太阳能驱动混合系统的多目标优化与性能分析：发电、海水淡化与燃料合成的协同创新

为解决可再生能源整合与多联产系统优化问题，研究人员开展了一项太阳能驱动混合系统的多目标优化研究。通过集成sCO2布雷顿循环、ORC、RO海水淡化、PEM电解制氢及甲醇合成单元，实现了52.6%的总?效率，并利用灰狼算法优化获得54.18%?效率、0.0744$/kWh的LCOE。该研究为可再生能源多联产系统设计提供了创新范式。

　　

在全球能源转型与碳中和背景下，如何高效利用太阳能实现电-水-燃料联产成为关键科学问题。传统太阳能热发电系统存在效率瓶颈（通常<40%），且难以兼顾淡水与绿色燃料生产。伊朗德黑兰大学能源工程系的Seyed Farhan Moosavian和Ahmad Hajinezhad团队在《Results in Engineering》发表的研究，通过创新性地整合七种技术模块，构建了迄今最完整的太阳能多联产系统。

研究团队采用"4E"分析方法（能源-?-经济-环境），重点突破了三重技术壁垒：一是sCO₂布雷顿循环在450-600℃中温区效率衰减问题；二是间歇性太阳能与连续化工生产的耦合难题；三是系统复杂度激增带来的优化困境。其核心创新在于将斐波那契螺旋排列的定日镜场、双罐熔盐储热、生物甲醇备用系统形成三级缓冲，配合前馈控制策略，使系统在DNI波动时仍能稳定输出。

关键技术方法包括：1) 基于黄金分割的定日镜场光学模型；2) sCO₂-ORC联合循环的热力学建模；3) BW30-400膜的RO脱盐动力学模拟；4) 胺法CO₂捕集与Cu/ZnO/Al₂O₃催化剂甲醇合成反应工程分析；5) 结合ANN与多目标灰狼算法(MOGWO)的5040组参数优化。

太阳能集热与储热系统

通过动态建模发现，采用?=1.618的径向间距布局使光学效率提升6.2%至64%。当熔盐出口温度从580℃升至660℃时，接收器?效率提高3%但能效下降，这源于辐射损失与有用能提升的博弈。

sCO₂-ORC动力循环

主循环压力从8MPa增至12MPa导致?效率线性下降，因压缩机功耗增幅达23%。而ORC采用n-丁烷工质，涡轮入口温度每提升10K可带来2.1%的?效率增益，最佳压力比锁定在2.25。

水-氢-甲醇联产

RO系统在60bar操作压力下实现60%回收率，产水0.2m³/h。PEM电解槽在2V电压下产氢14kg/h，与CO₂在250℃/50bar条件下合成甲醇63kg/h，但反应器因化学不可逆性成为?损最大单元（占系统总?损21%）。

多目标优化

六目标优化方案表现最优：决策变量中熔盐温度633℃、sCO₂压力比2.1、ORC涡轮入口406K的组合，使?效率达54.18%，LCOE降低至0.0744$/kWh。值得注意的是，甲醇合成单元的引入使系统在DNI<300W/m²时仍可维持83%的基准出力。

该研究开创性地证明了太阳能多联产系统的技术经济可行性：相比传统CSP电站，?效率提升50%以上，且每kWh电力联产3.6g绿色甲醇。作者特别指出，系统在阿联酋迪拜（DNI=540W/m²）应用时LCOE可降至0.0713/kWh，但在西班牙马德里（DNI=340W/m²）则需0.0912/kWh，凸显选址的重要性。未来工作将探索抛物槽集热器替代方案，并研究模块化设计以降低土地依赖。这项研究为沿海工业区的碳中和提供了可复制的技术模板。