通过集成有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle, ORC）技术回收废弃物热量，降低聚光太阳能发电（Concentrating Solar Power, CSP）厂的用水量

《Energy》：Minimizing water consumption in Concentrating Solar Power (CSP) plants through integrated Organic Rankine Cycle waste heat recovery

　　

T.E. Boukelia

阿尔及利亚吉杰尔穆罕默德·塞迪克·贝尼亚亚大学科学与技术学院机械工程实验室

摘要：

用于大规模发电的聚光太阳能（CSP）装置面临一些挑战，这些挑战与较低的能量产出和为保证冷却过程所需的大量水资源消耗有关，这使得它们相对于传统的热电厂竞争力较弱。为了解决这两个问题，一个输出功率为19.9 MW的参考CSP装置通过集成基于有机朗肯循环（ORC）的废热回收系统（WHRS）进行了改造，以提高该装置的调度能力，并减少冷却塔中的水资源和电力消耗。研究结果表明，采用这种新方案后，新装置的发电量增加了15.30%，整体效率提高了15.13%，容量因子提高了15.35%，同时 waste heat 排放量减少了16.90%，水资源消耗减少了23.37%，冷却功率需求减少了24.63%，相比Gemasolar参考装置有了显著改善。此外，这种创新方案还增强了CSP装置的长期可持续性，例如在Gemasolar装置30年的使用寿命期间，其水资源消耗减少了近1.04百万立方米。

引言

全球正面临确保清洁和稳定电力供应的严峻挑战，这些问题与全球变暖和二氧化碳排放密切相关。因此，从以化石燃料为主的能源 sector 向基于清洁和可持续能源的 new 能源 sector 转变是一项迫切的任务。在这方面，聚光太阳能（CSP）装置可以在这一转型过程中发挥重要作用。这些系统利用大型太阳能集热场集中太阳辐射，并通过工作流体将其转化为可用热量，然后通过蒸汽发生器生成蒸汽，最终通过涡轮机产生电力。这类系统通常有四种设计布局：两种使用线性集热器，即抛物面槽式集热器和线性菲涅尔反射器；另外两种使用焦点集热器，分别是太阳能塔式集热器和碟形集热器。

然而，这些系统面临着降低其技术经济竞争力的挑战，包括较高的资本成本和有限的调度能力。此外，为了进行冷却而所需的大量水资源消耗也带来了额外的挑战。因此，全球许多研究人员正在研究这一领域，以建模和评估这些大规模发电装置的水资源消耗情况。Rohani等人[1] 提出了一种工具，可以根据运行中的CSP装置的测量数据来模拟其性能和水分消耗情况，并提出在保持相同电力成本的同时管理这一指标的方法。Damerau等人[2] 选择了北非的四个不同地点作为案例研究，分析了这一性能指标。他们还建议整合干式冷却等替代冷却工艺。Ben Fares和Abderafi[3] 对Noor商业抛物面槽式太阳能热电厂（PTSTPP）的用水情况进行了每小时以及全年十二个月的分期评估，使用System Advisor Model（SAM）进行了数学建模，并将数值数据与实际数据进行了比较，提出了减少该装置用水量的建议。Boukelia等人[4] 比较了不同配置的CSP装置冷却系统中的水资源和电力消耗情况，并建立了几种基于回归或人工神经网络（ANN）的模型来估算这些参数的年度变化。Ehtiwesh等人[5] 结合了能量分析（exergetic analysis）和生命周期评估（LCA）方法，评估了一个50 MW抛物面槽式太阳能电厂在其整个生命周期中的三个维度（能量、经济和环境）性能。Duvenhage等人[6] 研究了在水-能源框架内确保CSP系统冷却过程所需水资源的可用性，并强调了在任何计划中的CSP装置建设中考虑水资源管理的必要性。

然而，大多数研究表明，为了减少这种类型热电厂的用水量，集成干式和混合冷却系统比传统的湿式冷却系统更为重要。因此，文献中有许多研究探讨了这些非传统冷却系统。例如，Whitaker等人[7] 开发了一种混合LCA方法，评估了一个太阳能塔式电厂在其生命周期内的四个经济-环境指标，包括累计能量需求、回收期、二氧化碳排放量和用水量。该电厂的标称输出功率为106 MW，采用干式冷却系统进行冷却，并配备了储能系统和备用燃料系统。Liqreina和Qoaider[8] 分析并比较了在PTSTPP中集成干式冷却系统与传统湿式冷却系统的竞争力，以运行中的Andasol 1电厂为例，评估了该装置的技经济-环境性能，考虑了发电量、能源效率、平准化电力成本（LCOE）以及用水量。Asfand等人[9] 在Thermoflex环境下建立了数学模型，模拟了集成在CSP装置中的混合冷却系统的性能，主要考虑了能量产出和用水量两个指标。Palenzuela等人[10] 进行了一项实验研究，测试了在Almería太阳能平台上安装的混合冷却系统，研究了不同环境和运行条件对用水量和电力消耗的影响。Klein等人[11] 也进行了类似的LCA研究，但重点关注了两种冷却系统（湿式和干式）以及CSP装置中的三种不同备用能源系统（最小备用、热能储存和天然气备用）。Mdallal等人[12] 提出了一种基于响应面方法的新方法，旨在提高CSP装置的能量产出同时最小化其LCOE和占地面积。他们研究了三种冷却模式（湿式、干式和混合式），并优化了四个相关参数。Martín[13] 使用多期混合整数非线性规划算法优化了全年运行条件，研究了使用干式冷却模式的太阳能电厂。Almería（西班牙）的气候条件也被考虑在内。更多研究致力于模拟集成干式冷却系统的此类装置的性能，以减少用水量[14-27]。然而，所有研究都指出，使用空气冷却系统会导致发电量减少（因为需要额外的能量来运行风扇和泵等辅助冷却部件），从而降低装置的调度能力并增加总投资成本。因此，强烈建议探索替代和创新的方法及布局，以在保持高调度能力的同时减少用水量。Marugán-Cruz等人[28] 提出了一种新的干式冷却策略，将干式Heller冷却系统集成到研究中的发电装置中，节省了冷却用水量并降低了冷却过程的寄生功率。Sun等人[29] 使用喷雾冷却系统提高了CSP装置中空气冷却塔的性能，设计了一种自然通风的干式冷却塔，并利用系统测试数据优化了其工作条件。Dyreson和Miller[30] 提出了一种利用辐射增强冷却系统的方案，该方案可能比传统空气冷却系统更有效，且不使用水。由于对流和辐射的作用，废热被转移到沙漠地区的夜间低温中。

回顾迄今为止的文献中的研究，大多数研究提出了通过采用干式或混合冷却系统来减少CSP装置用水量的方法。虽然这些方法减少了用水量，但往往以较低的装置效率、较高的寄生功率需求和较高的资本成本为代价，从而降低了CSP装置的技术经济竞争力。因此，需要进一步的研究来在减少用水量的同时保持高发电水平。另一方面，冷却系统的水量需求与冷凝器热流直接相关，热负荷的增加会成比例地提高用水量。因此，本研究提出了一种创新方案，即在CSP装置中集成基于有机朗肯循环（ORC）的废热回收系统（WHRS）。与传统干式冷却方案不同，这种方法不仅减少了用水量，还提高了装置的整体性能。WHRS从蒸汽动力块中回收废热，将其转化为额外的电力，同时减少冷却系统的热负荷。因此，本研究的主要目的是评估配备有基于ORC的WHR系统的太阳能热电厂的能量产出和冷却性能，包括用水量和电力消耗情况。

摘录

数据和方法

提出的大规模发电太阳能装置的主要目标是在保持其技术经济竞争力（包括高能量产出和低投资成本）的同时，减少湿式冷却系统中的用水量。为此，首先收集并整理了整个装置的主要数据和输入信息，包括太阳能集热场、动力块和冷却系统。

结果与讨论

本研究的评估基于每小时和每年的数据。选取了阿尔及利亚西南部Bechar地区的典型气象年（TMY）数据（共8760小时）作为模拟对象，对比了两种布局：Gemasolar（参考装置）和新装置（集成WHRS的装置）。这些数据包括直接法向辐照度（DNI），它是研究装置能量的来源；环境湿球温度，它会影响装置的运行。

结论

在本研究中，通过对运行中的Gemasolar装置集成基于有机朗肯循环（ORC）的废热回收系统（WHRS），提高了装置的调度能力，并减少了冷却塔中的水资源和电力消耗。首先验证了所建立模型的准确性，然后将新布局的能量产出和冷却性能与传统Gemasolar装置进行了比较。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。