《Processes》：Decarbonising Industrial Process Heat with Linear Fresnel Collector-Derived Heat: A 4E Analysis
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低温与中温工业过程热的脱碳需要采用能够直接降低化石燃料依赖的可再生热能技术。本研究旨在通过能量、（?）经济与环境（4E）分析，综合评价一台20 kW线性菲涅尔集热器（LFC）所产生热量对乳制品加工厂热能需求的潜在贡献。研究人员将土耳其?anl?urfa地区实验
低温与中温工业过程热的脱碳需要采用能够直接降低化石燃料依赖的可再生热能技术。本研究旨在通过能量、（?）经济与环境（4E）分析，综合评价一台20 kW线性菲涅尔集热器（LFC）所产生热量对乳制品加工厂热能需求的潜在贡献。研究人员将土耳其?anl?urfa地区实验测得的一年LFC数据与该厂实际月度天然气消耗数据相结合，分析年有用产热量、LFC热效率、太阳能分数、燃料成本节约及避免的CO2排放。LFC系统全年产生17,535.48 kWh有用热量，相当于约19,483.87 kWh的天然气能量节约。月度太阳能分数范围为5.24%至38.68%，月平均值为19.89%。月平均太阳能分数的扩展相对不确定度为13.62%（约95%置信水平）。最大热效率为26.01%，平均与最大?效率分别为2.70%和5.57%。评估表明年天然气节约量为1831.18 Sm3，经济效益为�623.48，避免CO2排放3.94吨。研究结果表明，模块化LFC系统可促进低温与中温工业应用中的太阳能辅助预热过程，同时凸显了系统选型与集成中季节变化性的重要性。
研究背景方面，全球能源需求上升与化石燃料逐渐枯竭推动能源向替代能源转型，工业部门约占全球能源消费的三分之一，其中大量过程热需求仍由化石燃料通过锅炉系统满足，食品、化工、造纸、陶瓷、纺织与金属加工等行业的巴氏杀菌、加热、干燥、灭菌、清洗与蒸汽生成等过程消耗大量化石燃料，导致高能源成本与碳排放。太阳能辅助工业过程热（SHIP）系统对实现国际能源署（IEA）净零碳排放目标具有重要意义，截至2024年底全球SHIP装机热容量已超过1 GW
th。LFC因设计简单、成本低、安装便捷且吸收器固定无需运动管路连接等优势，在中低温过程热应用中具有前景。然而，目前鲜有研究将长期实验LFC测量数据与实际工业燃料消耗数据相结合，在统一的4E框架内评估太阳能辅助预热情景。本研究的创新性在于将一年实验测量的20 kW原型LFC性能数据与乳制品厂实际月度天然气消耗数据相结合，在统一4E评估框架内量化LFC热量的季节贡献，并报告主要派生性能指标及其传播不确定度与置信区间，从而提高评估的透明度与可靠性。研究得出，LFC系统全年产生17,535.48 kWh有用热量，月平均太阳能分数19.89%，年天然气节约1831.18 Sm
3，经济效益�623.48，避免CO
2排放3.94吨，表明模块化LFC系统可促进中低温工业预热的太阳能辅助预热，同时凸显系统选型与集成中季节变化性的重要性。其意义在于提供了基于测量的证据，说明模块化LFC系统在中低温工业预热应用中的潜力与季节局限性。
关键技术方法方面，研究人员在土耳其?anl?urfa的Harran大学可再生能源与能效应用研究中心（GAPYENEV）利用一台20 kW热容量LFC原型（20块反射镜，总反射孔径面积48 m
2，接收管长12.4 m、外径66 mm、距镜面3 m，采用导热油为传热流体，单轴太阳跟踪），在全年09:00至16:00运行并以10 s采样间隔记录传热流体进出口温度、流量、直接法向辐照（DNI）与环境温度；乳制品厂热负荷由该厂实际月度天然气消耗数据经天然气低热值（10.64 kWh/Sm
3）与锅炉效率（90%）换算重构；采用ISO 9806单相液体加热与聚光集热器热性能框架进行能量分析，采用Petela方法计算太阳辐射?并进行?分析，经济分析采用天然气单位能量成本0.032 �/kWh，环境分析采用IPCC 2006默认天然气排放因子0.202 kg CO
2/kWh；不确定度分析采用Kline–McClintock方法并结合GUM框架，取覆盖因子k=2（约95%置信水平）。
研究结果方面，第一，月度运行条件：DNI与环境温度冬季较低、自春季起上升，5月至8月达到高水平，高DNI与高环境温度同期出现表明夏季LFC热运行条件更有利。第二，传热流体温度：最高出口温度7月达129 °C，8月124 °C，7月温升最大为32 °C，1月与2月温升分别约5 °C与8 °C，表明夏季LFC对乳制品厂热负荷的贡献潜力增大。第三，吸收热量、有用热量与热损失：有用热输出1月最低1.86 kW、7月最高10.60 kW，7月吸收热量最高11.83 kW，5月与9月有用热输出分别为7.99 kW与8.07 kW；7月与8月热损失分别达1.15 kW与1.10 kW，但同期有用热量高表明系统仍保持正净热输出。第四，光学与热效率：光学效率约6%至29%，热效率5.5%至26%，最高值均出现在7月，冬季因DNI低、温升有限而较低。第五，参考热负荷与太阳能分数：参考热负荷全年26.77至40.66 kW，2月最高、8月最低；太阳能分数5.5%至38.5%，7月最高38.68%，1月最低5.24%，月平均19.89%；敏感性分析表明锅炉日运行6、7、8 h时月平均太阳能分数分别为17.05%、19.89%、22.73%，±1 h/日变化对应±14.29%相对变化。第六，?性能：太阳?约28.8至38.21 kW，有用?输出仅0.02至2.11 kW，7月最高2.1 kW；?效率0.55%至5.57%，7月最高5.57%，6月5.20%、8月5.10%，1月0.55%。第七，经济性能：等效天然气能量节约500至2900 kWh/月，7月最高2900 kWh/月，月度经济节约16至92.80 �/月，年经济节约约623.48 �/年。第八，环境性能：CO
2减排27.09至481.11 kg CO
2/月，8月最高481.11 kg CO
2/月，全年累计约3.94吨CO
2。研究还纳入扩展不确定度：最大有用热输出10.62 ± 1.26 kW，最大热效率26.01% ± 3.30个百分点，最大有用?输出2.11 ± 0.26 kW，最大?效率5.57% ± 0.72个百分点；年有用产热17,535.48 ± 2076.20 kWh，等效天然气能量节约19,483.87 ± 2306.89 kWh。
讨论部分总结：LFC原型产生的热量在评估的乳制品厂预热情景中可部分替代天然气支持的热负荷，6月至8月高覆盖率表明LFC可更有效地用于预热应用，但冬季因太阳辐射低与传热流体温升有限贡献下降，为实现全年更均衡贡献需考虑更大集热面积、热能储存或混合运行。有用?不仅取决于有用热量还取决于其温度水平，太阳?输入中相当比例因不可逆性与热损失无法利用，夏季有用?输出与?效率显著提高。该经济评估为年天然气成本总节约而非全生命周期投资分析。结论部分译文：本研究针对日处理能力1.5吨的乳制品厂评估了LFC辅助预热情景，采用涵盖能量、?、经济与环境分析的4E方法，基于一年实验测量的LFC数据与工厂实际月度天然气消耗数据，实验数据集为09:00至16:00之间10 s间隔记录的测量值，采用天然气锅炉实际月度消耗数据确定参考热负荷，假设锅炉运行时间为每日7 h（09:00至16:00）以使参考热负荷与LFC测量时段一致。结果表明LFC系统性能全年变化显著，主要与DNI、环境温度、传热流体温度水平与温升有关，5月至9月因DNI、出口温度与接收器温升较高而有用热输出增加；有用热量1.86至10.62 kW，最大太阳能到热总效率26.01%，有用?输出0.02至2.11 kW，?效率0.55%至5.57%，参考热负荷26.77至40.66 kW，太阳能分数5.24%至38.68%，月平均19.89%表明LFC可提供可测量的太阳能辅助预热贡献。纳入扩展不确定度后，最大有用热输出10.62 ± 1.26 kW，最大热效率26.01% ± 3.30个百分点，最大有用?输出2.11 ± 0.26 kW，最大?效率5.57% ± 0.72个百分点。经济分析表明评估的预热情景年可替代约19,483.87 kWh天然气能量，对应约1831.18 Sm
3/年天然气体积节约，按0.032 �/kWh unit energy cost计算年经济节约�623.48。环境分析表明评估的LFC辅助预热情景年可避免约3.94吨CO
2排放，不仅降低能源成本还通过降低化石燃料消耗对碳减排作出重要贡献。本研究主要创新在于将20 kW原型LFC一年实验测量性能数据与乳制品厂实际月度天然气消耗数据结合于统一4E评估；然而太阳能分数的显著季节变化与2.70%的平均?效率表明应考虑集热器选型、热能储存与混合运行以改善全年性能。结论指出本研究提供了基于测量的4E评估，但将结果推广至其他工业部门需在相关过程温度、热需求曲线与运行计划下进行工厂特定实验验证；LFC技术可视为食品、纺织、化工与造纸等中低温过程热工业部门的可行可再生热方案；LFC系统较其他CSP应用更具可扩展性，提供镜场模块化扩展与热能储存集成等灵活设计选项，有潜力满足更大规模工业应用的过程热需求，化石燃料消耗降低将通过直接燃料节约与更低运行成本增强此类系统的经济可行性；鉴于工业过程热仍主要由化石燃料满足，太阳能辅助热系统在工业绿色转型中具有显著潜力，可降低化石燃料依赖、助力碳减排并提供与IEA净零排放目标一致的能源转型路径；建议未来研究聚焦热能储存、集热面积优化及不同工业过程的比较技术经济分析。
