聚光太阳能（CSP）电站的联合冷却系统：建模、实验验证与优化分析

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Combined cooling for CSP plants: Modeling, experimental validation and optimization analysis

聚光太阳能发电（CSP）中，结合干冷（DC）和湿冷（WCT）的多配置冷却系统模型被提出并实验验证。该模型通过调节阀门实现五种配置（仅DC、仅WCT、串联、并联、串并联），在200 kW试点 plant 中，温度误差低于0.97°C，水耗误差19.4 l/h。优化分析显示，夏季高温时湿冷系统不可或缺，可降低90%水耗但增加电耗；冬季干冷更高效，电耗可减少50%以上。研究为CSP能效优化和水资源节约提供了新方法。

　　全球能源结构正在经历显著转型，从传统的化石燃料转向更依赖可再生能源，如太阳能、风能和水能。在这一过程中，集中式太阳能热发电（CSP）技术因其能够以较低成本进行能量储存的能力而脱颖而出，这种特性使得CSP在没有直接太阳辐射的情况下仍能提供可调度的电力，这是其他可变输出的可再生能源，如光伏和风能，所不具备的。为了显著推动CSP技术的发展，提高其效率以增强成本竞争力至关重要。CSP的效率受到蒸汽冷凝温度的影响，而冷凝热的排放则是通过冷却系统来实现的。因此，针对CSP的冷却系统进行研究和优化具有重要意义。

传统的冷却系统主要分为湿式冷却塔（WCT）和干式冷却（DC）两种。WCT能够实现较低的冷凝温度，接近环境湿球温度，从而提高循环效率和发电量。然而，这种方法需要大量的水来补偿蒸发、漂移和排污损失。相比之下，DC系统使用环境空气作为散热介质，避免了水的使用，但其热性能在高温环境下有所下降，并且伴随更高的电力消耗。因此，结合WCT和DC的混合冷却系统（CC）成为研究的热点，因其在兼顾效率和水资源节约方面展现出潜力。

在西班牙，CSP技术的发展尤为突出，目前安装容量为2.3 GW，预计到2030年将达到4.8 GW。这一增长趋势表明，开发高效的冷却系统对于CSP项目的可持续发展至关重要。现有的研究表明，混合冷却系统在不同气候条件下可以实现更灵活的运行模式，例如并联、串联、并联-串联、仅WCT或仅DC等。这些系统在某些情况下能够减少高达85%的用水量，同时仅导致15%的效率损失，显示出其在资源优化方面的优势。

研究中提出了一种结合WCT和DC的混合冷却系统模型，并通过实验数据验证了其在多种运行配置下的表现。该模型适用于200 kW的试点电厂，取得了系统温度的平均绝对误差（MAE）低于0.97°C和水消耗量误差为19.4 l/h的优异结果。这表明，该模型在预测系统性能方面具有较高的准确性。此外，通过优化分析，研究还展示了混合冷却系统在不同季节和运行条件下提供适应性冷却的潜力。例如，在夏季，通过并联-串联配置的DC和WCT结合，可以实现几乎连续的单位电能消耗变化，从仅DC模式下的0.06 kW_e/kW_th，到仅WCT模式下低至90%的电能消耗，同时保持较低的水使用成本。

实验和建模过程中，研究团队对混合冷却系统中的关键组件进行了详细分析，包括湿式冷却塔、干式冷却器和表面冷凝器。湿式冷却塔的性能通常通过Merkel数来评估，而该数在实际操作中受到水-气质量流量比的影响。为了提高模型的准确性，研究采用了Poppe模型，该模型能够预测湿空气的性质和蒸发损失，比传统的Merkel方法和有效性-NTU方法更为全面。干式冷却器的建模则考虑了空气侧的对流换热系数，并通过实验数据拟合出空气侧努塞尔数与雷诺数之间的关系，从而更准确地预测其热性能。表面冷凝器的建模则基于热平衡方程，结合实验数据校准了全局传热系数，以确保模型的可靠性。

实验数据的收集和分析是模型验证的重要环节。研究团队在试点电厂中进行了多次实验，涵盖了广泛的运行条件和热负荷。这些实验不仅用于校准模型，还用于验证其在不同场景下的适用性。例如，通过实验数据，团队确定了WCT的Merkel数与水-气质量流量比之间的关系，并验证了干式冷却器的努塞尔数与雷诺数之间的关联。这些数据的收集和分析有助于提升模型的准确性，并确保其在不同气候条件下的适用性。

在模型验证过程中，研究团队计算了三个关键的性能指标：决定系数（R2）、平均绝对误差（MAE）和平均绝对百分比误差（MAPE）。结果显示，模型在预测温度和水消耗方面具有较高的精度，其中MAE分别为0.97°C和19.4 l/h。这表明，该模型能够可靠地预测混合冷却系统在不同运行条件下的性能，并为后续的优化分析提供了坚实的基础。

通过优化分析，研究团队评估了不同冷却配置下的电能和水消耗。结果显示，混合冷却系统能够在不同季节和运行条件下实现资源的最优配置。例如，在夏季，仅使用WCT会导致较高的水消耗，但结合DC则可以显著降低水使用量，同时保持较高的电能效率。而在冬季，DC单独运行可以有效减少电能消耗，同时仍能维持较低的冷凝温度，提高整体效率。这种灵活性使得混合冷却系统在不同气候条件下都能发挥重要作用。

研究还探讨了不同冷却配置对CSP性能的影响。例如，在并联-串联配置下，系统能够在较低的水消耗下维持较高的电能输出，同时在高温环境下减少对WCT的依赖。这种配置的灵活性使得CSP能够根据环境条件和水资源可用性进行动态调整，从而实现最佳的能源利用效率。

此外，研究还分析了不同冷却配置对电力生产的影响。例如，在仅使用DC的情况下，电能消耗较高，但可以完全避免水资源的使用。而在仅使用WCT的情况下，虽然电能消耗较低，但水消耗量显著增加。通过合理配置DC和WCT的比例，可以在保持高效率的同时减少水资源的使用，这对于水资源稀缺的地区尤为重要。

总的来说，该研究为CSP技术的冷却系统设计和优化提供了重要的理论支持和实验验证。通过建立详细的物理模型，并结合实验数据进行校准和验证，研究团队展示了混合冷却系统在不同气候条件下的适应性和优势。这些结果不仅有助于提升CSP的效率和经济性，还为未来的商业化应用提供了可行的方案。同时，研究团队提出的优化框架可以用于比较混合冷却系统与传统冷却系统的性能，为CSP技术的进一步发展提供了新的思路。