《Renewable Energy》：Technical design with environmental aspects of newly solar- wind hybrid power generation with desalination using Multi stage flash- Reverse Osmosis
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新型复合可再生能源系统通过整合聚光太阳能、光伏及风电驱动多级闪蒸与反渗透海水淡化，实现电力与淡水协同生产。经多维度评估，系统展现出36.2%能源效率、35%熵效率及2.4年投资回收期，单小时产电57.73MW、淡水2505m3，成本分别为$0.037/kWh和$1.38/m3。
索尔马兹·阿巴希（Solmaz Abbasi）|阿里·雷扎·普兰·加法罗基（Ali Reza Pouran Ghahfarokhi）|米拉德·伊曼杜斯特（Milad Imandoust）|赛义德·塔赫尔·凯尔马尼·阿尔戈拉伊希（Seyed Taher Kermani Alghorayshi）|西娜·阿巴希（Sina Abbasi）
伊朗德黑兰达马万德分校（Damavand branch）伊斯兰自由大学（Islamic Azad University）工程学院可再生能源研究中心（Renewable Energy Research Center）
摘要
本研究介绍了一种新的可再生能源组合系统，该系统结合了太阳能抛物面槽式集热器、光伏板和风力涡轮机，用于为海水淡化过程提供动力。该淡化过程同时采用多级闪蒸和反渗透技术。通过对系统设计进行全面的评估（包括能量分析、エクセルジ分析、经济分析、エクセルジ-经济分析以及生命周期评估（LCA）），以最大化电力和淡水产量。该系统的能量产出比为9.09，每小时可产生57.73兆瓦的电力（价格0.037美元/千瓦时）和2505立方米的淡水（价格1.38美元/立方米）。系统的能量效率为36.2%，エクセルジ效率为35%，热效率为38.5%。其中，集热器占据了エクセルジ损失和投资的主要部分，分别占67%和70%。该方案不仅经济可行，而且对环境友好，投资回收期为2.4年，净现值为8.9亿美元。所提出的策略为将可再生能源和海水淡化技术整合到环保能源系统中提供了可行的新途径。
引言
人类的生活与经济发展在很大程度上依赖于淡水与电力的同时供应[1]。人口快速增长、气候变化以及水资源减少等因素给全球能源和水资源系统带来了巨大压力。尽管太阳能和风能有助于降低温室气体排放[2]，但将其整合到大规模海水淡化系统中仍面临诸多技术和经济障碍。由于可再生能源的能量产出相对较低、单位产出的能耗较高、初始投资较大以及能源供应的不确定性[3]，其广泛应用仍受到限制。为解决这些问题，我们需要创新性的混合技术来提高效率、增强可靠性并降低电力和淡水生产的成本。
将可再生能源与联合发电（ cogeneration）和多联产（multigeneration）系统相结合受到了广泛关注，因为这些技术能够提升整体系统效率[4]。多项研究表明，通过将发电过程与海水淡化过程相结合，可以同时提高能源利用效率和淡水产量。例如，Moharram等人[5]提出了一种由PTC驱动的联合发电系统，结合MSF和RO海水淡化技术，每小时可产生约12.65兆瓦的电力和18,000立方米的淡水。类似地，Aboelmaaref等人[6]发现将RO技术与MED等热淡化方法结合使用可以提高系统效率并降低单位能耗。这些结果表明，混合海水淡化与发电系统在技术上是可行的，并强调了有效整合相关技术的重要性。
从热力学的角度对这类混合系统进行彻底评估需要能量分析和エクセルジ分析，以识别效率低下和不可逆性的根源[7]。研究表明，将膜法海水淡化（如RO）与热循环结合使用可以显著提升系统性能，尽管RO本身的能耗低于热淡化[8]。根据エクセルジ分析，涡轮机、冷凝器、热回收系统和高压泵中的エクセルジ损失较为严重[9],[10]。例如，Yargholi等人[9]发现地热驱动的联合发电系统因涡轮机和冷凝器而遭受了最大的エクセルジ损失；而膜法海水淡化过程中的エクセルジ损失主要源于RO进料泵和压力泵[10]。这些结果凸显了设计混合系统及高效热回收系统的必要性，以提高第二定律效率。
经济可行性、生态责任性和热力学效率是推广利用可再生能源的海水淡化技术的关键因素。尽管光伏-RO组合技术被认为具有环保性[11]，但其广泛应用仍受到光伏技术效率低下、所需土地面积大以及淡水生产成本高等因素的限制[12]。为克服间歇性和可靠性问题，研究人员提出了结合太阳能和风能的混合可再生能源系统[13],[14]。例如，Ben Ali等人[14]指出，由光伏和风能驱动的海水淡化系统即使在太阳能资源匮乏的情况下也能持续供应电力和淡水。此外，基于整个生命周期的评估表明，混合可再生能源系统相比依赖化石燃料的海水淡化方法能显著减少二氧化碳排放[15],[16]。尽管这些系统具有优势，但许多现有系统仍受高资本支出和设计阶段生命周期评估不足的制约，这表明需要建立涵盖技术、经济、エクセルジ和环境因素的综合优化框架。
尽管在可再生能源驱动的海水淡化和联合发电领域已有大量研究，但目前的研究大多仅关注单一技术或有限的性能指标，常常忽略实际运行条件下的热力学、经济和环境因素的全面评估。因此，许多提出的设计方案存在前期成本高、エクセルジ损失大以及运行适应性差的问题。
为解决这些问题，本研究提出了一种创新的混合系统，该系统同时利用太阳能和风能进行电力和淡水生产。该系统采用抛物面槽式集热器驱动的朗肯循环（Rankine cycle），并结合光伏和风能，同时采用MSF和RO海水淡化技术。通过将涡轮机排气热直接引入MSF单元，该设计消除了对传统冷凝器的需求；此外，光伏和风能用于驱动RO单元，提高了系统的运行可靠性并降低了淡水生产成本。
本研究通过能量分析、エクセルジ分析、エクセルジ-经济分析、经济分析以及生命周期评估（LCA）来评估系统的性能和可持续性。研究结果为提高效率、降低成本和减少环境损害提供了重要见解，表明该系统是一种适用于沿海地区和水资源匮乏地区的可扩展且可持续的电力和淡水生产方法。
方法论
本节详细介绍了所提出的混合能源-水系统的设计和功能，并详细阐述了用于评估能量、エクセルジ、エクセルジ-经济性、经济性和生命周期影响的方法论。
结果与讨论
首先讨论并验证了所提出的工艺流程，随后分析了工艺结果及各参数对工艺性能的影响。
结论
本研究提出并评估了一种结合太阳能和风能的混合系统，该系统用于联合发电，并与MSF-RO海水淡化技术相结合，实现电力和淡水的同时生产。该系统每小时可产生57.6兆瓦的电力（价格0.037美元/千瓦时）和2505立方米的淡水（价格1.38美元/立方米）。这些结果通过全面的能量分析、エクセルジ分析、经济分析、エクセルジ-经济分析以及生命周期评估得出，同时揭示了系统的能量效率为36.2%、エクセルジ效率为35%
作者贡献声明
索尔马兹·阿巴希（Solmaz Abbasi）：验证工作、正式分析。米拉德·伊曼杜斯特（Milad Imandoust）：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、软件开发、方法论设计。阿里·雷扎·普兰·加法罗基（Ali Reza Pouran Ghahfarokhi）：验证工作、数据整理。西娜·阿巴希（Sina Abbasi）：资源协调。赛义德·塔赫尔·凯尔马尼·阿尔戈拉伊希（Seyed Taher Kermani Alghorayshi）：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、软件开发、方法论设计。
利益冲突声明
? 作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
