新型太阳能-核能混合发电与制氢系统的设计与经济性分析

《DeCarbon》：Design and Economic Analysis of Novel Solar-Nuclear Hybrid Systems for Power Generation and Hydrogen Production

　　

在本研究中，提出了一种新型太阳能-核能混合发电与制氢系统（SNPH），该系统由塔式聚光太阳能集热系统、核反应堆、超临界CO₂布雷顿循环以及用于制氢的碱性电解槽组成。该系统采用并联热源配置。研究人员使用MATLAB对整个系统进行了建模、调试与优化。结果表明，在相同边界条件约束下，该系统采用的热源并联布置优于传统的热源串联布置，并在分流比为0.63时达到最大发电功率148.7 MW，对应热电转换效率为40.74%。随后，研究人员调整了核热交换器与熔盐热交换器之间的热能分配，以量化净输出功率、制氢功率和热电转换效率的相应变化，得到的最大制氢速率和发电功率分别为711.2 kg/h和161.4 MW。接下来，研究人员对系统的经济可行性进行了分析，结果表明最优平准化电力成本（LCOE）和平准化制氢成本（LCOH）分别为0.15 $/kWh和6.315 $/kg。最后，研究人员对系统进行了?分析，发现钠冷快堆的?破坏最大，其次是塔式聚光太阳能热场，而冷凝器的?效率最低。该研究为多热源多能互补系统的设计提供了一种新模式。

新型太阳能-核能混合发电与制氢系统（SNPH）的设计与经济性分析论文解读

一、研究背景与问题

随着全球经济发展和人口持续增长，能源需求不断增加，而大量化石燃料消耗引发了严重的环境污染和全球气候变暖问题。为实现碳中和目标并转变能源结构，开发清洁、高效、可持续的新能源技术已成为全球共识。核能凭借资源丰富、低碳排放、可稳定带基荷运行等优势，太阳能则因储量巨大且清洁可再生，二者均被视为未来能源体系的重要支柱。然而，单一能源形式存在固有局限：核能负荷跟随能力有限，难以灵活调节；太阳能则具有间歇性强、波动性大的特点，受天气和昼夜交替影响显著，对电网稳定运行构成挑战。将太阳能与核能有机耦合构建混合能源系统，可以利用核能的稳定性抑制太阳能的间歇性，为构建未来高比例可再生能源电力系统提供有效方案。此外，氢作为清洁能源载体日益受到重视，将碱性电解槽等制氢系统与混合能源系统耦合，可实现绿色制氢，有效消纳混合系统的富余电力，进一步提升系统综合能源利用效率与灵活性。

尽管已有研究为太阳能-核能混合系统和制氢技术的发展奠定了基础，但仍存在诸多待解决问题：核反应堆与塔式聚光太阳能集热系统之间的热耦合机理研究尚不充分；超临界CO₂（S-CO₂）布雷顿循环对多热源动态切换的适应性尚未得到分析；碱性电解槽制氢系统与混合发电系统的协同控制策略、剩余电力消纳机理及系统整体热经济性优化仍处于初步阶段；现有研究鲜有对发电-制氢多联产系统全工况性能的综合评价。

二、研究内容与结论

针对上述问题，研究人员提出了一种新型太阳能-核能混合发电与制氢系统（SNPH），该系统集成核反应堆、塔式聚光太阳能集热系统、S-CO₂布雷顿循环及碱性电解槽制氢系统，旨在揭示各模块间的协同规律并优化系统整体性能。研究结果表明，在相同边界条件约束下，该系统采用的热源并联布置优于传统串联布置，在分流比为0.63时获得最大发电功率148.7 MW，对应热电效率40.74%；通过调节核热交换器与熔盐热交换器之间的热能分配，系统最大制氢速率和发电功率分别为711.2 kg/h和161.4 MW；经济性分析显示最优平准化电力成本（LCOE）和制氢成本（LCOH）分别为0.15 $/kWh和6.315 $/kg；?分析发现钠冷快堆的?破坏最大，其次是塔式聚光太阳能热场，冷凝器?效率最低。该研究为多热源多能互补系统的结构设计提供了新范式，具有重要工程参考价值。论文发表在《DeCarbon》。

三、主要关键技术方法

研究人员采用MATLAB对SNPH系统整体建模，包括塔式聚光太阳能集热子系统、S-CO₂再压缩布雷顿循环、简单布雷顿循环及碱性电解槽制氢子系统。利用KALIMER-600反应堆设计参数及文献数据进行模型验证，系统计算误差小于1%，子系统验证结果与文献值吻合良好。经济性分析采用平准化电力成本（LCOE）与平准化制氢成本（LCOH）模型，?分析基于各部件?平衡方程。经济性分析所用投资成本数据来源于文献，涉及钠冷快堆、聚光太阳能及碱性电解槽的公开成本参数；系统设计寿命40年，贴现率7%。验证数据涵盖塔式聚光太阳能集热场整体光学效率（DNI=850 W/m²工况下41.2%）、接收器热效率（85.7%）及碱性电解槽工作电压（1.82 V）等。

四、结果与讨论

（一）系统模型验证
研究人员对KALIMER-600三回路工况进行验证计算，发电功率、效率、主压缩机及再压缩机功耗的相对误差均小于1%，证明模型与程序可靠性。塔式聚光太阳能子系统与碱性电解槽子系统的基准验证也表明各部件建模精确，可获得可靠的整系统模拟结果。

（二）热源并联布置系统性能研究
研究人员对比了传统热源串联布置系统与新提出的并联布置系统。结果表明，两种系统的发电功率均随分流比增大而增加，原因在于涡轮输出功率在热输入和入口参数恒定时变化不大，主要影响因素为压缩机功耗。并联系统在分流比大于0.8时需避免低温回热器夹点问题。在不控制热源前温度T_S的情况下，随着分流比增大，发电功率先增后减，在分流比0.63时达到最大净输出功率148.7 MW，热电效率40.74%，此时T_S为350 °C。与串联系统相比，并联布置在相同边界约束下可输出更大发电功率和更高热电效率，为多热源多能互补系统结构设计提供新思路。

（三）不同能量分配对发电与制氢功能的影响
太阳能集热模块为发电系统提供热能、为制氢系统提供热能并储能。高温熔盐换热器出口熔盐温度仍高于400 °C，具有可观余热潜力。研究人员采用以超临界CO₂为工质的简单布雷顿循环替代有机朗肯循环（效率最高仅8.84%）为制氢系统供电，热电转换效率最高达31.5%，有效利用余热。将太阳能集热系统提供的总热能设为200 MW并重新分配，发现发电子系统和制氢辅助布雷顿循环的输出功率均与其分配热能呈线性相关；当分配能量增加时，系统发电效率略有提高，原因在于高温工质比例变化及熔盐出口温度升高。

（四）制氢与系统经济性分析
碱性电解槽在此系统中可在非特殊情况下连续稳定制氢，得益于熔盐储能实现昼夜能量平稳供应。计算得到最大制氢速率为711.2 kg/h。经济性分析表明，提高发电模块热能分配比例可同时降低LCOE和LCOH，最优LCOE和LCOH分别为0.15 $/kWh和6.315 $/kg。美国制氢成本范围为2.6~12.3 $/kg，本系统制氢成本较为合理；2009-2022年混合发电系统LCOE统计中有44.4%位于0.1~0.2 $/kWh，本文结果在该范围内。反应堆建设成本是SNPH系统中最高部分，未来技术发展有望进一步降低成本。

（五）?分析
研究人员对各部件进行?分析，发现钠冷快堆?损失最高，为70.32 MW；塔式聚光太阳能热场其次，为40.2 MW。回热器、涡轮和冷凝器的?损失分别为16.59 MW、15.04 MW和13.32 MW，对应?效率分别为93.55%、94.87%和17.95%。冷凝器?效率最低，是系统核心短板。

五、讨论与结论总结

讨论部分指出，并联热源布局避免了串联布局中高温段热损失累积效应，实现了双热源在同一热力循环内的温度互补；熔盐余热驱动的简单布雷顿循环为碱性电解槽提供稳定电力，实现发电-制氢多联产。研究结论如下：(1) 双热源并联布置系统在相同边界条件下具有更高净输出功率和更优整体热力学性能，最大热功率输出分别为123.4 MW和136 MW（串联与并联），对应热电效率33.82%和37.26%；并联系统在分流比0.63时不控制T_S，发电功率最大达148.7 MW，热电效率40.74%。(2) 调节核热交换器与熔盐热交换器间热能分配可量化净发电功率与制氢辅助功率变化趋势，两者随分配能量线性变化，发电模块最大发电功率为161.4 MW。(3) 系统制氢速率峰值711.2 kg/h；经济性分析表明提高发电模块能量输入比例可同时降低发电和制氢成本，优化后LCOE与LCOH分别为0.15 $/kWh和6.315 $/kg，处于现有文献报告的经济可行范围内。(4) ?分析表明钠冷快堆?损失最大（70.32 MW），塔式聚光太阳能热场次之（40.2 MW），冷凝器?效率最低（17.95%），为系统核心缺陷。该研究为多热源多能互补系统的设计与优化提供了新范式。