电力行业低碳转型中的环境协同效应与权衡：对中国各类发电技术的生命周期评估

《Energy》：Environmental synergies and trade-offs in low-carbon transition of power sector: A life cycle assessment of various power generation technologies in China

　　萨拉·塔姆吉德·沙贝斯塔里|穆罕默德·萨德格·埃斯马伊利|加塞姆·卡萨埃安|阿里巴赫什·卡萨埃安伊朗德黑兰大学跨学科科学与技术学院能源工程与可持续资源系摘要在伊朗的气候条件下，对两种不同场景下的改良双斜面太阳能蒸馏器进行了测试。本研究旨在优化蒸馏器的结构，并通过引入新型金属容器、矩形翅片、相变材料、钕磁铁以及黑色和纳米黑色涂料等组件来提升热传递效率，同时考虑了装置的便携性、轻量化以及被动式技术的应用。实验结果表明，传统蒸馏器的能量效率和效用率最低分别为16.4%和0.15%，而采用翅片和磁铁的改良型蒸馏器的相应数值则分别为67.1%和1.97%。不确定性分析显示，能量的不确定性在2.21到2.78之间，而效用率的不确定性则在0.07到0.95之间。成本分析结果显示，传统蒸馏器每升淡水的生产成本最高，回收期最长，分别为0.13美元/升和381天；而改良型蒸馏器的最低成本为0.035美元/升，回收期仅为103天。最后，还对系统的环境影响进行了分析，包括二氧化碳减排效果以及产出水的总溶解固体含量。分析表明，采用相变材料与纳米黑色涂料的改良型蒸馏器在二氧化碳减排方面表现最佳，每年可减排5.94吨二氧化碳。此外，总溶解固体含量的降低幅度可达94.81%至99.04%，使得出水质量达到34至173 ppm的范围，符合世界卫生组织的标准。引言近年来，许多国家，尤其是半干旱和干旱地区，面临着饮用水短缺这一全球性问题[1]。社会的发展、人口增长、工业化以及气温上升是导致淡水需求增加的主要因素[2]。据估计，到2050年，全球一半的人口将面临水资源短缺的问题[3]。为了解决全球范围内的水资源短缺问题，海水淡化系统是一种理想的解决方案，尤其是在太阳能辐射强烈的中东地区[4]。在各种海水淡化系统中，太阳能蒸馏器因其无需燃料、环境影响小、维护成本低且建造经济高效而更为常见[5]。通过利用太阳能，太阳能蒸馏器能够为蒸发和冷凝过程提供所需能量，从而将咸水转化为淡水，是一种可持续且环保的解决方案。操作参数、气候条件、设计特点以及材料等因素都对提升太阳能蒸馏器的生产效率和效率起着重要作用[6][7]。太阳能蒸馏器淡化系统可分为被动式和主动式两种技术。被动式太阳能蒸馏器结构简单且成本更低，通常采用直接利用太阳能、相变材料、翅片和吸液管等技术。而主动式太阳能蒸馏器则通过风扇、泵、太阳能集热器、聚光装置等外部组件来循环水、集中太阳能，并提高热传递速率和生产效率[8]。太阳能蒸馏器的玻璃盖可分为单斜面、双斜面和温室型三种，它们对系统的产水速率和效率有着重要影响[9]。为了解决太阳能蒸馏器效率低的问题，人们还加入了各种额外的系统和材料。翅片是一种有效的被动式技术。为了确定双斜面太阳能蒸馏器中翅片的最佳数量，Ghriss等人[10]在突尼斯的气候条件下进行了实验研究，研究了6、12和15片翅片三种配置。实验结果显示，配备12片翅片的装置每平方米每天可产水3.01公斤，而传统装置仅为1.95公斤/平方米，效率提升了54.50%。除了翅片的数量和排列方式外，翅片的倾斜角度也会影响性能。Dhaoui等人[11]研究了五种不同翅片角度对太阳能蒸馏器性能的影响，通过计算流体力学模拟发现，45°是最佳倾斜角度。该角度可使水温提升22.24%，而18°角度仅能提升9.39%；34°、75°和90°角度的提升幅度分别为21.51%、10.09%和8.45%。使用通道也是提升系统效率和生产力的一种方法。Jeyaraj等人[12]研究了一种梯形通道在提升太阳能蒸馏器生产力方面的作用，该通道可用于预热水并保持系统内的最低水位。实验结果显示，在水深为10毫米的情况下，系统的最大产水率为1.74×10^-4升/秒，相比传统装置，累计产水量提升了37.64%。此外，加入通道后，系统的水和玻璃温度分别提升了10.6%和7.84%。Sonawane等人[13]通过计算流体力学模拟研究了在单斜面太阳能蒸馏器中使用不同吸收材料的效应，评估了黑色墨粉、黑色染料和黑色油墨的使用效果以及这些装置在效用经济性、经济效益和二氧化碳减排方面的表现。研究结果表明，涂有黑色墨粉的装置性能最佳，可实现31.4吨的二氧化碳减排量，且每升水的成本最低，仅为0.0066美元/升。在另一项研究中，Nazari等人[14]研究了将热电通道和纳米流体与单斜面太阳能蒸馏器结合使用的效果。实验结果显示，通过引入外部热电通道，系统的生产力、效用率和能量效率分别提升了约38.5%、31.2%和38.9%；而添加Cu2O纳米粒子则使这些指标分别提升了约82.4%、92.6%和81.5%。经济分析表明，最优的每升水成本为0.021美元/升/平方米。绝缘材料也是减少能量损失、增加能量输入并提升淡水产量的常用手段。Anburaj等人[15]在印度的气候条件下研究了不同类型的吸液材料和能量存储材料的效果，他们使用了海绵、棉花和黄麻作为吸液材料，铜、铸铁和低碳钢作为存储材料，以此提升系统的生产力。实验结果表明，海绵和铜材料组合的使用效果最佳，每日产水量为3147毫升，达到了该时期最高平均效率的51%。此外，纳米粒子由于其光学和热物理特性，也能提升太阳能蒸馏器的生产力[16]。Sahota和Tiwari[17]研究了在水中添加浓度为0.12%、0.08%和0.04%的Al2O3纳米粒子的效果，结果显示，0.12%浓度的纳米粒子在处理35公斤和80公斤水时，分别能使产水量提升12.2%和8.4%。相变材料作为一种热能存储方式，能够在白天和夜晚通过相变过程吸收和释放能量。用于太阳能蒸馏器的相变材料应具备适当的化学性质、动力学特性、热物理性能和经济性[18]。Jahanpanah等人[19]在伊朗德黑兰的气候条件下研究了使用低温水合盐的效果，实验结果表明，添加熔点为28°C的相变材料可使系统的整体生产力提升30.3%。Abdullah等人[20]的研究表明，结合使用相变材料和纳米粒子可以显著提高产水量。他们发现，使用含2.5 wt.%银纳米粒子的石蜡混合物以及纳米黑色涂料，可使系统的每日产水量比传统装置提高112%。现有文献主要探讨了将一种或两种技术整合到海水淡化系统中。为了提高淡水产量，可以将各种被动式和主动式系统与太阳能蒸馏器相结合。Kouravand等人[21]测试了一种集成有相变材料、金属吸热板及绝缘材料的便携式太阳能蒸馏器，实验结果表明，该系统的平均效率提升了45.2%，总溶解固体含量降低了95.8%。GaneshKumar等人[22]的实验显示，使用带有大贝壳形结构、小贝壳形结构以及喷砂处理的波纹吸热板的系统，其热效率分别提升了24.48%、35.53%和6.41%。在配备有小型贝壳形波纹吸热板的系统中，每日产水率为2193毫升/平方米，而传统系统的产水率为1468毫升/平方米。为进一步提升太阳能蒸馏器的效率，还可以对其内部和外部结构进行多种改进。Tuly等人[23]在双斜面太阳能蒸馏器上采用了多种改进措施，包括混合纳米粒子的相变材料、空心圆形翅片、内部侧壁反射器、太阳能集热器和绝缘材料，实验结果表明，这些改进使系统的生产力相比传统系统提升了约84%。Gnanaraj和Velmurugan[24]研究了一种配备有反射器、吸液管、黑色花岗岩、带翅片的波纹水池以及各种内外部改进措施的太阳能蒸馏器淡化系统，实验结果显示，这些改进使产水量分别提升了93.39%、42.33%、69.84%、58.47%和171.43%。基于现有文献，表1总结了针对双斜面太阳能蒸馏器所做的各种改进和优化方法。为了解决全球范围内，尤其是干旱和炎热地区的水资源短缺问题，人们开展了大量相关研究。本研究的主要目标是优化双斜面太阳能蒸馏器的结构及其各组成部分，以改善热传递过程，最大化淡水产量，同时兼顾经济和环境因素。研究考察了新型铝制容器、新型翅片结构、钕磁铁的应用、相变材料、绝缘材料、涂覆在容器上的黑色和纳米黑色涂料以及各组件的整合效果。此外，本研究的另一创新之处在于，在双斜面太阳能蒸馏系统中同时单独使用上述各种组件，以便详细比较每种组件的效果并分析它们的综合性能。研究中通过设置翅片和磁场来使系统和流体的温度及流动条件更加均匀，从而提高热传递速率，进而提升温度和蒸发速度。此外，相变材料能在阴天或太阳辐射较弱时为太阳能蒸馏器提供储存的潜热。所使用的相变材料还能通过维持较高的水池水温来减少温度波动并促进蒸发。本研究通过考虑关键影响因素、确定最佳应用场景以及组件的最佳整合方式，弥补了现有研究中太阳能蒸馏器产水量较低的缺陷。本研究致力于整合各种被动式高效技术，注重装置的轻量化、便携性、较高的产水效率以及便于运输，以便在各类场合使用。因此，结合现有文献和太阳能蒸馏器领域的已有研究成果，本研究提出了将被动式解决方案与便携式设计相结合的新思路，适用于营地、农村、偏远地区以及交通不便的区域。实验是在2024年7月至9月间，于伊朗阿尔博尔兹省的卡马尔沙赫尔地区，在实际气候条件下进行的。为了评估所设计系统的可持续性，对所有系统进行了能量分析、效用分析、经济分析、环境经济分析和环境影响分析等多种计算。在能量和效用分析中，也考虑了相关的不确定性因素。最后，还将各太阳能蒸馏器产出水的质量与世界卫生组织的规定标准进行了对比。材料与方法在最近这项实验研究的第一步中，首先使用SolidWorks软件设计了一款双斜面太阳能蒸馏器。相较于单斜面太阳能蒸馏器，双斜面太阳能蒸馏器具有更强的吸收太阳辐射的能力，因而能提升产水率，因此被选为研究对象。在后续研究中，采用了不同的被动策略来优化所设计的装置，以提高淡水产量。这些策略包括对金属容器的创新设计等内部改进。研究结果与讨论：近期的一项研究旨在探讨如何通过优化太阳能蒸馏装置的几何结构与设计来提升其生产效率。此外，还加入了多种有效的参数和组件以进一步提高产出率。所有新增的系统都经过优化，旨在提升淡水生产能力。实验研究的结果可分为两种情况：仅使用单一组件和同时使用多个组件。在后续研究中，优化后的系统还会与其他组件结合使用。结论：该研究通过修改太阳能海水淡化装置的结构并添加各类被动组件，来评估其性能。太阳能蒸馏装置的效率提升受到风速、环境温度以及太阳辐射等环境因素的影响。为提高装置的太阳能吸收能力和热传递效率，其集水槽被改为经过设计的铝制集水槽。作者贡献声明：Sara Tamjid Shabestari负责原文撰写、项目管理、方法设计、实验研究、正式分析及概念构思；Mohammad Sadegh Esmaeili负责原文撰写、结果验证、方法设计、实验研究及数据整理；Ghasem Kasaeian负责资源协调与资金筹集；Alibakhsh Kasaeian负责文章审阅与编辑、结果可视化以及整体监督与概念构思。利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的财务利益或个人关系。致谢：作者感谢Hekmat Sanat Pishro公司提供的财务与技术支持。