通过整合光伏驱动的煤炭预干燥技术，实现了一种改进的太阳能-煤炭混合发电系统

《Energy》：An enhanced solar–coal hybrid power generation system by integrating photovoltaic–powered coal pre–drying

提出光伏驱动蒸汽压缩机整合的增强型太阳能-燃煤混合发电系统，解决传统系统高成本低效问题，提升发电量25.50MW，热效率1.76%，成本降至0.083CNY/kWh，仅为传统5.9%。

　　

余涵|薛燕|凌旭蒙|孙颖颖|吴俊杰

南京工业大学能源与动力工程学院，中国南京211167

摘要

为了解决传统太阳能-煤混合发电（SCHPG）成本高、效率低的问题，本文提出了一种改进型SCHPG方案，该方案结合了光伏驱动的煤预干燥（PPCP）技术。该方法使用经济实惠的光伏模块替代了槽式太阳能集热器，少量光伏电力用于驱动蒸汽压缩机，将废蒸汽转化为可用的干燥蒸汽，从而显著提高热能利用率。在标准660 MW的发电厂中，这种创新方案使电力输出增加了25.50 MW_e，热效率提高了1.76%。这些改进效果是传统SCHPG的14.5倍。新型SCHPG的太阳能发电成本仅为0.083 CNY/kWh，仅为传统方案的5.9%。通过利用这种独特的太阳能转换机制，实现了干燥煤的储存，以缓解太阳能的波动。新型SCHPG展示了一种新的太阳能转换模式：首先通过太阳能驱动的废蒸汽回收技术放大能量，再利用煤预干燥技术将其转化为燃料的热值。这些优异的热性能和经济效益表明，PPCP技术为解决传统SCHPG的核心问题提供了重要途径。

引言

由于煤炭具有稳定的热值[1]，它成为全球电力生产的主要能源，贡献了超过35%的发电量。然而，燃煤电厂（CFPP）会排放大量二氧化碳（CO₂）。为了减少CO₂排放，太阳能是一种有前景的替代方案。太阳能-煤混合发电（SCHPG）有望实现低碳、稳定的电力生产[2]。

SCHPG技术源于Zoschak的提议[3]，并在学术界得到了广泛关注。Shagdar[4]将槽式太阳能集热器应用于将除氧器产生的给水加热为蒸汽，用于驱动涡轮机。根据模拟数据和计算模型，该系统在夏季典型天气下节省了183吨燃料，并实现了31.8%的太阳能到电能的转换效率（SEE）。Zhang[5]建立了一个动态模型，对330 MW的SCHPG系统进行了模拟，结果显示关键参数能够稳定维持，CO₂排放量减少了186.7吨/天。Yousuf[6]对SCHPG系统进行了生命周期评估，全面分析了太阳能集热器面积和关键经济参数对生命周期成本的影响。Wang[7]通过高效集成实现了太阳能的梯级利用，使660 MW电厂在全负荷运行时的SEE提高了25.5%，全年CO₂排放量减少了0.27百万吨。Wu[8]提出了一种新的方法来评估SCHPG系统中的太阳能贡献，理论分析了能量、有效能和集成模式对太阳能贡献的影响。Mofidipour[9]对结合CO₂捕集技术的SCHPG系统进行了优化，使能量效率提高了0.74%，有效能效率提高了1.35%，响应时间减少了4.14%。Lei[10]提出了一种新型SCHPG系统，具有较高的热能和水资源节约性能。模拟和计算结果显示，该系统每年可节省0.387百万吨煤炭和10.79 g/kWh的用水量。Liu[11]将两阶段太阳能热能集成到CFPP的热力循环中，与单阶段SCHPG系统相比，提高了7.83%-11.88%的太阳能有效能，减少了1.58-4.24 g/kWh的燃料消耗。Reddy[12]对新型槽式太阳能集热器进行了工程测试，揭示了标准化温差与太阳能到热效率（STE）之间的关系。

早期关于SCHPG的研究主要集中在将太阳能热能与CFPP的热力循环相结合上。虽然学者们对传统集成模式进行了全面研究，但经济性能不佳限制了其广泛应用。特别是核心设备——槽式太阳能集热器的成本通常超过6000 CNY/kW[13]，而光伏发电的成本约为1500 CNY/kW[14]。用经济实惠的光伏模块替代昂贵的集热器为解决SCHPG问题带来了希望。然而，由于光伏技术似乎与CFPP关联性不强，新型SCHPG并未受到充分关注。

一种新的集成方法——光伏驱动的煤预干燥（PPCP）将光伏技术与CFPP相结合，显示出显著的优势：首先，煤预干燥可以显著提高煤炭的低热值（LHV）和CFPP的热性能[15]；其次，蒸汽压缩机能够以较低的电力消耗提高蒸汽参数；最后，光伏电力可以驱动压缩机，高效干燥煤炭并提升CFPP的性能。综上所述，新型SCHPG通过PPCP技术用经济实惠的光伏模块替代昂贵的集热器，为克服传统SCHPG的主要挑战提供了有效途径。

新型SCHPG采用的煤预干燥技术已在工业中得到广泛应用。Xu[17]将流化床干燥技术应用于空气冷却电厂，使用褐煤进行干燥，使电厂的热效率和电力输出分别提高了1.3%和19.7 MW_e。He[18]开发了一种新的褐煤干燥和分离工艺，在最佳工作条件下，有效干燥了粒径为25-13 mm的褐煤，最终得到高品质煤炭（灰分含量9.72%，水分含量13.13%，热值4318.33 cal/g）。Han[19]通过有效能分析揭示了煤预干燥的性能提升机制，使燃烧和废气的有效能损失分别减少了2.32%和0.68%。Jaszczur[20]建议将煤预干燥系统应用于整体气化联合循环中，实验表明在0.12 MPa和133.84 °C的条件下，褐煤的水分含量可有效降低至20%。

因此，本文开发了一种结合PPCP技术的改进型SCHPG。光伏电力用于驱动蒸汽压缩机，回收废蒸汽并生成适用于煤预干燥的蒸汽。对新SCHPG进行了热力学分析和经济评估，证明了其在解决传统SCHPG核心问题方面的有效性。

传统SCHPG的核心问题：高成本和低效率

图1展示了传统SCHPG的工艺流程，其中槽式太阳能用于加热CFPP的给水。传统SCHPG存在两个主要问题：槽式太阳能集热器成本高昂（通常超过6000 CNY/kW[13]）和效率低下（SEE仅为15%-25%[21]），这些问题导致了其经济效益不佳。

通过结合PPCP技术解决核心问题

利用PPCP技术开发的改进型SCHPG为解决这些问题提供了可行方案

基础CFPP简介

以660 MW的CFPP作为案例研究对象，其配置如图5所示。煤炭和流体的相关参数分别列于表1和表2中。

新型SCHPG的配置

新型SCHPG的配置如图6所示。光伏模块用于驱动压缩机，将干燥器产生的废蒸汽（0.1 MPa，100 °C）转化为可用干燥蒸汽（0.2 MPa，150 °C）。干燥后的蒸汽在流化床干燥器中释放热量，产生可用于燃烧的干燥煤炭和驱动压缩机的废蒸汽。

能量平衡模拟与验证

Ebsilon软件常用于热电发电的能量平衡模拟[26]，本文也使用了该软件对SCHPG系统进行了模拟。详细模型见表5。

为了验证模拟结果，以基础CFPP的电力输出和蒸汽流量为基准数据。模拟参数与实际参数在图9中进行了对比，模拟结果与实际数据之间的误差很小，验证了模拟的准确性。

太阳能计算

在新SCHPG系统中，光伏辐照度（I_pho）为...

设计点条件下的热性能

表7和表8分别总结了传统SCHPG和新SCHPG系统的流体参数。表9列出了SDWSR的关键参数。表10详细比较了原始煤炭和干燥后煤炭的参数。可以看出，两种系统提升性能的机制有所不同。传统SCHPG的热性能提升主要得益于回收蒸汽的利用。

阴天时可用太阳能辐照度的显著提升

新型SCHPG采用非聚光光伏技术，在阴天通过高效利用散射太阳辐射实现高性能。图18显示了典型阴天（9月16日）SCHPG系统捕获的太阳辐射量。在相同设备面积（14850 m²）下，新型SCHPG捕获的总太阳辐射量是传统SCHPG的两倍多（59.45 MWh vs 29.39 MWh）。

结论

为克服传统SCHPG的局限性，本文开发了一种结合PPCP技术的改进型SCHPG。通过热力学分析和经济评估对其性能进行了评估，结论如下：

(1)

新型SCHPG有效解决了传统系统的成本和效率问题。首先，使用低成本的光伏模块替代了昂贵的槽式集热器，将太阳能组件的成本从5188万元降至524万元。其次，光伏技术提高了太阳能的利用率。

作者贡献声明

孙颖颖：撰写、审稿与编辑、验证。凌旭蒙：撰写、审稿与编辑、验证、数据整理。吴俊杰：撰写、审稿与编辑、资金筹集。薛燕：撰写、审稿与编辑、验证、数据整理。余涵：撰写初稿、数据可视化、软件应用、方法设计、实验研究、资金筹集、数据分析、概念构建

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了中国江苏省青兰项目的支持。