地热-光伏混合系统驱动多联产（ORC-HDH-PEM）的绿色氢能与淡水协同生产参数化研究

本文推荐一篇创新性地将地热能与光伏（PV）混合发电系统与有机朗肯循环（ORC）、加湿-除湿（HDH）海水淡化及质子交换膜（PEM）电解槽整合的研究。该系统在肯尼亚博戈里亚湖气候条件下实现电力（10 kWh/h）、绿氢（0.2 kg/h）和淡水（10.61 kg/h）联产，整体效率达29.1%，CO2减排4.99 kg/h。参数分析揭示地热流体温度与流量对性能的关键影响，经济性评估显示光伏扩容可使净现值（NPV）翻倍、内部收益率（IRR）超85%，为偏远地区清洁能源部署提供新范式。

　　

Highlight

本研究亮点在于提出了一种基于中低温地热与光伏（PV）混合的独立多联产系统，通过有机朗肯循环（ORC）、加湿-除湿（HDH）淡化和质子交换膜（PEM）电解槽的协同设计，实现了电力、绿氢和淡水的高效联产。系统在肯尼亚博戈里亚湖的高盐度水域（TDS达100,000 mg/L）环境中展现出独特优势，HDH技术凭借其耐高盐特性成为理想选择。

System description and working

系统核心流程如下：地热流体（1）流经蒸发器（2）加热ORC工质，膨胀发电后的有机工质（6）进入冷凝器，与冷水（7）换热后完成循环。光伏电力直接驱动PEM电解槽制氢，而ORC余热则供给HDH单元生产淡水，形成能源-资源闭环。

System modeling

模型基于MATLAB构建，输入参数包括地热温度（40–240^oC）、太阳辐照度（见图2）等。关键方程涵盖ORC热力学第一定律、PEM电解电压计算（式5）及HDH增益产出比（GOR）优化，GOR峰值达0.8。

Solution procedure

PVsyst软件完成光伏阵列优化设计，MATLAB计算ORC输出功率与PEM效率（63.7%）。迭代算法确保地热流体流量（2–10 kg/s）与ORC压力（1.5–3.5 MPa）等参数的动态耦合求解。

Results and Discussions

参数化分析显示：地热温度每升高20^oC，系统效率提升12%；光伏扩容至20 kW可使投资回报期缩短至1.2年。对比柴油发电，该系统的度电成本（0.055美元/kWh）与氢成本（4.75美元/kg）具备显著竞争力。

Conclusions

该混合系统为中低品位地热资源的高效利用提供了创新路径，尤其适用于热带气候偏远地区。未来研究可探索动态负载下的性能优化，推动可再生能源多联产技术的商业化落地。