具有热储能太阳能驱动多联产系统面向可持续沿海开发的环境与经济可行性：基于混合数据驱动方法的对比案例研究

《Process Safety and Environmental Protection》：Environmental and economic viability of a solar-driven multigeneration system with thermal energy storage for sustainable coastal development: A hybrid data-driven approach with a comparative case study

　　

**摘要**

沿海社区面临着在减少环境影响和经济成本的同时，满足日益增长的电力、淡水和冷却需求的综合挑战。为此，本研究开发了一种专为沿海地区设计的基于太阳能的多联产系统。该系统集成了抛物面槽式太阳能集热器场与双罐蓄热系统、超临界二氧化碳发电和多温区冷却系统（PMCS）、以环己烷/环戊烷非共沸混合物为工质的双有机朗肯循环-喷射制冷循环，以及配备佩尔顿涡轮机能量回收装置的反渗透海水淡化单元。在基准条件下，该系统产生20.82兆瓦净电力、8.09兆瓦冷量和172.68千克/秒淡水，能源效率和?效率分别为19.27%和17.78%。非共沸混合物变化所对应的最短投资回收期在$m_f=0.727$时达到4.144年。在不同产品定价情景下，最终净现值从6705万美元增至11180万美元，而投资回收期从5.94年降至4.58年。通过机器学习辅助优化选定的折中方案对应于非共沸混合物质量分数0.415、PMCS涡轮机入口压力18.44兆帕，以及换热器温度分别为488.12、380.62和364.93开尔文。在此工况下，?效率达到18.51%，而总产品成本率和?环境影响率分别降至1722.4美元/小时和285.3 Pt/h。对Al-Lith、吉达、Umluj和延布的对比评估表明Umluj为适宜选址。在Umluj，月峰值产出达到24.90兆瓦电力、194.50千克/秒淡水和8.61兆瓦冷量。

**引言**

全球超过80%的一次能源消耗仍由化石能源提供（Ga?ecka和Pyra，2024），使能源部门成为温室气体排放的主要来源和气候变化的关键驱动因素（Ben Slimene等，2026）。此外，预计到2050年全球能源消费量将比2018年高出约50%（Holechek等，2022）。这一挑战在中东和北非地区尤为严峻，该地区的电力需求持续增长，且大部分电力仍来自天然气和石油（Bayomi和E. Fernandez，2019）。人口增长、城市化发展、高温气候和有限的淡水资源对该地区的能源系统施加了更大压力。在沙特阿拉伯，电力消耗历史上以每年约7%的速度增长，而夏季空调系统占住宅用电的近60-70%（Jubran和Peter，2019）。淡水供应进一步加大了能源系统的需求，特别是因为全球近47.5%的已建海水淡化能力集中在中东和北非国家（Al-Addous等，2024）。沙特阿拉伯年均直接法向辐照度约为2200千瓦时/(平方米·年)，表明其在聚光太阳能技术领域具有巨大潜力（Almasoud和Gandayh，2015）。这些同时存在的多重需求突显了发展集成式可再生能源配置体系的必要性，该体系应在统一框架内解决电力、制冷和淡水需求，而非通过各自独立的能源密集型过程来实现。

太阳能满足了这种综合需求，极具前景。光伏系统将太阳辐射直接转化为电能，而聚光太阳能技术首先将其转化为热能（Khan和Arsalan，2016；Islam等，2018；Ibrahim等，2026）。该热能随后可用于发电以及多种热应用，包括制冷、工业过程加热和海水淡化（Mohammadi等，2019；Farjana等，2018）。聚光太阳能发电技术的关键优势在于其能够集成蓄热系统，使辐照充足时段捕获的太阳能得以储存并用于后续利用（Mehrenjani等，2023）。这减少了太阳能可用性与能源需求之间的错配，提高了系统的可调度性（Palacios等，2020）。双罐显热蓄热技术特别适用于此目的，因为它能够在充放热过程中分别管理热流和冷流储液库存（Peiró等，2018）。然而，太阳能蓄热的最终效益取决于储存的热量在不同温度等级上向下游发电、制冷和海水淡化过程分配的效率。

Zhou等（Zhou等，2026）设计了一种蓄热辅助的太阳能联合发电、供暖和制冷电站。经优化后，其能源效率从49%提升至55.78%，而投资回收期从7.36年缩短至5.68年。Yilmaz（Yilmaz，2026）考虑了更广泛的产品组合，将太阳能热输入与发电、制冷、海水淡化和燃料生产相结合。该设计单元实现了40.07%和18.81%的能源效率和?效率。聚焦于吸热器行为，Dolatabadi等（Dolatabadi等，2026）报告了近临界流动效应可使二氧化碳太阳能吸热器的热工水力性能变化高达30%，表明吸热器工况可能对蓄热充电产生显著影响。太阳能海水淡化和智能系统设计也引起了广泛关注。Asadabadi等（Raji Asadabadi等，2026）指出，太阳辐照度波动占储能耦合淡化装置运行性能变化的38-45%。其优化的多级闪蒸（MSF）配置达到48.66%的能源效率和149.9千克/秒的淡水速率。从传热和传质的角度，Li等（Haorong等，2026）证明，通过改善蒸汽冷凝可增强太阳能蒸馏器的淡水回收；其基于铜泡沫的设计增加了可用冷凝面积和成核位点，同时抑制了连续液膜的形成。Rejeb等（Rejeb等，2022）将基于Pareto的优化方法应用于不同气候条件下的太阳能多联产电站，而Erikgeno?lu等（Kilic Erikgeno?lu等，2026）将多目标优化与可解释人工智能相结合以改进混合可再生能源系统。最近，Gang等（Gang等，2026）开发了一种具有物理驱动特征的XGBoost框架，用于超临界和超临界烃类流体的导热系数重建，证明当高温测量数据有限时，基于物理的特征工程和基于代理变量的验证可以改善数据驱动的热物性预测。

综合来看，这些研究表明，太阳能多联产系统的性能不仅取决于太阳能可用性和蓄热技术，还取决于有效的传热管理、可靠的热物性预测和适当的数据驱动优化。然而，一个进一步挑战在于如何在多个温度等级上高效利用储存的热能，这需要选择和集成合适的高温与低温转换技术。从这一视角来看，一旦储存的太阳能得以利用，其高效利用取决于将可用的温度等级与合适的转换技术相匹配。高温热能可首先驱动顶峰循环单元，随后残余热量可通过低温循环回收，而非直接排放到环境中。超临界二氧化碳（sCO?）循环因其潜在的高热转电效率、紧凑的透平机械和高功率密度而在高温转换方面受到越来越多关注（Crespi等，2017；Yu等，2024）。在较低热源温度下，有机朗肯循环（ORC）提供了更大的工质灵活性，并广泛用于回收残余太阳能和废热（Loni等，2021）。

Wang等（Wang等，2026）比较了四种结合sCO?布雷顿循环与有机朗肯循环（ORC）的太阳能塔式配置。其研究表明，ORC的布置方式对性能有显著影响。?损失最小的配置实现了26.7%的?效率，而另一种布局在环境和经济方面表现更优，产电64.32兆瓦，产氢181.2千克/小时。Toker（Toker，2025）通过联合利用太阳能和地热能资源与sCO?、ORC和卡林纳循环，开发了多输出方案。该电站达到了52.6%和49.9%的能源效率和?效率。类似地，Tong等（Tong，2025）引入了一种蓄热辅助的太阳能三联供系统，将sCO?循环与二次有机循环、制冷和海水淡化相结合。该模型产出22.17千克/秒淡水和51.47兆瓦电力，展现了跨多个温度等级回收热量的优势。进一步研究侧重于通过先进优化改善此类配置。Bak?rc?o?lu等（Bak?rc?o?lu等，2025）将超临界和跨临界二氧化碳循环与反渗透（RO）海水淡化相结合，获得了优化后的50.28%能源效率和22.31%?效率。Alahmari等（Alahmari等，2026）将支持向量回归与优化算法相结合，用于发电、制冷和淡水联产系统，实现了53.45%的优化?效率。Shboul等（Shboul等，2026）也证明，通过sCO?底部循环回收太阳能系统废热可提高电力和氢气产量。

为更清晰地定位本工作，表1根据主要技术特征和方法论特征对比了代表性太阳能驱动多联产系统。

沙特阿拉伯红海沿海地区同时面临电力、淡水和冷却需求，而其丰富的太阳能资源和直接接触海水的地理条件为可持续多联产提供了有利条件。然而，太阳能的间歇性、发电和制冷过程的不同热需求以及海水淡化的巨大电力需求，要求必须采用有效的蓄热、多级热利用和残余能量回收。因此，本研究开发了一种太阳能驱动的配置方案，将抛物面槽式太阳能场与双罐蓄热系统集成，以提高可变太阳条件下的运行连续性。高温储存热能首先供给基于sCO?的发电和多级冷却子系统，该子系统因其优越的高温转换特性、紧凑的透平机械以及在不同温度等级提供冷量的能力而被选用。残余热能随后通过以非共沸流体混合物为工质的双有机朗肯循环-喷射制冷子系统进行回收，其中环己烷/环戊烷混合物在低品位热回收过程中改善了温度匹配。反渗透海水淡化由所发电力的一部分驱动，同时佩尔顿涡轮机回收浓盐水中的压力能。本研究还建立了一套用于系统评估和设计改进的综合框架。整体配置通过热力学、?经济学、技术经济和?环境分析进行评估，并结合参数研究、敏感性分析和长期经济评估。采用2000个运行点的数据训练三个独立的神经网络代理模型，分别用于?效率、总产品成本率和?环境影响率的预测。这些模型与多目标灰狼优化算法结合，随后采用LINMAP决策方法。最后，使用Al-Lith、吉达、Umluj和延布的逐时气象数据对比部署地点并评估所选站点的时间依赖性能。

**系统描述**

所开发模型的原理性布置如图1所示。该系统结合了四个主要子系统：配备蓄热系统的抛物面槽式太阳能集热器（PTSC）场、基于sCO?的发电和多级冷却系统（PMCS）、以非共沸流体混合物为工质的双有机朗肯循环与喷射制冷循环（DORC-ERC），以及RO海水淡化单元。通过这些子系统的协调运行，所提出的配置同时产出电力、冷量和淡水。

**方法论**

所提出的配置从能源/?、?经济、技术经济和?环境角度进行评估。详细模型在工程方程求解器（EES）第11.9版中实现，同时使用MATLAB R2024b进行数据处理、神经网络开发、多目标优化和辅助数值计算。EES中的非线性方程组使用其内置迭代求解器求解，相对收敛容差设为$10^{-6}$。

**模型验证与神经网络检验**

所开发框架的可靠性从两个层面进行检验。首先，将PTSC和RO海水淡化单元的数学模型与参考文献进行比较。其次，使用未参与训练过程的数据评估神经网络的预测性能。

PTSC模型的准确性通过与Al-Sulaiman等（Al-Sulaiman等，2012）报告的结果进行比较来评估。如图3(a)所示，模型预测的散热速率与参考值进行了对比。

**结果与讨论**

本节讨论所开发模型在基准和最优条件下的性能。首先评估技术经济和?环境结果。随后进行参数研究，以阐明主要运行变量对所选性能指标的影响。此外，报告了神经网络辅助优化的结果。最后，通过基于地点的案例研究考察模型的实用性。

**结论**

在干旱沿海地区，可持续供应电力、淡水和冷量仍是一项重大挑战，因为这些地区同时面临水资源匮乏、高冷却需求和依赖能源密集型海水淡化。沙特阿拉伯红海沿岸为应对这些相互关联的需求提供了尤为相关的背景，因为它兼具直接接触海水的地理优势、丰富的太阳能资源以及多样化的气候条件。

因此，本研究声明如下：

**作者声明**
作者确认已阅读并批准本稿件的最终版本，并同意将其提交至《过程安全与环境保护》期刊。作者声明本稿件为原创作品，此前未曾发表，目前也未在其他地方考虑出版。我们仔细修改了整篇稿件，以避免语言和技术错误。此外，还邀请了数位具备丰富写作经验的同事检查英文。

**资助信息**
本研究由沙特阿拉伯利雅得诺拉·宾特·阿卜杜勒拉赫曼公主大学研究人员支持项目（项目编号：PNURSP2026R66）资助。

**CRediT 作者贡献声明**
- Saad Alshahrani：撰写——审阅与编辑，验证，项目管理，形式分析
- Ahmed Abdullah Khalid：可视化，方法论，形式分析
- Razaullah Hafiz Ullah：撰写——原稿，验证，方法论，数据整理，概念构思
- Sultan Alshehery：软件，方法论，调查研究
- Sarvarbek Yusupov：可视化，调查研究，形式分析
- Soliman Naglaa：撰写——原稿，监督，软件，资助获取

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

**致谢**
作者向沙特阿拉伯利雅得诺拉·宾特·阿卜杜勒拉赫曼公主大学研究人员支持项目（项目编号：PNURSP2026R66）表示衷心感谢。

**作者名单**
Ayyaz Ahmad | Nadeem Khan | Khalid Ahmed Abdullah | Saad Alshahrani | Sultan Alshehery | Razaullah Hafiz Ullah | Naglaa F. Soliman | Sarvarbek Yusupov