行性和经济竞争力。

本文提出了一种结合CSP的sCO?集成系统，用于同时产生电力、工业热水和氢气。在设计阶段，开发了热力学、能量经济性和能量环境影响模型，以全面评估系统的热效率、产品成本和环境影响。基于非支配排序遗传算法II（NSGA-II）进行了多目标优化，以确定最佳设计运行参数。随后，开发了系统的涡轮机械和换热器的非设计模型，以分析非设计条件下的系统性能。为了确保在不同发电目标下的灵活离网调度，引入了旁路调度和库存调度策略并进行比较分析。通过集成聚类分析方法，制定了针对非设计条件的最优离网调度策略。本研究的结果为sCO?系统的离网调度提供了理论见解和实践指导，提高了其在变化运行环境下的韧性和经济可行性，其目的是作为一种技术探索，以应对特定的运行挑战。

系统描述和假设

所提出的新型基于sCO?的结合加热、发电和氢气的集成系统的示意图如图1所示。该系统主要由两部分组成：sCO?发电循环和热源驱动部分。sCO?发电循环包括两个涡轮机、一个压缩机、两个内部换热器（IHXs）、一个预冷器和一个热水储存罐（HWST）。为了实现离网调度，还配备了四通阀、一个库存储存罐和两个旁路

数学模型

本节建立了系统的设计运行条件模型和非设计运行条件模型，并定义了相应的性能评估指标。设计运行条件模型包括热力学、能量经济性和能量环境影响模型，分别用于表征热力学性能、产品成本和环境影响。非设计运行条件模型包含了旁路调度和库存

设计性能分析

基于之前建立的热力学、能量经济性和能量环境影响模型，对系统设计性能进行了全面分析。边界条件详见表11。在设计性能分析中，识别关键系统变量至关重要。压力比（PR）被确定为sCO?循环中的关键变量，因为它决定了高压侧和低压侧之间的压力差，从而显著影响

结论

本研究提出了一种利用sCO?作为工作流体的新型CSP联产系统。在设计和非设计阶段对该系统进行了全面的性能分析和多目标优化。基于聚类分析，开发了一种创新的离网最优调度策略，以确保在非设计条件下的稳定供需。主要结论如下：

(1)

对于所提出的联产系统，M1更为适用

作者贡献声明

单传云：撰写——原始草案，验证。王江峰：方法论。李航：监督，项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢国家重点研发计划（项目编号：2024YFE0116000）、中原青年博士后创新人才基金（项目编号：33220051）、中国博士后科学基金（项目编号：2023M743215和2024T170821）、郑州大学博士后科学基金（项目编号：22120007）的支持。同时感谢编辑和审稿人对本文的评论和贡献。