混合太阳能-生物质热电联产技术的季节性比较评估，以实现全年可持续能源供应：技术经济学与生命周期分析方法
《Energy Conversion and Management-X》：Comparative seasonal assessment of hybrid solar-biomass cogeneration for sustainable year-round energy: Technoeconomic, and life cycle approaches
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时间：2026年05月10日
来源：Energy Conversion and Management-X 7.6
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西敏·安瓦里 | 亚历杭德罗·梅迪纳 | 艾丽莎·阿尔特科尼 | 马克·A·罗森
萨拉曼卡大学应用物理系，西班牙萨拉曼卡37008
**摘要**
在太阳能资源多变的地区提供可靠的低碳电力仍然是离网和分散式系统面临的主要挑战。本研究对一种结合热能储存的混合太阳能-生物
西敏·安瓦里 | 亚历杭德罗·梅迪纳 | 艾丽莎·阿尔特科尼 | 马克·A·罗森
萨拉曼卡大学应用物理系，西班牙萨拉曼卡37008
**摘要**
在太阳能资源多变的地区提供可靠的低碳电力仍然是离网和分散式系统面临的主要挑战。本研究对一种结合热能储存的混合太阳能-生物质联合发电系统进行了季节性评估，该系统旨在全年保持100千瓦的净电力输出和约595千瓦的有用热量输出。通过根据太阳能可用性调整生物质投入和热能储存管理来实现季节性运行。基于西班牙萨拉曼卡五年太阳能辐射数据进行的模拟评估了该系统的能源性能、技术经济可行性以及生命周期环境影响。结果显示，整体CHP效率从夏季的34.6%上升到冬季的44%，年均效率为39.2%。夏季运行提供了最有利的经济效益，最低的平准化电力成本（0.219欧元/千瓦时）和最低的平准化热成本（0.0369欧元/千瓦时），以及最高的净现值（206万欧元）；而冬季运行虽然确保了更高的系统效率，但代价是增加了生物质消耗、电力生成成本和更大的环境负担。气候变化潜力在季节间介于0.247至0.522千克二氧化碳当量/千瓦时之间。研究结果表明，太阳能-生物质混合技术结合热能储存可以在强烈的季节性变化下提供稳定、可调度和低碳的联合发电服务，为分散式可再生能源供应提供了有前途的解决方案。
**1. 引言**
全球向可持续和低碳能源系统的过渡已成为应对能源需求增长、气候变化及减少温室气体排放的关键优先事项[1]。可再生能源技术在这一转型中发挥着核心作用；然而，其大规模应用常常受到变量性和间歇性的限制，这给确保可靠且连续的能源供应带来了挑战[2]。在这种情况下，能够同时提供多种能源服务的高效能源转化系统受到了广泛关注[2]。联合发电（有时称为 Combined Heat and Power, CHP）系统通过同时产生电力和有用热量，为商业、住宅和工业部门提高了效率并降低了温室气体排放[1]。由于太阳能的丰富性和可再生性，太阳能驱动的联合发电越来越受到重视[3]。然而，其间歇性和强烈的季节性变化限制了其全年可靠运行。为了解决这些问题，研究人员越来越多地探索混合系统来克服这些限制，特别是结合太阳能和生物质能的系统。生物质能具有可调度性、热稳定性以及地理分布广泛的特点，使其成为太阳能的有力补充。生物质燃烧与太阳能热系统之间的热力学兼容性也使得这种组合特别适合于基于有机朗肯循环（ORC）的联合发电，其中两种来源的中温热量可以有效地用于同时产生电力和热量。最近的综述研究进一步表明，混合太阳能-生物质ORC系统可以显著提高系统可靠性、减少燃料依赖性，并提高整体可持续性[4]。多项研究证实了太阳能-生物质集成在提高灵活性、减少化石燃料依赖性和改善可持续性方面的优势[5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19]。例如，Mohammadi等人[5]强调了混合系统的可靠性提升，而Khalid等人[6]展示了其在社区规模上的成本效益。Parvez等人[8, 9]通过一系列研究调查了基于生物质的联合发电系统，发现系统效率可达49.4%和21%。Parvez等人[8]分析了结合喷射器-吸收式制冷的太阳能-生物质系统，表明系统性能受生物质类型和太阳辐射强度的显著影响，在较高直接法向辐照度（DNI）下效率可达42.29%，并显著增加了能量输出[8]。Parvez等人[9]将这一概念扩展到了结合有机朗肯循环的生物质气化系统，实现了电力、冷却和淡水生产，报告了比传统循环更高的联合发电效率（固体废物情况下可达43.24%[9]）。这些研究一致指出关键热组件中的主要不可逆性来源，强调了系统集成和工作流体选择对提高整体性能的重要性[10, 11]。类似地，Akram等人[10]分析了一种太阳能辅助的三联产系统，发现增加DNI显著提升了系统输出，能量输出从3800千瓦增加到6800千瓦，能量和传递效率分别达到62.6%和20.6%[10]。传递分析表明，最大的不可逆性发生在太阳能子系统中，尤其是中央接收器和定日镜场[10]。这些研究共同证实了太阳能-生物质混合的技术可行性和性能优势；然而，大多数研究仅关注设计点运行或特定案例研究，对季节性调度策略和在变化光照条件下的全年运行稳定性关注不足。
除了混合化之外，储能也被证明可以提高系统灵活性和运行稳定性。热能储存（TES）和其他先进储能技术在缓解太阳能间歇性、提高可再生能源渗透率以及在太阳能供应不足期间实现连续联合发电方面发挥着关键作用[11, 12, 13]。Akinte等人[11]通过引入先进储能技术在光伏-生物质系统中实现了93.9%的可再生能源渗透率。同样，太阳能热储存也被认定为提高混合可再生能源系统调度性和减少对备用燃料依赖性的关键组成部分[11]。尽管如此，混合系统的应用仍受技术复杂性的挑战。太阳能辐射的季节性波动要求自适应控制策略和最优化的生物质投入，以维持高效稳定的系统运行[11, 12]。因此，热力学和技术经济分析已成为系统评估和设计的重要工具[12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19]。例如，Karellas和Braimakis[12]评估了一种使用ORC的微型太阳能-生物质三联产/联合发电系统，报告了适度的电力效率，但具有强劲的经济可行性，内部回报率为12%，回收期为7年[12]。在此基础上，Algieri和Morrone[12]证明在南意大利的一种超临界ORC系统可以在经济有利条件下减少生物质消耗、提高电力生成并实现显著的初级能源节约[12]。同时，环境和传递经济评估也越来越受到关注[13, 14, 15, 16]。Anvari等人[13]发现太阳能集成使电力输出增加了30%，二氧化碳排放减少了22%，尽管太阳能资本成本占总投资的70%以上[13]。Da Silva Morais等人[14]指出太阳能热储存对于提高生物质效率和经济效益至关重要，而Tilahun等人[15]展示了熔盐生物质-太阳能系统在埃塞俄比亚的工业应用中的可靠性[15]。在更广泛的系统层面，Kumari等人[16]表明生物质和地热能在多个国家可以显著减少二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物排放，尽管其有效性强烈依赖于区域条件[16]，这突显了制定特定情境的能源战略和综合政策框架的必要性[16]。
然而，大多数研究仅关注特定地点或单一运行情景，缺乏对季节性变化或整体环境影响评估的全面考虑。生命周期评估（LCA）结合能源和经济分析越来越被应用于提供更全面的视角[17, 18, 19]。Liu等人[17]使用多目标优化和六阶段LCA对太阳能-生物质三联产系统进行了研究，报告了显著的成本和影响减少[17]。Borri等人[18]发现操作组件（如干式冷却器和热泵）是环境负担的主要来源，而Oyekale等人[19]指出了效率和服务因素的提高，但特定传递环境影响增加了35%[19]。?etinkaya等人[20]使用ReCiPe重新确认了基于生物质的系统相对于化石能源的生态优势[20]。最近，对混合生物质-太阳能系统的综合可持续性评估强调了在同一评估框架内结合热力学、经济和环境指标的重要性[21]。Alotaibi等人[21]对太阳能辅助的生物质CHP系统进行了多目标优化，表明最佳环境性能往往与最大经济盈利能力相冲突，这表明需要进行同时的技术经济和LCA评估[21]。他们的结果证实了运行策略和可再生能源份额对生命周期排放和长期系统可行性的强烈影响[21]。
尽管关于太阳能-生物质混合系统的研究不断增多，但文献中仍存在一些重要局限性。大多数现有研究在固定设计条件或年平均运行情景下评估系统性能，没有明确考虑太阳能辐射的季节性变化及其对生物质消耗、热储存行为、运行稳定性和长期可持续性的影响[22, 23]。因此，太阳能资源可用性、生物质调度和不同季节系统性能之间的动态相互作用仍不够清楚。此外，尽管已经报告了混合可再生能源系统的技术经济和环境分析，但在统一框架内同时比较季节性能源性能、经济可行性和 environmental impacts 的综合评估仍有限[22, 23]。这限制了对季节性运行策略如何影响系统可靠性和可持续性的实际理解。为了解决这些不足，本研究提出了一个结合TES和再生有机朗肯循环（RORC）的混合太阳能-生物质联合发电系统的全面季节性评估。该系统通过动态调整生物质投入以响应DNI的季节性变化，旨在全年保持100千瓦的电力输出和约595千瓦的有用热量输出。利用西班牙萨拉曼卡五年的太阳能辐射数据，该研究评估了季节性太阳可用性对系统运行、生物质需求、技术经济性能和生命周期环境影响的影响。本研究的主要创新在于开发了一个季节性解析的运行框架，明确关联了太阳能资源的变异性、生物质调度策略、TES充放电行为以及系统范围的可持续性性能[24]。与通常依赖固定设计点分析或年平均条件的先前研究不同，本研究捕捉了现实的季节性运行行为，并展示了混合策略如何直接影响效率、盈利能力和环境性能[24]。
**2. 方法论**
2.1. 混合太阳能-生物质联合发电配置和模拟假设
本研究提出并研究了一种混合太阳能-生物质联合发电系统，如图1所示[1]。该系统旨在在太阳能资源多变的情况下提供稳定的全年电力和有用热量。系统包括三个主要子系统：一个带有热能储存的聚光太阳能热单元、一个生物质燃烧炉和一个再生有机朗肯循环。所提出系统的关键假设和运行参数总结在表1中[1, 23, 24]。
**表1. 所提出的混合太阳能-生物质系统的关键假设和运行参数**
| 子系统 | 编号 | 描述 | 备注 |
|---------------|-----------------|-------------------------------------------------------------|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|采用了一种直接空气供风的燃烧炉，其中小麦秸秆利用预热的燃烧空气进行燃烧。选择这种配置是因为其设计相对简单、运行稳定，并且与气化和热解等替代生物质转化技术相比，资本成本较低[24],[25],[26]。尽管这些先进的热化学途径可能提供更高的理论转化效率，但它们通常需要额外的工艺步骤，如合成气净化、焦油去除和气体调节，这增加了系统的复杂性和操作要求[25],[27]。从环境角度来看，虽然气化和热解在优化条件下可能具有优势，但其生命周期性能很大程度上取决于下游气体处理效率和技术集成[26],[28]。对于本研究而言，由于需要全年稳定运行并向再生有机朗肯循环（ORC）持续提供热量以保持100千瓦的恒定电力输出，直接燃烧比更复杂的气化或热解配置更为实用和可靠。选择小麦秸秆作为燃料来源是因为它的可获得性和适合燃烧过程。生物质子系统的主要运行条件，包括燃烧温度水平和空气预热条件，总结在表1中。
该发电单元基于再生有机朗肯循环，因为它适合将中等温度的热能转化为机械能，并且与混合可再生能源系统兼容。ORC系统特别适合热电联产应用，因为它们可以高效利用来自多个热源的热能，同时产生电能和有用的热能[29],[30]。循环由蒸发器、涡轮机、再热器和冷凝器组成。太阳能和生物质子系统提供的热能被传递给蒸发器中的工作流体以驱动循环。选择甲苯作为工作流体，因为它具有良好的热物理性能，包括在中等到高操作温度下的高热稳定性[31]。
太阳能、生物质燃烧、热能储存（TES）和RORC的集成旨在实现一个具有高运行可靠性和全年可调度性的分散式热电联产系统。与基于光伏的系统不同，太阳能集热器可以直接提供ORC蒸发器所需的中间温度热量，无需中间电能转换，从而提高热集成并减少转换损失。生物质燃烧在太阳能不足期间充当可控的热备份，而TES可以缓解短期太阳能波动，并平衡太阳能可用性与系统需求之间的时间不匹配。与仅使用生物质的CHP系统相比，这种混合配置减少了生物质消耗和燃料依赖性。与仅使用太阳能的系统相比，它显著提高了运行连续性和可调度性。因此，这种集成配置为离网和分散式能源应用提供了效率、灵活性和可靠性之间的实际平衡。
该混合系统主要围绕太阳能子系统设计，而生物质炉则作为辅助热源，在太阳能供应量季节性减少时保持稳定输出。所有核心的热力学假设和组件设计参数在所有季节保持不变。只有直接太阳辐射强度（DNI）和相应的生物质输入量会根据季节进行调整，以确保连续运行和恒定的电力生成。与季节变化和运行条件相关的假设将在后续部分讨论。
2.2 能量分析
本研究遵循热力学第一定律进行能量分析。热力学系统的模拟遵循控制体积内的能量守恒原理。在稳态条件下，能量平衡被制定为进入控制体积的总能量等于现有的总能量，考虑到热传递（Q?）、功（W?）和质量流量（m?）。这里，h表示比焓，下标“in”和“out”分别表示入口和出口流[34]。这可以用速率表示为：
(1) ∑m?in + ∑Q?in = ∑m?out + ∑Q?out + W?
使用Thermoflex软件对所提出的混合系统的所有组件（包括太阳能、生物质和RORC子系统）进行热力学模拟。Thermoflex是一种专门的工具，用于模拟热力学系统，特别是在设计和分析能源系统方面。它能够精确模拟包括多种能源集成的复杂系统[34]。
本文报道的研究的主要目的是利用生物质作为太阳能子系统的备用能源，以确保全年电力供应的稳定性。为此，提出的混合热电联产系统对所有四个季节（夏季、秋季、冬季和春季）进行了模拟。这种季节性分析非常重要，因为它评估了系统在不同运行条件和能源输入下的效率和性能。此外，模拟过程考虑了太阳能和生物质能的季节性贡献。虽然太阳能的可用性因季节变化而波动，但生物质作为一种补充和稳定的能源，提高了混合热电联产系统的整体效率和可靠性。应用于模拟的具体条件和控制每个系统组件的能量平衡方程在后续部分中有详细描述。
2.2.1 太阳能子系统
太阳能是最丰富的可再生能源之一；然而，其可用性受到地理位置、季节变化和气候条件的强烈影响。因此，在模拟太阳能系统时考虑地理和季节变化是必不可少的。这样做可以提高模拟结果的准确性，使其更符合实际情况，并更好地理解系统在不同运行情景下的性能。
在这项研究中，为了开发一个现实可行的混合太阳能-生物质热电联产系统中太阳能子系统的季节性模拟，使用萨拉曼卡（西班牙）的直接太阳辐射数据对每个季节进行了模拟。为此，使用了2020年至2024年每月收集的萨拉曼卡直接太阳辐射数据[35]。然后采用了两种平均方法来估计季节性直接太阳辐射。在第一种方法中，通过将每个相应季节的每月直接辐射值平均来计算季节平均值。根据西班牙日历，季节被定义为冬季（12月21日至3月20日）、春季（3月21日至6月20日）、夏季（6月21日至9月20日）和秋季（9月21日至12月20日）。分析结果如图2所示，图中给出了每个季节的月平均值以及用作系统模拟参考的整体季节平均值。从图2的数据来看，各季节的整体平均直接太阳辐射值分别为：冬季 – 285.18 W/m2，春季 – 406.8 W/m2，夏季 – 559.3 W/m2，秋季 – 308 W/m2。
为了更清楚地解释太阳能资源的可用性，这些值可以用每日和年度太阳能潜力来表示。假设所选地点平均每天有大约7个有效的太阳小时，相应的日太阳能范围从冬季的约2.0 kWh/m2/天到夏季的近3.9 kWh/m2/天。 annual basis上，大约390 W/m2的平均DNI相当于每年约1000 kWh/m2的可用太阳能。这些结果表明萨拉曼卡具有中等到高的太阳能潜力，同时也突显了显著的季节变化，这证明了集成如生物质这样的可调度能源对于全年稳定运行的必要性。
在第二种方法中，直接太阳辐射是基于特定代表日的平均值计算的——每个季节的第一天：12月21日（冬季）、3月21日（春季）、6月21日（夏季）和9月21日（秋季）。这种选择遵循了以往太阳能研究中采用的方法，即使用每个季节的第一天作为参考点[36]。为了减少短期气象波动和年际变化的影响，每个选定日的DNI剖面在五年期间（2020–2024年）进行了平均。每个季节的平均小时DNI剖面在图3中展示，更清晰地代表了典型的日常太阳辐射模式。此外，这些剖面得出的季节平均值被用作系统模拟的参考输入。相应的平均辐射值分别为：冬季 – 282.5 W/m2，春季 – 406.2 W/m2，夏季 – 547.5 W/m2，秋季 – 340.8 W/m2。
如图2所示，两种方法得出的每个季节的值非常接近；因此，在本研究中，模拟中使用的最终季节辐射输入是两种方法每个季节的平均值。考虑到主要研究目标是将在混合热电联产系统中集成生物质能作为太阳能的备份，本节还描述了如何确定太阳能和生物质子系统的季节性贡献，以确保全年电力输出的恒定性。首先模拟了一个基准情景，即热电联产系统仅依靠太阳能运行，假设平均辐射为800 W/m2。然后通过将每个季节的平均辐射值除以这个参考值来确定季节性的太阳能贡献。基于此分析，表2显示了混合太阳能-生物质热电联产系统中太阳能和生物质贡献的相应季节份额。
表2. 混合系统中太阳能和生物质能源输入的平均DNI和季节分布。
| 季节 | 太阳能 | 生物质 |
|---------|--------|-------|
| 冬季 | 800 | |
| 春季 | 283 | |
| 夏季 | 406 | |
| 秋季 | 555 | |
图4说明了太阳能子系统的两种运行模式：充电和放电，这两种模式根据可用太阳辐射的强度交替进行。在充电模式下，通常在高太阳辐射条件下（例如在夏季），收集的太阳能热能超出循环的即时需求时会被存储在热能储存系统中。相反，在放电模式下，发生在低太阳辐射条件下（例如在冬季），从TES中获取存储的热能来补充循环的能量需求。
根据能量守恒原理，建立了太阳能子系统的能量平衡，包括太阳辐射输入、光学和热损失、吸收到传热流体中的能量以及与TES系统的交互。太阳辐射在收集器表面的总功率由以下公式给出：
(2) Q?sun = DNI × Atot
其中Atot是所有研究案例中Fresnel收集器的总面积，本研究考虑为3143 m2。图5a给出了基本Fresnel收集器的横截面视图，展示了太阳光线在直线接收器上的反射。太阳能收集器效率（??Collector）表示接收器中传热流体的热能增益与照射在收集器聚焦有效区域上的太阳能的比率。这个指标代表了收集器将集中太阳辐射转化为可用热能的效率。为了阐明有效面积的概念，图5b展示了一个带有单排收集器的太阳能场及其流动路径。在这个示意图中，传热流体沿着接收器的整个长度流动，但只有与有效行长度相对应的部分暴露在聚焦的太阳辐射下，从而贡献于能量吸收。剩余（非活跃）的长度用于结构支撑、驱动机制和收集器单元之间的连接。
接收器吸收的太阳能量率可以计算为：
(3) ?Q?receiver = Q?sun × ?optical × fendloss × θ⊥ × IAMθ⊥,θ‖
其中??optical是正常入射时的光学效率，fendloss是端损失因子，IAMθ⊥,θ‖是入射角修正因子。角度θ⊥和θ‖表示横向和入射角。端损失因子和入射角修正因子的值由软件计算，并在一年中的每个季节给出，见表3。在太阳能集热器系统的光学性能评估中使用的效率因素和角度修正值：
空电池
仅使用太阳能
太阳能-生物质混合
冬季
春季
夏季
秋季
fendloss
0.9827
0.8866
90.9527
0.9827
0.9519
IAM纵向
0.9387
0.2538
0.7022
0.9387
0.6942
IAM横向
0.9803
0.9570
0.9676
0.9803
0.9791
场吸收的净热率和储存在TES系统中或从TES系统中检索的净能量率计算如下：
(4)
Q?field = m?ahb - ha
(5)
Q?TES = m?chd - hc
太阳能场的效率（??field）表示为整个集热器场的热能输入与所有集热器活动区域接收的总太阳能之比。
最后，混合太阳能-生物质热电联产系统的有效太阳热输入率（即传递到RORC循环的净热率）由下式给出：
(6)
Q?net_solar = m?14h15 - h14 = Q?field ± Q?TES
Q?TES的符号取决于运行模式：在放电时为正，在充电时为负。
2.2.2. 生物质子系统
在模拟的太阳能-生物质热电联产系统的绝热炉中，以小麦秸秆形式存在的生物质燃料在环境温度和压力下被送入燃烧室，在那里它与预热空气反应。表4提供了用于模拟的小麦秸秆生物质的物理性质。在这项工作中（表4最右侧的一列），C、N、S和挥发性物质的最终分析值主要来自[38]，而氧含量和高位热值（HHV）是通过模拟软件确定的。低位热值（LHV）直接取自[38]。其他属性的输入值在[38]和[39]报告的范围内进行了调整，以确保生物质特性的统一性。
表4. 小麦秸秆生物质的最终分析和近似分析（干基）。
分析/样品
[38]
[39]
2
本研究
元素分析（%重量）
水分：7.7±0.5
-
固定碳：18.19
15.8
15.6
挥发性物质：76±18
1.175
灰分含量：5.3±1.1
3.1
3.2
最终分析（%重量）
C：45.58
46.14
5.58
H：6.04
5.7
5.04
O：46.60
44.5
38.1
N：1.18
0.6
1.18
S：0.59
-
5.9
加热值（J/g）
HHV：1734
44±118
1820
0
1722
6
LHV：--
1575
6
1. 来自多个地区（奥地利、西班牙等）的小麦秸秆样本。
2. 来自西班牙的小麦秸秆。
为了确保所提出系统的实际可行性，还考虑了选定地点的生物质原料的可用性。小麦秸秆在西班牙广泛可用，年产量约为30百万吨，平均年可用量为0.59吨/公顷[40]。尽管这些数值是在国家层面报告的，但它们表明了该地区的资源基础非常丰富，这也代表了萨拉曼卡等农业地区的情况。与这一潜力相比，所提出系统的生物质需求相对较低，年均消耗量约为933吨，仅占当地可用农业残余物的很小一部分。这种供需之间的显著差异表明，该地区可以可靠地获得足够的生物质资源。
除了总体资源的可用性外，基于小麦秸秆的能源系统的实际部署还必须考虑竞争性的最终用途和地区供应链限制。在农业地区，小麦秸秆通常用于动物垫料、牲畜饲料、土壤改良，以及在某些情况下用于颗粒生产和其他生物基工业应用[41]。因此，只有部分总的理论残余物潜力可以被认为是可持续用于能源生成的。尽管如此，所提出系统的生物质需求相对于地区残余物潜力仍然较低，表明与现有农业应用的竞争不太可能成为重大限制。萨拉曼卡及其周围的卡斯蒂利亚-莱昂地区以广阔的谷物作物生产为特征，特别是小麦和大麦，这支持了当地农业残余物的可用性，并减少了运输依赖性[42]。此外，西班牙的小麦秸秆供应链已经建立了季节性收集、打包、运输和中间储存的成熟做法，即使是在季节性收获模式下也能确保全年稳定的燃料供应[40]。因此，生物质可用性和物流可行性都支持所提出的混合太阳能-生物质热电联产系统的实际实施，而不仅仅是一个纯理论框架。
控制炉内燃烧过程的质量和能量率平衡遵循[32]：
(7)
m?Biomass + m?air = m?HotGas + m?Ash + m?unb
(8)
Q?Biomass + Q?air = Q?HotGas + Q?loss,furnace
(9)
m?Biomass × LHV
+m?air × hair = m?HotGas × h
HotGas + Q?loss,furnace
其中m?Biomass、m?air和m?HotGas分别是生物质、进气和产生燃烧气体的质量流量，m?Ash和m??unb分别是炉内剩余灰分和未燃烧生物质的质量流量，LHV是生物质的下位热值，Q?loss,furnace考虑了由于燃烧室 insulation 不完美导致的热损失。总体能量损失假设为炉子初级能量输入的10–15%。
最后，混合太阳能-生物质热电联产系统中生物质对RORC循环的净热贡献和生物质炉的热效率分别表示为：
(10)
Q?net_biomass = m?9h9 - h17
(11)
??Furnace = Q?HotGas / Q?Biomass
2.2.3. RORC子系统
为了确保全年可靠的电力生成，再生有机朗肯循环（RORC）子系统被用作混合太阳能-生物质热电联产系统的核心。在所有不同季节研究的情景中，模拟的RORC被设定为产生恒定的100 kW电输出，不受能量输入季节变化的影响。RORC各组件的能量率平衡表示如下：
•蒸发器
(12)
Q?Eva = m?18h18 - h24
•涡轮机
(13)
W?Turbine = m?18h18 - h19
•冷凝器
(14)
Q?Cond = m?21h20 - h21
•换热器3
(15)
Q?HX3 = m?20h19 - h20
•泵3
(16)
W?Pump3 = m?22h23 - h22
2.2.4. 太阳能-生物质热电联产系统的能源效率
能源效率是热力系统能量转换评估中的一个重要指标。在热电联产系统中，它提供了系统将能源资源有效转化为有用的热能和电能输出的洞察。整个系统的能源效率（??HybridCHP）可以表示为：
(17)
??HybridCHP = W?net + Q?heating / Q?sun + Q?Biomass
这个方程提供了系统将太阳能和生物质能量输入转化为有用能量输出的总体效率的全面衡量。
3. 技术经济分析
技术经济分析是通过整合热力性能数据和经济指标来评估能源系统财务可行性和经济表现的关键框架[43]。对于本研究中研究的混合生物质炉和太阳能菲涅尔热电联产循环，技术经济分析为评估系统提供可持续和成本效益高的电能和热能提供了定量基础。该分析旨在为投资决策、技术选择和可再生能源整合的政策方向提供信息。
为了全面评估所提出系统的财务表现，计算了六个关键经济指标：简单回收期（SPB）、折现回收期（DPB）、内部收益率（IRR）、净现值（NPV）、盈利能力指数（PI）、平准化电力成本（LCOE）和平准化热成本（LCOH）。这些指标因其在能源项目经济评估中的广泛接受度和反映绝对及相对投资表现的能力而被选中[44]。现在提供这些指标的详细信息：
•NPV通过计算系统寿命内未来净现金流的现值（相对于初始投资）来量化项目的经济可行性。正的NPV表示财务盈利性。NPV表示为：
(18)
NPV = -INV + ∑n=1^N CFn / (1 + i^n)
其中INV表示初始资本投资，NCFn表示第n年的净现金流，i是折现率，N是项目寿命。这种公式考虑了货币的时间价值，广泛用于评估长期投资表现。
•IRR表示项目的NPV变为零的折现率[45]。它是资本的盈亏平衡成本，广泛用于评估投资项目的相对盈利能力。如果IRR超过所需的回报率或门槛率，则认为项目在经济上是可行的。IRR的计算通常通过涉及折现率变化的迭代过程进行，经常使用牛顿-拉夫森方法。
•作为未来现金流入的现值与初始投资成本的比率，PI提供了盈利能力的相对衡量，并且对于资本有限的情况特别有用[46]。PI可以表示为：
(19)
PI = NPV / INV
PI > 1表示项目可行，而PI < 1表示项目不可行。
•SPB表示从年净现金流中回收初始投资的时间，不考虑货币的时间价值。即：
(20)
SPB = INV / (Annualnetcashflow)
虽然SPB不反映项目的盈利能力，但它有助于评估投资回收时间和相关财务风险。
•DPB表示折现现金流回收初始投资的时间。当NCF恒定时，DPB可以如下计算：
(21)
DPB = log(1) / (1 + INV * i^n)
•作为电厂寿命内每单位电力的平均成本，LCOE提供了一个标准化的指标，用于比较基于千瓦时（kWh）的发电技术，同时考虑了资本和运营成本[44]：
(22)
LCOE = INV + ∑t=1^N (CN / (1 + i^n))
其中En表示第t年的发电量（kWh），CN是第t年的总成本，包括投资、运营和维护（O&M）和燃料成本。
•由于所提出的系统作为一个同时产生电能和有用热能的热电联产单元运行，还评估了LCOH，以提供更全面的热输出经济评估。LCOH表示系统寿命内每单位有用热能的平均成本，对于评估热能构成重要收入流的CHP系统的经济可行性尤为重要。它允许将热生产成本与天然气、柴油和燃料油等传统供暖方式进行比较[47]。
(23)
LCOH = INV + ∑t=1^N (CN / (1 + i^n)) + ∑t=1^N (Hn / (1 + i^n))
其中Hn表示第t年的有用热能产量（kWh）。
所提出的混合太阳能-生物质热电联产循环的经济评估基于与最新文献和区域数据一致的支撑假设。考虑了3%的年利率和20年的电厂寿命，这与西班牙的可再生能源研究一致[48]。O&M成本估计为3.05欧元/MWh，基于[49]和[32]的平均值，其中O&M成本占太阳能热能系统总投资的4.6%，而对于混合太阳能-生物质ORC系统为1.5%[32]。包括30%的资本成本补贴，与现有的支持机制一致[49]。生物质原料成本为79.1欧元/吨，代表2022年西班牙小麦秸秆残余物的供应成本，包括生产和运输[40]。电力的销售价格定为0.114欧元/kWh，热力的销售价格定为0.079欧元/kWh，代表了西班牙常见的供暖方式（如天然气、柴油和燃料油）的平均价格[48]。以下部分提供了混合循环子系统的成本估算，包括生物质炉、太阳能集热器和RORC相关组件。
•太阳能子系统
请注意，混合热电联产系统的太阳能组件是循环的主要能源来源。因此，本节中考虑的所有季节的资本、安装和维护成本保持不变。在这项分析中，假设总集热器面积等于Atot，使用参考[49]中的数据，根据方程(24)计算带有储能的菲涅尔太阳能系统的资本成本：
(24)
CFresnel/storage = 203.19 × Atot
•生物质炉
为了计算生物质炉的成本，使用了一个尺寸方程，该方程取决于能源的热容量（Qfurnace,ref）和能源系统的成本（Cfurnace,ref）。然后相应地确定混合热电联产系统中的炉成本（Cfurnace）[32]：
(25)
Cfurnace = Cfurnace,ref × Qfurnace,ref / γ
这里，假设尺寸因子γ=0.8，而能源的热容量和成本分别设置为882 k�和2800 kWt[32]、[48]。
•RORC子系统
RORC的资本成本通过汇总其组件的成本来评估，如表5所示。
表5. 混合太阳能/生物质热电联产循环中RORC系统各组件的资本成本
组件
成本方程
参考文献
蒸发器
235 × Q?Eva
0.75 [50]
涡轮机
CTurbine = 6000 × Wturbine
0.7 [51]
换热器3
235 × Q?HX
10.75 [50]
冷凝器
Ccondenser = 1773 × m?ORC
[50]
泵3
Cpump3 = 3540 × Wpump
0.71 [50]
4. 生命周期评估方法论
生命周期评估是一种标准化方法，用于确定和分析产品或系统在整个生命周期内的环境影响。LCA为量化材料和能源流动、排放和废物排放的环境负担提供了一个系统框架。它通常基于ISO 14040和ISO 14044标准。该方法论包括四个主要阶段：目标和范围定义、清单分析、影响评估和解释[52]。接下来，详细描述了该方法论在本研究中的应用：
- 对于本研究，主要目标是评估一个提出的全年运行的混合太阳能-生物质热电联产系统的环境性能，该系统的能源输入具有季节性变化。具体来说，评估旨在了解太阳辐射份额和生物质流量率的变化如何影响系统的环境影响。热电联产系统同时产生电能和热水；然而，为了保持一致性和可比性，功能单位定义为1千瓦时的电能。采用了一种经济分配方法来划分电力和热水产出之间的环境负担，使用以下分配公式 [53]：(26)EA=EV×M∑n(EVn×Mn)×100，其中 EV 是经济价值（以 �/kWh 计），EA 是经济分配百分比，M 是每种产品的能量输出（以 kWh 计）。系统边界限定在“门到门”的方法，仅关注混合循环的运营和维护阶段。该边界排除了上游过程（例如，原材料提取、设备制造）和下游过程（例如，退役、废物处理），使得分析专门针对系统实际使用过程中的性能 [54]。选择这种边界是有意为之，因为本研究的主要目标是评估季节性运营变化——特别是太阳能贡献和生物质消耗的变化——对系统使用阶段环境性能的影响。由于主要的季节性差异源于运营参数而非设备配置，“门到门”的方法能够集中比较与系统运营直接相关的环境影响。假设上游建设相关影响和下游寿命终结过程在各个季节保持不变，因此从比较性季节性评估中排除了这些因素。尽管如此，人们认识到，进行完整的“从摇篮到坟墓”的评估将提供更全面的生命周期影响评估，并应在未来的工作中予以考虑。
生命周期清单数据是为混合热电联产系统的运营阶段编制的，包括生物质进料率和太阳能输入的季节性变化。清单输入包括生物质消耗、辅助电力、用水和维护材料。输出包括气体排放（例如 CO2、NOx、SOx）、废水排放和固体残留物。这些数据源自每个季节的过程模拟和运营建模，并输入 SimaPro LCA 软件进行分析。生物质特性是根据代表西班牙的小麦秸秆数据选择的，而太阳辐照度输入则使用了西班牙萨拉曼卡的五年 DNI 数据。这种区域特异性提高了所选案例研究地点环境评估的代表性和可靠性。
影响评估阶段将清单流量转化为环境影响指标，从而能够全面确定系统的潜在环境负担。在此阶段，应用了 ReCiPe 2016 方法，考虑了中间点和终点评估视角，以在各个聚合层次上平衡地理解环境影响。中间点影响类别包括：臭氧消耗、臭氧形成、气候变化、电离辐射、细颗粒物形成、陆地生态系统、陆地酸化、淡水富营养化、海洋富营养化、人类健康、人类毒性和生态毒性、用水、土地使用、矿物资源稀缺性和化石资源稀缺性。终点影响类别包括生态系统质量、人类健康和资源可用性 [55]。
为了提高结果的可解释性，使用了区域标准化因子进行标准化，以便在不同影响类别和季节性情景之间进行比较。每个类别 k 的标准化影响 Nk 计算如下 [52]：(27)Nk=SkRk，其中 Sk 是类别 k 的影响得分，Rk 是标准化因子。
5. 结果和讨论
5.1. 能源分析
图 6 展示了混合太阳能-生物质热电联产系统的能源效率性能，包括在不同季节条件下的生物质炉、太阳能集热器、太阳能场和整个混合 CHP 系统的效率，以及在仅使用太阳能的模式下的效率。它还包括每种效率的年平均值。
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图 6. 混合系统（包括炉子、太阳能集热器、太阳能场和整个 CHP）在混合模式和仅使用太阳能模式下的季节性和年度能源效率。
在所有依赖生物质的案例中，生物质炉的效率始终保持在较高水平，范围为 89.3% 到 89.4%，表明燃烧和热传递稳定。这种较小的变化证实了燃烧子系统在不同季节生物质流量下可靠运行，并为混合 CHP 系统提供了稳定的热源。在仅使用太阳能的情景下（DNI = 800 W/m2），系统实现了最高的集热器效率 56.8% 和场效率 55.4%，凸显了在最佳辐照度下太阳能子系统的强劲性能。在各个季节中，夏季的集热器和场效率最高（分别为 57.3% 和 55.9%），这归因于相对较高的 DNI 和最低的生物质流量（0.0202 kg/s），使太阳能占主导地位。春季紧随其后，集热器和场的效率分别为 50.9% 和 49.6%。相比之下，由于 DNI 较低，秋季和冬季的太阳能性能有所下降，集热器效率分别为 49.1% 和 47.9%，冬季的有效运行效率也较低。在冬季，相对较低的 DNI（283 W/m2）显著限制了太阳能场的瞬时热性能，降低了其直接提供足够热量以维持 ORC 蒸发器稳定运行的能力。然而，这并不意味着太阳能完全没有贡献。如表 2 所示，可用的太阳能仍然部分地贡献了系统能量，占季节能量的大约 35%。在有辐照的时期，有限的太阳能热量被捕获并储存在 TES 系统中，而生物质则满足剩余的热需求。因此，冬季运行仍然是以生物质为主，但太阳能通过部分直接贡献和 TES 辅助的负载平衡继续支持系统。综合考虑所有季节，年度平均集热器和场效率分别为 39% 和 45.5%，代表了整个年度太阳能子系统的整体性能。
混合 CHP 的能源效率强烈反映了能源资源的季节性可用性。冬季的整体效率最高，为 44%，主要是由于生物质输入（0.044 kg/s）的主导作用，这弥补了在低辐照期间的太阳能减少。秋季的效率为 40.2%，也得到了相对较高的生物质份额的支持。相比之下，春季和夏季太阳能贡献更为显著，效率分别为 37.9% 和 34.6%。仅使用太阳能的配置记录了最低的 CHP 效率，为 27.8%，因为仅靠太阳能提供的热输入不足以维持高总系统输出，尽管集热器和太阳能场的性能很强。系统的年度平均整体 CHP 效率为 39.2%，反映了所有季节运营条件下太阳能和生物质能源的联合贡献。
这些结果揭示了太阳能子系统性能与整个混合 CHP 效率之间的重要权衡。以太阳能为主导的运行可以提高集热器级别的性能并减少生物质消耗；然而，可能会限制可用于持续热电联产的总可回收热能。这表明，仅仅最大化太阳能效率并不一定能带来最佳的系统整体性能，特别是在全年都需要恒定电力生产和有用热供应的情况下。为了验证获得的趋势，与类似的混合太阳能-生物质 CHP 系统进行了比较。Algieri 和 Morrone [12] 研究了一个基于超临界 ORC 的小型太阳能-生物质混合 CHP 系统，并证明混合化提高了系统的灵活性，增强了低太阳辐射的利用，并将生物质消耗减少了多达 32.8%，同时保持了稳定的 CHP 性能。相比之下，特别是在冬季和秋季，依赖生物质的运行通过提供稳定和可控的热输入来维持恒定的电力生产和有用热回收，从而提高了整个系统的效率。Chen 等人 [56] 研究了一个太阳能辅助的生物质燃烧 CHP 系统，并表明由于同时利用了有用热能和改进的太阳能利用，热电联产模式在热力学上优于仅发电模式。他们报告了年太阳能到电能的转换效率为 16.16%，在供暖季节的联合生产模式下性能更好。这些比较证实了本研究结果与先前报道的混合系统在效率趋势、季节性行为以及生物质-太阳能集成对稳定 CHP 运行的有益作用方面的一致性。
图 7 使用 Sankey 图展示了混合太阳能-生物质热电联产系统的详细季节性能源平衡。这些图表说明了关键子系统（包括太阳能集热场、TES、生物质炉、蒸发器和 RORC 组件）之间的能量流动和损失。该分析旨在展示混合化如何使系统在变化的季节条件下维持恒定的电力输出（100 kW）。
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图 7. 混合太阳能-生物质热电联产系统的季节性能源平衡 Sankey 图：(a) 冬季，(b) 春季，(c) 夏季，(d) 秋季。（注意：Q?Biomass 定义为与生物质燃烧相关的能量率，计算公式如方程 (8) 和 (9) 所示。）
系统的总输入能量全年波动，受 DNI 的季节性变化和补充太阳能所需的相应生物质质量流量的影响。在各季节中，夏季的总输入最高，为 2009 kW，主要是由于太阳能的贡献为 1691 kW，而生物质需求最小化为 318 kW。相比之下，冬季的总输入最低（1591 kW），较高的生物质份额（691 kW）弥补了太阳能输入的减少（900 kW），反映出较低的季节性 DNI。这种行为清楚地展示了太阳能和生物质来源之间的互补互动，其中生物质充当了在太阳能可用性下降时保持系统性能稳定的备用方案。
太阳能集热场对辐照度变化非常敏感。在夏季，935 kW 的太阳能到达接收器，其中 841 kW 被传输到场中。其中 517 kW 被传递到蒸发器，324 kW 被储存在 TES 中——这是最高的季节性储存量，表明太阳能产量过剩。在冬季，太阳能捕获量显著减少：仅记录到 139 kW 的太阳能输入，761 kW 在接收器处损失，导致没有能量传递到集热场或蒸发器。然而，太阳能子系统仍然通过 TES 贡献了 260 kW 给蒸发器。这种储存的能量突显了 TES 在太阳能输入不足时期维持系统运行中的关键作用。冬季观察到的高接收器损失主要与较低的 DNI 和不利太阳能条件下的光学效率降低有关，这显著限制了太阳能场的直接热贡献。
春季和秋季表现出中间的行为。在春季，535 kW 的太阳能到达接收器，其中 367 kW 直接使用，88 kW 被储存在 TES 中。在秋季，收集了 453 kW 的太阳能，376 kW 被传输到场中，294 kW 被发送到蒸发器，81 kW 被储存。这些季节显示出明显的接收器和头部损失，特别是在太阳辐射不足的条件下。这种过渡性的季节性行为表明，系统性能不仅依赖于夏季的峰值辐照度，还依赖于中间季节中对适度太阳能输入和储存利用的有效管理。
生物质作为一种补偿能源，在太阳能不足期间稳定系统。在冬季，生物质子系统以峰值运行，输入量为 691 kW，产生了 617 kW 的热能（以热燃烧气体的形式）。这些气体主要被引导至热交换器 1（472 kW）和热交换器 2（82 kW），为蒸发器和空气预热器提供热量。尽管有大量利用，但损失仍然达到 154 kW，占输入量的大约 22%，在所有季节中相当。在春季，生物质输入减少到 529 kW，产生了 473 kW 的热气体。夏季的生物质消耗最低（输入量 318 kW，输出量 284 kW），与丰富的太阳能供应相吻合。在秋季，生物质份额再次增加（635 kW），贡献了 567 kW 的热气体以抵消下降的太阳能生产力。这种季节性的生物质消耗调节提高了燃料利用效率，并在高太阳辐射期间减少了不必要的生物质依赖，从经济和环境角度来看都是有益的。
蒸发器位于 RORC 系统的核心，整合了来自太阳能和生物质子系统的热输入。无论能源来源如何季节性变化，蒸发器始终接收到大约 729-734 kW 的组合热输入（例如，在冬季为 472 + 257 kW），从而为涡轮机和热交换器提供了稳定的热输出。电力产量保持恒定为 100 kW 净值（≈111-117 kW 沸轮机机械功率），蒸发器的季节性损失率适中，冬季为 6.7 kW，夏季为 9 kW。夏季蒸发器较高的损失可能归因于入口温度升高和增加的热量排放需求。热水热交换器（冷凝器）每个季节接收大约609–611千瓦的热能，产生稳定的热水输出为578–580千瓦，损失率低于0.5%。这种有用的热输出适用于低温到中温的应用，包括区域供热系统、工业过程热、温室加热和家庭热水供应。根据联合发电系统的标准技术经济建模实践，热输出被视为连续使用的能量流，具有相对稳定的基荷特性。由于本研究的目的是在稳态运行条件下评估季节性热力学性能和整个系统的可行性，因此对最终用户需求概况、分配基础设施或区域供热网络整合的详细建模超出了本研究的范围。需要注意的是，热能储存（TES）在平衡供需时间不匹配方面起着关键作用。夏季，TES捕获324千瓦的热量，并将其储存起来以供后续使用，无论是高峰需求时期还是光照不足的时期。春季和秋季，TES分别储存88千瓦和81千瓦的热量，提高了运营灵活性。冬季，TES释放260千瓦的热量以支持蒸发器的运行并弥补季节性的太阳能不足。这种释放的不是来自夏季操作的长期储存，而是来自冬季白天的可用太阳能的短期储存。尽管冬季的日照强度不足以提供持续的热能供应，但在晴朗的日子里间歇性的太阳能输入允许部分TES充电，随后这些热量被释放出来以稳定系统运行并保持恒定的输出。TES的这种双向功能突显了它在增强系统可靠性和实现季节性变化中的有效负荷平衡方面的战略作用。因此，TES不仅仅是一个辅助储存单元，而是一个直接支持混合CHP系统可调度性和季节性韧性的运营稳定器。这种从季节性层面进行的详细评估强调了储存如何在全年可靠性中发挥作用——这是这项季节性分析所独特揭示的。
5.2. 技术经济分析
5.2.1. 经济性能指标
对提出的太阳能-生物质联合发电系统进行了技术经济分析，涵盖了各个季节以及太阳能作为唯一输入源的基准情景。结果列在表6中，其中展示了关键指标，包括净现值（NPV）、简单回收期和折现回收期（SPB/DPB）、内部收益率（IRR）、盈利能力指数（PI）以及电力和热力的平准化成本（LCOE/LCOH）。
表6. 太阳能-生物质联合发电系统的经济评估结果（仅考虑太阳能情况及各季节）
| 季节 | NPV (�) | SPB (years) | DPB (years) | PI (%) | IRR (%) | LCOE (�/kWh) | LCOH (�/kWh) |
|------------|------------|------------|------------|-----------|------------|------------|
| 冬季 | 1.63 | 3.24 | 4.11 | 1.63 | 30.7 | 0.238 |
| 春季 | 1.82 | 3.03 | 3.81 | 1.81 | 29.0 | 0.229 |
| 夏季 | 2.06 | 2.79 | 3.43 | 2.06 | 35.8 | 0.219 |
| 秋季 | 1.73 | 3.24 | 1.73 | 1.47 | 0.235 | 0.239 |
| 仅太阳能情况 | 2.45 | 2.45 | 2.95 | 40.7 | 100 | 0.033 |
仅使用太阳能的配置显示出最高的技术经济吸引力，NPV为245万欧元，PI为2.47，IRR为40.7%。这种情景具有最短的SPB和DPB（分别为2.45年和2.95年），以及最低的LCOE（0.2010欧元/千瓦时）和LCOH（0.0338欧元/千瓦时），反映了没有生物质燃料成本及相关运营费用。这种优越的性能可以归因于完全依赖太阳能，尽管太阳能是间歇性的，但在燃料支出方面被认为是免费的。然而，这种配置在实际季节条件下并不是完全可调度的，因此它仅作为一个理论参考案例，而不是一个持续可靠的运行情景。相比之下，季节性混合配置将生物质作为备用能源，以确保全年恒定的100千瓦电力输出。技术经济指标随季节变化而变化，主要是由于日平均辐照度（DNI）的不同，因此维持系统稳定运行所需的生物质比例也不同。冬季的技术经济指标最为不利，NPV最低（163万欧元），DPB最长（4.11年），LCOE最高（0.2381欧元/千瓦时）。相应的LCOH也达到了最大值（0.0400欧元/千瓦时），反映了为补偿减少的太阳能输入而需要增加的生物质利用率。这表明较低的太阳能可用性不仅增加了燃料消耗，还通过延长资本回收期降低了投资吸引力。
春季和秋季的性能处于中间水平，LCOH值分别为0.0387欧元/千瓦时和0.0396欧元/千瓦时。这些季节受益于适度的太阳能贡献，减少了生物质依赖，从而降低了电力和热力的生产成本。夏季在季节性混合案例中表现最佳，NPV为206万欧元，PI为2.06，IRR为35.8%。LCOE和LCOH也达到了最低的季节性值（分别为0.2192欧元/千瓦时和0.0369欧元/千瓦时），这是由于较高的太阳能可用性和较低的生物质消耗。从联合发电的角度来看，LCOH反映了系统总支出中有用热输出的平均成本分配，而这些热输出是作为电力生成的副产品产生的。因此，LCOH的变化直接反映了生物质利用率和整体系统效率的变化，而不是独立的热需求假设。这些发现表明，系统的盈利能力在很大程度上取决于季节性太阳能的可用性：较高的太阳能份额可以减少燃料消耗并降低电力和热力的平准化成本，而以生物质为主的运行则会增加运营成本强度。
5.2.2. 与其他系统的基准测试和比较
所提出的混合系统的LCOE值（0.219–0.238欧元/千瓦时）在文献中报告的小型太阳能辅助ORC和混合生物质-太阳能CHP系统的范围内。例如，一个最近由ORC驱动的混合太阳能-生物质微CHP系统的LCOE值在0.072至0.133欧元/千瓦时之间，LCOH值在0.036至0.067欧元/千瓦时之间，具体取决于系统配置和运行条件[57]。同样，Patil等人[58]报告称，带有热能储存的太阳能ORC系统在分散式应用中可以实现最低的LCOE值约为0.19美元/千瓦时，而小型分布式太阳能ORC系统由于规模限制和较高的特定投资成本，LCOE值可能高达0.35美元/千瓦时[59]。相比之下，公用事业规模的PV系统可能实现更低的最低LCOE值，约为0.12美元/千瓦时；然而，这些值通常与不使用电池储存的并网运行相关，且容量利用率较低。对于类似的调度水平，带有储存的PV系统LCOE值可能高达0.26美元/千瓦时[B2]。因此，尽管所提出的混合系统的电力生成成本略高于大型PV系统，但它提供了全年可调度的运行以及同时生产有用的热能，而无需大型电池储存系统。与传统仅使用生物质的CHP系统相比，整合太阳能热能减少了每年的生物质消耗、燃料依赖性和环境影响。Algieri和Morrone[12]报告称，混合太阳能-生物质CHP配置可以将生物质消耗减少多达48.9%，同时从低太阳能辐射条件下提高电力产量并提高系统灵活性。此外，与基于热泵的加热解决方案相比，该系统同时提供来自可再生能源的电力和有用热能，特别适合于-grid接入受限的分散式和离网应用。Olympios等人[60]表明，在当前运行条件下，集中式CHP系统在经济学上仍然优于空气源和地源热泵，而热泵虽然具有更强的脱碳潜力，但更依赖于稳定的电力供应和电网集成。这些比较证实了所提出的混合太阳能-生物质CHP系统在经济可行性、运营灵活性和全年可靠的可调度能源供应之间提供了竞争性的平衡。
5.2.3.敏感性分析
为了评估混合联合发电系统的稳健性和经济灵活性，在夏季和冬季运行条件下进行了敏感性分析，这些条件代表了太阳能可用性和生物质利用的最佳和最坏情况。考虑这两种情况可以提供更全面的系统性能评估，并增强结果在实际和市场导向应用中的可靠性。分析了三个关键参数——生物质价格、电力售价和热力售价——对系统经济指标的影响，如图8(a–f)所示。
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图8. 混合联合发电系统在夏季和冬季条件下的关键经济指标敏感性分析：(a–b) 生物质价格，(c–d) 电力售价，(e–f) 热力售价，展示了NPV、IRR、PI和SPB的变化。
图8(a–b)显示了生物质价格（0.05至0.1美元/公斤）对夏季和冬季条件下NPV、IRR、PI和SPB的影响。在这两种情况下，生物质价格的增加都对所有经济指标产生了负面影响。夏季，NPV从220万欧元下降到197万欧元（减少了10.6%），而IRR从37.4%下降到34.7%。同样，PI从2.2下降到1.9，SPB从2.7年略微增加到2.9年。冬季观察到了类似的趋势；然而，影响更为明显。NPV从192万欧元下降到142万欧元（减少了26.2%），IRR从34.2%下降到28.2%。此外，PI从1.92下降到1.41，而SPB从2.92年增加到3.53年。冬季的更强敏感性主要是由于太阳能可用性降低，导致对燃料成本变化的敏感性增加。相比之下，夏季太阳能的更大贡献缓解了这种影响，从而降低了经济敏感性。
图8(c–d)显示了电力售价（0.06–0.14美元/千瓦时）对夏季和冬季条件下系统经济性能的影响。夏季，随着电力价格的增加，系统的经济性显著改善，NPV从172万欧元增加到223万欧元（增加了29.7%）。同样，IRR从31.7%增加到37.8%，PI从1.7增加到2.2，而SPB从3.1年减少到2.6年。冬季也观察到了类似的趋势；然而，整体经济性能仍然较低。NPV从129万欧元增加到180万欧元（增加了39.7%），而IRR从26.6%增加到32.7%。此外，PI从1.28增加到1.79，SPB从3.73年减少到3.05年。结果表明，电力价格是两个季节中经济可行性的主要驱动因素，因为系统具有持续的100千瓦电力输出。然而，冬季的相对较低性能是由于更高的生物质消耗和运营成本。这些发现表明，虽然有利的电力定价机制（如上网电价）显著提高了盈利能力，但其对抵消冬季运行相关的经济劣势更为关键。
图8(e–f)显示了热力售价（0.05–0.14美元/千瓦时）对夏季和冬季条件下经济指标的影响。夏季，热力价格对系统经济性有显著影响，NPV从96万欧元增加到286万欧元。同样，IRR从22.6%增加到45.2%，PI从0.96增加到2.85，而SPB从4.4年减少到2.2年。冬季也观察到了类似的趋势；然而，绝对值仍然较低。NPV从53万欧元增加到243万欧元，而IRR从17.2%增加到40.1%。此外，PI从1.28增加到1.79，SPB从3.73年减少到3.05年。结果表明，在两个季节中，电力价格是经济可行性的主要驱动因素，因为系统具有持续的100千瓦电力输出。然而，冬季的相对较低性能是由于更高的生物质消耗和运营成本。这些发现表明，虽然有利的电力定价机制显著提高了盈利能力，但其对抵消冬季运行相关的经济劣势更为关键。
5.2.4. 季节性生物质消耗和运营成本
在本节的最后，为了量化系统的生物质需求，将模拟得到的季节性质量流量转换为基于每年7500小时运行的每日和年消耗量。如表7所示，生物质消耗量随季节性太阳能可用性的变化而显著变化，夏季约为1.50吨/天，冬季约为3.25吨/天。考虑到西班牙小麦秸秆的生物质成本为79.1欧元/吨，相应的每日燃料成本从夏季的约119欧元/天增加到冬季的257欧元/天。年平均生物质消耗量约为933吨/年，年度成本约为7.4万欧元。这些结果突显了在低太阳能资源期间对生物质的更大依赖性及其对运营成本的直接影响。
表7. 季节性生物质消耗及其相关成本
| 季节 | 生物质流量 (kg/s) | 生物质消耗 (t/day) | 生物质成本 (�/day) | 年生物质消耗 (t/year) |
|------------|-------------|----------------|----------------|----------------|
| 冬季 | 0.044 | 3.25 | 257 | 1188 |
| 春季 | 0.033 | 2.49 | 197 | 910 |
| 夏季 | 0.020 | 2.15 | 1195 | 45 |
| 秋季 | 0.040 | 2.99 | 237 | 109 |
这些结果强调了在低太阳能资源期间对生物质的更大依赖性及其对运营成本的直接影响。生命周期评估
鉴于所提出的混合太阳能-生物质联合循环热电（RORC）系统的联产特性——该系统能够同时产生电能和热水——有必要在各种输出之间分配环境影响，以便获得准确且有意义的生命周期评估结果。在本研究中，遵循ISO 14044指南采用了经济分配方法，该指南建议在副产品服务于不同市场且无法进行功能替代的情况下使用经济分配[39]。表8展示了每种季节运行模式下的经济分配比率。在所有配置中，经济价值的分配相对一致，大约19.4-19.6%的总价值归因于电力生产，剩余的80.4-80.6%归因于热水生产。这些轻微的变化主要是由于不同季节热能和电能产量的边际差异所致。相对稳定的分配因素表明，尽管太阳能贡献和生物质消耗存在季节性变化，系统的联产结构在整个年度内仍保持热力学平衡。这种稳定性提高了季节间环境比较的一致性，并避免了由于产品价值波动而导致的重大影响分配偏差。
表8. 不同季节下混合太阳能-生物质联产系统的经济分配（功能单位：1千瓦时电力）
| 输出 | 经济价值 | |
|-----------|--------------|------------|
| 电能 | 0.114 �/kWh | 19.43 |
| 热水 | 0.079 �/kWh | 80.57 |
| | | 80.43 |
| | | 80.54 |
这种分配方式确保了与系统组件（例如生物质燃烧、太阳能场基础设施、辅助设备）相关的环境负担在两种产品流之间得到公平分配，并避免因未考虑副产品的效用而高估1千瓦时的电力生命周期评估结果。
对于这种混合太阳能-生物质联产系统的生命周期评估，同时采用了全程法和终点法。表9和表10分别展示了基于1千瓦时电力功能单位的不同季节的特征化结果，并应用了由于热水联产而进行的经济分配。
表9. 所有季节中不同环境类别的中途分析环境影响（功能单位：1千瓦时电力）
| 影响类别 | 单位 | |
|------------|---------------|------------|
| 气候变化 | kg CO2当量 | 5.218×10^-14 |
| | | 4.794×10^-1 |
| 电离辐射 | kBq Co-60当量 | 3.509×10^-3 |
| | | 2.716×10^-3 |
| 平流层臭氧消耗 | kg CFC-11当量 | 2.73×10^-9 |
| | | 3.81×10^-9 |
| 细颗粒物形成 | kg PM2.5当量 | 8.59×10^-4 |
| | | 4.09×10^-4 |
| 臭氧形成（人类健康）| kg NOx当量 | 1.8×10^-5 |
| | | 1.51×10^-5 |
| 臭氧形成（陆地生态系统）| kg NOx当量 | 1.81×10^-5 |
| | | 2.52×10^-5 |
| | | 1.4×10^-5 |
| 陆地酸化 | kg SO2当量 | 4.027×10^-3 |
| | | 3.109×10^-3 |
| | | 3.704×10^-3 |
| 海洋富营养化 | kg N当量 | 2.15×10^-7 |
| | | 1.81×10^-7 |
| | | 2.99×10^-7 |
| | | 1.66×10^-7 |
| 淡水富营养化 | kg P当量 | 2.23×10^-6 |
| | | 1.88×10^-6 |
| | | 3.11×10^-6 |
| | | 1.73×10^-6 |
| 陆地生态毒性 | kg 1,4-DCB当量 | 1.993×10^-2 |
| | | 1.678×10^-2 |
| | | 2.777×10^-2 |
| | | 1.542×10^-2 |
| | | 7.82×10^-4 |
| | | 6.05×10^-4 |
| | | 6.29×10^-4 |
| | | 5.3×10^-4 |
| | | 4.87×10^-4 |
| | | 6.29×10^-4 |
| | | 3.36×10^-4 |
| | | 2.83×10^-4 |
| | | 4.69×10^-4 |
| | | 2.6×10^-4 |
| | | 6.38×10^-3 |
| | | 5.371×10^-3 |
| | | 8.889×10^-3 |
| | | 4.938×10^-3 |
表10. 所有季节中不同环境类别的终点分析环境影响（功能单位：1千瓦时电力）
| 影响类别 | 单位 | |
|------------|---------------|------------|
| 人类健康（DALY） | 1.04×10^-6 | 8.03×10^-7 |
| 生态系统（物种·年） | 2.14×10^-9 | 1.65×10^-9 |
| 资源（美元2013年） | 3.5×10^-4 | 2.94×10^-4 |
| | | 4.87×10^-4 |
| | | 2.71×10^-4 |
如表9所示，系统的环境负担存在显著的季节性差异。夏季通常在大多数类别中表现出最低的影响值，而冬季的影响值最高。这一趋势主要归因于夏季太阳能的大幅贡献，减少了生物质燃烧的依赖，后者与更高的排放和资源消耗相关。例如，气候变化潜力在夏季最低（0.247 kg CO2当量），而在冬季最高（0.522 kg CO2当量），这直接源于高太阳辐照条件下生物质使用量的减少。在陆地酸化、细颗粒物形成和化石资源稀缺等类别中也观察到了类似的减少，表明生物质消耗与污染物生成之间存在强相关性。这表明季节性的太阳能可用性直接影响系统的环境特征，通过减少对基于燃烧的热能供应及其相关排放来发挥作用。与生态毒性相关的指标（如淡水、海洋和陆地生态毒性）也表现出相同的趋势，夏季的负担最低，可能是因为减少了运输、储存和生物质燃烧。平流层臭氧消耗类别是一个例外，其夏季值最高（3.81×10^-9 kg CFC-11当量）。这种异常可能源于在高辐射月份制冷剂使用的增加或太阳能热组件中的特定上游过程更为活跃。
表10展示了终点分析结果，将环境影响总结为对人类健康、生态系统和资源的损害。结果显示，人类健康损害（以DALY为单位）在夏季最低（4.96×10^-7 DALY），在冬季最高（1.04×10^-6 DALY），这主要是由于有毒物质和颗粒物的排放减少。生态系统损害（物种·年）也呈现出类似的趋势，表明夏季的土地使用、富营养化和酸化影响较低。资源消耗（以2013年美元计，根据Simapro中的ReCiPe终点法定义）在夏季最高（4.87×10^-4 USD2013），这看起来有些矛盾。
总之，生命周期评估结果表明，由于太阳能的主导地位和对生物质燃烧的依赖减少，夏季具有明显的环境优势。冬季的运营仍然是环境上最密集的，突显了季节性混合配置在能源可靠性和环境可持续性之间的权衡。这证实了通过增加生物质支持来提高系统的调度能力可以增强运营可靠性，但代价是更大的环境负担，特别是在气候变化和人类健康类别上。为了验证观察到的环境趋势，与类似的混合太阳能-生物质和基于生物质的CHP系统的生命周期评估研究进行了比较。Zhang等人[61]对一个混合太阳能-生物质能源供应系统进行了生命周期评估，表明环境性能强烈依赖于系统配置和能源来源的整合。他们的结果表明，虽然建设阶段对总环境负担有显著贡献，但太阳能和生物质能源的结合可以减少不可再生能源消耗、气候变化潜力、酸化和富营养化影响， compared to 传统基于化石的替代方案。然而，该研究也强调，过高的太阳能占比可能会增加某些环境负担，强调了优化太阳能和生物质贡献平衡的重要性。Isler-Kaya等人[62]对基于木质生物质的联合热电系统进行了生命周期评估，证明基于生物质的CHP配置可以显著减少温室气体排放，尤其是在有效利用热回收的情况下。他们的结果表明，生物质CHP系统的环境性能强烈依赖于原料处理路径和系统配置，全球变暖潜力值 Depending on the case 范围从-78.63到74.4 g CO2-eq/kWh。这些发现与环境趋势行为和系统配置对生命周期影响的作用在定性上是一致的。
图9和图10展示并比较了所提出的混合太阳能-生物质联产循环在四个季节中的标准化环境影响。所有标准化值都使用对数尺度绘制，以便有效捕捉影响幅度的广泛动态范围。
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图9. 四个季节中混合太阳能-生物质联产系统的标准化中途环境影响（功能单位：1千瓦时电力）
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图10. 四个季节中混合太阳能-生物质联产系统的标准化终点环境影响（功能单位：1千瓦时电力）
如图9所示，标准化的中途影响类别显示了几个环境指标在不同季节中的显著季节性变化，反映了混合联产配置中生物质和太阳能份额之间的动态互动。由于生物质燃烧较多，全球变暖潜力在冬季和秋季最高，在夏季最低，此时太阳能占主导地位。细颗粒物形成和陆地酸化的模式类似，这也反映了寒冷季节中与生物质相关的较高排放。这表明在太阳能供应不足的条件下，生物质燃烧的运营排放是中间点环境负担的主要驱动因素。相比之下，平流层臭氧消耗、海洋富营养化和生态毒性影响在夏季达到峰值，在秋季较低。这种行为可能与运营辅助需求、流体处理以及在高辐照条件下的太阳能子系统运行相对贡献有关，而不仅仅是直接的生物质相关排放。
春季和秋季在大多数类别中表现出中等的环境影响，但与春季相比，秋季在大多数类别中的影响较高，特别是在细颗粒物、全球变暖和陆地酸化方面。这种差异主要归因于秋季为维持恒定电力输出所需的更高生物质需求。矿物和化石资源稀缺在夏季最高，这与太阳能基础设施的材料强度一致。水消耗也显示出类似的模式，在夏季最高，在秋季最低。由于本研究采用了从门到门的系统边界，这些影响主要反映了系统运行期间的运营资源使用和辅助过程需求，而非整个上游基础设施制造的影响。
图10显示了所提出的混合太阳能-生物质联产循环在四个季节中的标准化终点环境影响。冬季的人类健康影响最为显著，证实了在高生物质使用下空气污染物排放的主导地位。生态系统质量也呈现出类似的趋势，夏季的较低影响反映了酸化和有毒排放的减少。有趣的是，资源可用性影响在夏季最高，这与太阳能基础设施的增加使用和相关矿物资源投入一致。
季节性比较分析展示了太阳能-生物质混合化的环境效益：
- 夏季的太阳能贡献显著改善了环境性能，在几乎所有类别中减少了影响，除了资源稀缺。
- 在冬季，对生物质的依赖确保了能源连续性，但代价是更高的环境负担，尤其是在排放相关类别中。
- 因此，混合化在可持续性和可靠性之间取得了平衡，使得全年都能产生电力，同时平均影响较低。
这些发现证实了季节性运营管理在优化环境性能和系统可靠性方面起着关键作用，太阳能利用和生物质备份之间的平衡决定了混合CHP运营的可持续性。这种季节性灵活性支撑了混合系统作为具有弹性、响应气候的能源选项的优势。
6. 结论
本研究对一个结合了热能储存和再生有机朗肯循环（ORC）的混合太阳能-生物质联产系统进行了全面的季节性评估，该系统能够同时产生电能和有用热能。该系统旨在在西班牙萨拉曼卡的多种季节性太阳能条件下保持100 kW的恒定电力输出和约595 kW的有用热能。通过显式考虑季节性变化而不是依赖年均条件，本研究提供了对系统行为的更现实评估，并揭示了太阳能可用性、生物质调度和热能储存操作之间的动态互动。结果确认了太阳能和生物质能源来源之间的强互补性。在高辐照期间，太阳能成为主要的热能贡献者，在夏季达到1691 kW，而在冬季，生物质弥补了太阳能的减少，最大热能贡献为691 kW。这种季节性资源平衡使得CHP能够连续运行，而不会导致任何子系统的过度规模。年度平均CHP效率达到了39.2%，季节性数值在夏季为34.6%，冬季为44%。较高的冬季效率主要归因于生物质提供的稳定且可控的热能输入，而夏季运营则受益于更高的太阳能集热器和场效率（分别为57.3%和55.9%）。这些发现表明，总系统效率更多地受到能源来源分配策略的影响，而非孤立子系统的性能。热能储存通过减少太阳能可用性和系统需求之间的不匹配发挥了关键运营作用。在夏季，热能储存可以储存多达324 kW的多余太阳能热能，而在冬季则可以在辐照不足期间为蒸发器操作提供多达260 kW的支持。这证实了热能储存作为短期运营稳定器的作用，而非长期季节性储存机制，显著提高了系统的灵活性和运营可靠性。
技术经济分析显示，经济性能与季节性太阳能贡献密切相关。夏季在混合运行模式中呈现出最有利的经济条件，内部收益率（IRR）为35.8%，净现值（NPV）为206万欧元，最低的季节性LCOE为0.219 �/kWh，LCOH为0.0369 �/kWh。相比之下，由于生物质消耗和燃料依赖性的增加，冬季的LCOE最高，为0.238 �/kWh。这揭示了一个重要的权衡：生物质提高了调度能力和运营安全性，但引入了明显的经济代价。与已发表的太阳能辅助ORC和混合生物质-太阳能CHP系统的比较证实，获得的经济指标处于竞争范围内，并且所提出的系统在成本、可靠性和联产能力之间提供了平衡的折中。
生命周期评估进一步展示了季节性运营的环境影响。夏季在大多数中间点和终点类别中显示出最低的环境负担，其气候变化潜力降至0.247千克二氧化碳当量/千瓦时（kg CO2-eq/kWh）；而冬季由于生物质燃烧加剧，这一数值上升至最高点0.522千克二氧化碳当量/千瓦时（kg CO2-eq/kWh）。人类健康和生态系统受损的情况也呈现相似的趋势。然而，在以太阳能为主的情况下，由于太阳能热能基础设施的材料密集度较高，资源消耗相对较高。这表明不能仅通过单一指标来评估环境性能：以生物质为主? ?? ??? ? ?? ??? ???? ??, ???? ?? ?????? ?? ?? ??? ??? ?? ?? ??? ???? ? ????. ??? ??? ?? ??? ??? ??? ???? ???, ??? ???? ???? ???? ???. ?? ??? ???? ???? ??? ????? ????? ???? ??? ? ???? ?? ????? ???? ?? ??? ????? ????, ?? ????? ??? ??? ?? ??? ?? ????? ?? ??? ?? ??? ??? ???? ? ??? ??????. ? ???? ???? ???? ????? ?? ?? ???? ??? ? ??? ??? ? ?? ???? ?????.
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