基于太阳能驱动的可逆固体氧化物电池的集成能源系统的多目标优化研究：考虑非设计工况下的热 cascade 利用机制

《Energy》：Multi-objective Optimization of a Solar-Driven Reversible Solid Oxide Cell-based Integrated Energy System with Thermal Cascade Utilization Considering Off-design Characteristics

　　摘要
可再生能源的间歇性和不确定性给集成能源系统（IESs）的容量规划和运行带来了挑战，这突显了在时变源负荷条件下考虑组件非设计性能的必要性。本研究提出了一个基于太阳能的IES，该系统整合了光伏（PV）发电、可逆固体氧化物电池（RSOC）、抛物面槽式集热器、超临界二氧化碳布雷顿循环、吸收式制冷、电热泵、氢储能和热储能。该架构采用了热级联利用和跨模式热再利用技术，实现了电力、供暖、制冷和氢气的协调供应。非设计模型与能量管理策略相结合，在双层优化框架内进行评估，每种候选配置均通过全年的非设计模拟进行验证。系统容量针对包含办公建筑和加氢站的工业园区进行了优化，同时满足经济和环境目标。该系统的可再生能源占比达到80.04%，弃电率为1.93%，且在平准化成本（LCOE）为0.5747元/千瓦时的情况下满足了季节性多能源需求，低于传统基准的0.71元/千瓦时。对于选定的折中方案，恒效率模型选择了7.03%更大的PV面积，其LCOE比非设计模型高出4.3%。RSOC支持季节性能量平衡，将年度PV电力的52.4%转化为氢气，以弥补冬季供应缺口。敏感性分析表明，PV资本成本和实际折现率是主要的经济驱动因素。这些结果表明，所提出的框架可以支持高比例可再生能源渗透率的低碳IES的更明智的容量规划。

引言
可变可再生能源日益增加的渗透率对电网稳定性提出了重大挑战，通常导致弃电[1],[2],[3]。近年来，基于可再生能源的集成能源系统（IESs）已成为解决这些问题的有前景的方案。通过整合能源和信息技术，IESs协调电力、热能和氢能等多种能源流动，从而提高可再生能源利用率和经济效率[4]。
实现IES中多能源耦合的关键技术是可逆固体氧化物电池（RSOC）。RSOC具有两种运行模式：固体氧化物燃料电池（SOFC）模式，可将气体转化为电力和热能；以及固体氧化物电解电池（SOEC）模式，可将电力和热能转化为氢气。这种双模式运行为能源储存和转换提供了极大的灵活性，使得可再生能源电力的高效利用和气体供应链的脱碳成为可能。理想情况下，氢燃料RSOC系统可实现接近零的排放。Nikiforakis等人的最新综述[5]分析了300多种混合系统配置，得出结论：将SOFC与光伏等可再生能源耦合可将系统综合效率提升至近90%。此外，模块化RSOC设计的最新进展促进了绿色氢气的大规模生产[6]，并且可逆堆栈运行已被验证为有效的电力到气体转化途径[7]。基于这些研究，系统级研究探讨了太阳能驱动的能源储存、公用事业规模的可再生能源平衡以及多状态运行调度[8],[9],[10]。这些研究共同证实了详细电化学和热建模在RSOC系统设计和运行中的价值。

为了提高RSOC系统的热力学性能，有效的热管理至关重要。在SOFC模式下，必须有效回收高温废气热能。已经研究了多种循环方式，如燃气轮机（GT）[11],[12]、蒸汽轮机、Kalina循环、有机朗肯循环（ORC）[11]、超临界二氧化碳（S-CO2）循环[13],[14],[15],[16],[17],[18]以及吸收式制冷循环（ARC）[20],[21]。近年来，由于S-CO2循环具有紧凑的体积、高功率密度、无毒性工作流体和优异的热效率[13],[14]，它们在回收SOFC高温废气热能方面受到了广泛关注。然而，其性能强烈依赖于热源的温度和流量；最近的动态分析表明，改变SOFC排气条件会影响S-CO2循环的输出和运行要求[19]。在SOEC模式下，外部热供应和热耦合也很重要，因为高温蒸汽电解需要电力和热能。大量研究探讨了SOEC与核能、太阳能、地热能等外部热源的耦合[22],[23],[24],[25],[26],[27],[28]。这些研究强调了热集成和运行优化在提高RSOC系统效率方面的作用。基于这些已建立的集成原则，最新研究表明内部热集成有助于缓解功率波动[29]。具体来说，通过热储存单元储存SOFC模式下产生的高温热能并在SOEC模式下利用它，可以显著提高往返效率[30],[31],[32],[33]。在这方面，相变材料（PCM）热储存相比传统的显热储存具有优势，因为它能提供相对稳定的温度输出，有利于维持RSOC的稳定运行[32]。

基于RSOC的IES在多种应用中得到了验证。例如，Rokni等人[34]和Sigurjonsson等人[35]分别在海水淡化和生物质耦合系统中确认了高效率。Salman等人[36]研究了利用SOEC技术通过余热生产氢气的热电联产系统。Akikur等人[37]展示了太阳能驱动的热电联产的经济可行性，年成本为0.068美元/千瓦时。除了可行性研究外，最近的技术经济评估还优化了用于区域能源供应[38]和住宅应用的太阳能驱动的冷热电联产（CCHP）系统[39]。这些应用展示了RSOC的灵活性，但也表明系统性能取决于组件容量、储存和运行决策的协调。

鉴于基于RSOC的IES的复杂性，需要进行严格的优化以确保能源供应的经济性、效率、可靠性和灵活性。在早期阶段，容量优化研究主要关注单一目标，如最小化年化投资成本或运营费用[40],[41],[42],[43]。为了标准化多载体能源流的建模，广泛采用了能源中心（EH）概念进行基于RSOC的IES的静态规划，提供了一种基于矩阵的方法来描述转换关系[44],[45],[46],[47],[48]。然而，单一目标评估往往无法平衡相互冲突的目标，例如经济效益和环境可持续性。因此，采用了多目标优化方法[49],[50],[51]。最近的方法论已从容量规划扩展到在线能源管理，以改善动态响应[52]。总的来说，这些研究推进了基于RSOC的多能源系统的规划和运行。

除了这些进步之外，基于RSOC的IES的配置还需要进一步研究。先前的研究探讨了可逆的氢-电转换和可再生氢储存[8],[9],[10],[31],[32],[33],[40],[41],[42],[43]、围绕电化学堆栈的热集成[29],[30],[31],[32],[33]，以及基于RSOC的多联产配置[34],[35],[36],[37],[38],[39],[54],[55]。也有研究报道了在后续SOEC运行中通过储存介质重新利用SOFC模式下的热能[32],[33],[42],[43],[56],[57]，以及在多联产和废热级联系统中利用SOFC残余热[12],[58]。这些研究为本文考虑的各个技术要素建立了明确的先例。然而，它们在RSOC容量规划框架内的协调实施尚不充分，特别是跨模式热再利用和剩余SOFC排气热能在发电、制冷和供暖之间的分配。

同时，基于RSOC的IES通常包含波动的可再生能源和变化的用户负荷，这可能导致内部组件在非设计条件下运行。由于能源转换和储存设备之间的强耦合，组件性能密切依赖于运行状态。部分负荷和非设计研究表明，高温燃料电池和电解系统的电化学性能会随运行状态变化[59],[60],[61],[62]。S-CO2循环[63],[64]、吸收系统[65]和热泵[66]也表现出负载依赖的性能。在系统层面，非设计运行对热力学和经济性能有显著影响[67],[68],[69]，而容量规划研究表明，可变组件性能和运行策略会改变设备规模和系统运行[70],[71],[72],[73],[74],[75],[76],[77]。尽管取得了这些进展，但在高度集成的基于RSOC的IES的容量规划中，组件尺寸与非设计性能之间的相互作用仍未能得到充分体现。候选容量决定了组件的具体结构参数和可行的运行范围，这些参数又决定了在不同运行条件下的转换效率和能量流动。然而，现有研究并未将这种尺寸-性能关系与全年时间顺序运行以及与RSOC模式排他性、储存状态演变、残余热分配、多能源平衡约束和组件运行范围相关的耦合约束完全整合起来。因此，运行条件依赖的组件性能对替代容量配置评估的影响尚未得到充分量化。

为了证实这一评估，并更清晰地将本研究置于现有文献中，表1使用两个范围标准和五个与贡献相关的特征将19项代表性先前的研究与本研究进行了比较。只有当某个标准被明确且完全满足时，才会分配一个勾选符号；否则，相应的单元保持空白。这两个范围标准区分了RSOC运行（定义为可逆SOFC/SOEC运行）和容量规划（定义为将安装容量或组件尺寸视为规划变量）。只有当在一个RSOC模式中回收的热能在另一个模式中储存并再利用时，才认为存在跨模式热再利用；而多分支残余热利用则要求可回收的热能在多个下游转换或最终用途分支之间分配。全年规划评估要求在年度时间范围内评估候选容量配置，而变性能规划要求负载或运行条件依赖的组件性能直接影响规划评估。最后一个标准识别出在其他条件一致的情况下比较非设计规划和恒效率规划的研究。

比较表明，本研究考虑的每个单独特征都有明确的先例，但在审查的文献中仍存在三个相关空白。首先，没有发现一个同时结合储存介质跨模式热再利用和多分支残余热利用的RSOC容量规划框架。其次，尽管已有全年规划和变性能规划的报道，但没有找到一个框架，通过年度时间顺序模拟来评估每种候选配置，并考虑RSOC、S-CO2循环、ARC和EHP的相互作用非设计性能，同时受到RSOC模式排他性、储存状态演变、残余热分配、多能源平衡约束和组件运行范围的影响。第三，关于非设计和恒效率规划之间比较的现有研究仅限于非RSOC集成能源系统[75],[76],[77]。因此，基于RSOC的IES的组件性能表示的规划影响尚未得到充分量化。

为了解决这些空白，本研究针对包含办公建筑和加氢站的工业园区，研究了一个基于太阳能的RSOC驱动的IES。主要贡献在系统配置、方法论和定量层面总结如下：
1) 提出了一种基于RSOC的IES，该系统采用热级联利用和跨模式热再利用技术。部分高温SOFC排气热能被储存以供后续SOEC运行使用，而剩余的可回收热能根据需求和适用运行约束分配给S-CO2循环、ARC和HE，从而实现电力、供暖、制冷和氢气的协调供应。
2) 开发了一种用于容量规划的双层多目标优化框架，其中包含非设计组件模型。每种候选配置都在优化循环中通过全年非设计模拟进行评估，从而允许在目标函数评估和可行性评估中直接考虑运行条件依赖的组件性能。
3) 量化了组件性能表示的规划影响。在相同规划条件下比较非设计和恒效率表示，揭示了所提出的基于RSOC的IES在规划权衡、容量分配和经济性能方面的差异。

本文的其余部分组织如下：第2节介绍系统配置并建立热力学数学模型。第3节详细说明能量管理策略和提出的双层多目标优化框架。第4节展示了案例研究结果，包括系统配置优化、典型日小时运行、年度性能和敏感性分析。最后，第5节得出结论。

基于RSOC的IES的结构与热级联利用
图1展示了所提出的基于RSOC的IES结构，该系统采用热级联利用技术。能源来源包括PV阵列、PTSC和公用电网，其中PV阵列作为主要电源，公用电网提供备用电力。能源储存单元包括氢储存单元（HSU）和热储存单元（TSU）。主要能源转换设备包括逆变器（RSOC）、蒸汽发生器（SG）、辅助S-CO2布雷顿循环系统（ARC）、热交换器（HE）。在所提出的集成能源系统（IES）中，电力、供暖、制冷和氢气流之间的紧密耦合需要一个定制的能源管理策略来协调能源转换、储能操作和多能源供应。传统的独立系统级策略，如跟随热负荷（FTL）或跟随电负荷（FEL），由于RSOC的双向特性和氢气需求的不可预测性，对于这个特定系统来说是不够的。因此，需要采用分层的系统配置优化方法。

**系统配置优化结果**
本节展示了所提出的集成能源系统的优化结果。为了考察超出设计参数的组件性能的影响，在相同的源-负荷配置、经济假设和决策变量范围内，将基于超出设计参数模型的框架与传统的恒效率模型进行了比较。比较重点在于帕累托前沿、选定的折中方案、容量配置以及所提出系统的经济评估。

**结论**
本研究提出了一个基于太阳能驱动的RSOC的IES，该系统具有热 cascade 利用和跨模式热再利用的特点，并开发了一个双层优化框架，该框架嵌入了能源管理策略和详细的超出设计参数组件模型，以考虑源-负荷的变化性。每个候选配置都通过全年的超出设计参数仿真在优化循环中进行了评估，使得依赖于运行条件的组件性能能够纳入规划评估中。

**CRediT 作者贡献声明**
Xiang Gao：可视化、软件开发。
Gaoyang Hou：写作——审稿与编辑、可视化。
Xiongwen Zhang：写作——审稿与编辑、监督、资金筹集、概念构思。
Zonglei Xu：写作——审稿与编辑、初稿撰写、验证、软件开发、方法论。
Chen Wang：验证、数据管理。
Shuzhi Zhang：写作——审稿与编辑、可视化、方法论、资金筹集。

**利益冲突声明**
? 作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益冲突或个人关系。

**致谢**
本研究得到了云南省基础研究项目（项目编号202601CF070020）、云南省教育厅科学研究基金项目（项目编号2025J0638）以及云南省农业联合重点项目（项目编号202301BD070001-161）的支持。

作者：
Zonglei Xu | Chen Wang | Shuzhi Zhang | Xiang Gao | Gaoyang Hou | Xiongwen Zhang
西南林业大学机械与交通学院，昆明，650224，中国