太阳能驱动超临界二氧化碳循环与有机朗肯循环耦合的多联产系统热经济性评估

本文针对可再生能源高效利用和废热回收的挑战，研究了一种混合太阳能驱动的超临界二氧化碳(sCO2)循环与有机朗肯循环(ORC)耦合的多联产系统。研究人员通过热力学建模和经济性分析，发现该混合系统比独立sCO2循环效率提高68.5%，净功率输出达6062 kW，并可通过蒸汽甲烷重整(SMR)以62.87 kg/h的速率生产氢气。这项研究为开发高效、低碳的多联产能源系统提供了重要技术参考。

随着全球能源需求持续增长和气候变化问题日益严峻，开发清洁、高效的可再生能源技术已成为当务之急。传统化石燃料不仅资源有限，其使用过程中产生的大量二氧化碳(CO₂)排放更是加剧了全球温室效应。在这一背景下，太阳能作为一种储量丰富、分布广泛的可再生能源，受到了研究人员的广泛关注。聚光太阳能发电(CSP)技术通过聚光装置将太阳能转化为热能，再驱动动力循环发电，展现出巨大潜力。然而，太阳能具有间歇性和不稳定性，如何实现持续稳定的能源供应仍是当前面临的主要挑战。

与此同时，在工业领域，柴油发动机等设备运行过程中产生的大量废热往往被直接排放到环境中，造成了能源的严重浪费。将这些低品位废热进行回收利用，与太阳能互补，构建混合能源系统，是提高能源综合利用效率的有效途径。超临界二氧化碳(sCO₂)动力循环因其工作流体具有独特的热物理性质，在高温应用中表现出优越的性能，而有机朗肯循环(ORC)则擅长将中低温热源转化为电能。将这两种循环有机结合，并集成氢能生产单元，有望实现能源的梯级利用和多联产，大幅提升系统整体效率。

为了深入探究这一技术路线的可行性，来自拉杰沙希工程技术大学的研究团队在《Energy Conversion and Management-X》上发表了一项创新性研究，题为"Thermo-economic assessment of hybrid solar-driven supercritical CO₂ cycle for multi-generation system"。该研究设计并评估了一种结合抛物线槽式集热器(PTC)、sCO₂循环、ORC循环、柴油机废热回收和氢能生产单元的混合多联产系统。

研究人员采用了多种关键技术方法开展此项研究。他们利用Daniel Wagner Simulator(DWSIM)软件进行系统建模和仿真，结合系统顾问模型(SAM)和Homer Pro软件获取辅助数据。研究基于热力学第一和第二定律建立了各组件的能量和㶲平衡方程，采用Bell-Delaware方法计算换热器的传热系数和压降。经济性分析方面，研究人员计算了比投资成本(SIC)，并考虑了抛物线槽式集热器、导热流体(HTF)和储热罐等相关成本。系统验证部分通过将模拟结果与已有实验数据进行比较，误差控制在合理范围内。

系统设计与建模方法

研究人员设计了一个综合能源系统，其中抛物线槽式集热器(PTC)使用Therminol VP-1作为导热流体收集太阳能并储存于热罐中。系统采用sCO₂作为顶循环，ORC作为底循环，以R245fa为工质回收sCO₂循环和柴油机排气的余热。当太阳能不足时，柴油机排气作为备用热源确保系统连续运行。额外的氢能生产单元通过蒸汽甲烷重整(SMR)过程利用系统余热生产氢气，使整个系统实现电氢联产。

热力学性能分析

研究结果表明，混合系统的热力学性能显著优于独立的sCO₂循环。在250 bar压力、82 kg/s的质量流量和275.4°C的冷罐温度等最优操作参数下，混合系统的净功率输出达到6062 kW，比独立sCO₂循环提高了68.5%的效率。sCO₂循环和ORC循环的协同作用实现了能量的梯级利用，大幅提升了系统整体性能。

经济性评估

经济性分析显示，该混合系统的比投资成本(SIC)为5237 /kW。虽然初始投资高于传统发电系统，但系统的多联产特性使其具有更好的经济可行性。平准化度电成本(LCOE)计算为0.28/kWh，在可再生能源系统中处于竞争力水平。成本细分表明，sCO₂涡轮机、压缩机、ORC冷凝器等是系统中最昂贵的组件。

氢能生产潜力

集成氢能生产单元是本研究的一大亮点。研究发现，当甲烷质量流量为288 kg/h时，系统可高效生产氢气，速率达62.87 kg/h，甲烷成本为100.8 $/h。通过蒸汽甲烷重整过程，系统将多余热能转化为氢能，进一步提高了能源综合利用效率，使系统成为真正的多联产系统。

㶲分析结果

㶲分析揭示了系统中各组件的能量损失分布。sCO₂预冷器是系统中㶲损失最大的组件，占总损失的26%，其次是sCO₂涡轮机。在ORC系统中，涡轮机、预热器和冷凝器是主要的㶲损失源。这一分析为系统进一步优化指明了方向。

环境适应性评估

研究还评估了系统在孟加拉国朗布尔地区的环境适应性。该地区太阳能辐射量在4-6.5 kWh/m²/天之间，适合太阳能发电应用。系统设计考虑了季节性变化，通过双罐储热系统和柴油机备用热源确保全年稳定运行。模拟结果显示，系统在25年寿命期内可保持稳定的发电性能。

这项研究的结论部分强调了混合太阳能驱动sCO₂-ORC多联产系统在提高能源效率、减少碳排放方面的巨大潜力。与传统能源系统相比，该系统不仅实现了更高的能源转换效率，还通过氢能生产扩展了能源产出形式，为构建可持续能源基础设施提供了创新解决方案。

讨论部分指出，虽然系统初始投资较高，但其多联产特性和高效性能使其在全生命周期内具有经济竞争力。未来研究可重点关注系统动态特性分析、生命周期成本评估以及实际工程应用验证。此外，将系统与智能能源管理系统结合，实现与电网的协同优化，也是值得探索的方向。

这项研究为可再生能源的高效利用提供了重要技术路径，特别是在太阳能资源丰富且具有工业废热资源的地区，该技术路线具有广阔的应用前景。通过电氢联产，系统不仅能够满足电力需求，还能为交通、化工等行业提供清洁氢能，推动多部门协同脱碳，对实现碳中和目标具有重要意义。