使用线性菲涅尔反射镜进行多能生产的太阳能驱动混合多联产系统热力学分析

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Thermodynamic analysis of a solar-powered hybrid polygeneration system using linear fresnel reflectors for multi-energy production

　　

摘要

对可持续能源解决方案日益增长的需求进一步激发了人们对基于太阳能的多联产系统的兴趣，该系统能够从单一的可再生能源资源中提供多种有用的产品。本文提出并分析了一种由线性菲涅尔反射器（LFR）辅助的混合多联产系统，该系统能够同时生产电力、冷量、淡水、氢气，并在液化天然气（LNG）再气化过程中回收冷能。所建议的系统由一个再热超临界CO?朗肯循环（tRC）作为主要电力生产单元，辅以有机朗肯循环（ORC）作为次级发电子系统，随后依次为LNG再气化子系统、多效蒸馏（MED）系统、吸收式制冷循环（ARC）和碱性电解槽（AEl）。利用能量分析和?分析方法，针对土耳其伊斯帕尔塔的气候条件对拟建工厂的性能进行了分析。通过月度、日度及参数化分析，研究了太阳辐射对工厂整体性能的影响。此外，在具有代表性的太阳辐射水平850 W/m2下，工厂能够产生总净功率1036.03 kW，同时提供制冷能力353.99 kW、淡水产量3.58 m3/h和氢气产量1.40 kg/h。结果表明，工厂的总体能量效率和?效率分别为0.165和0.14，LFR的总热效率为0.5947，MED单元的输出增益比为6.019。

引言

尽管化石燃料在电力和热量生成方面在全球能源市场中仍占据主导地位，但其多年来过度使用引发了诸多环境问题，如温室效应、空气污染、全球变暖和气候变化。除了环境问题之外，化石燃料价格的波动及其枯竭进一步凸显了使用替代和可持续能源资源的重要性。因此，将可再生能源技术整合到现代热力学系统以实现低环境影响的能量转换，其重要性怎么强调都不为过。在各类可再生能源中，太阳能被认为是前景最为 promising 的资源之一，这得益于其在集中式和分布式能源系统中的可用性和适应性[1]。

太阳能可以通过两种方式加以利用：直接以光伏系统的形式，以及间接以聚光太阳能（CSP）系统的形式。在CSP应用中，太阳辐射被转化为高温热能，随后可用于驱动热力学循环以发电，也可用于各种热应用。随着太阳能热技术不断进展，由太阳能驱动的联产系统因其能够从单一可再生能源热源同时生产多种有用产品的能力而日益受到关注。通过将热能级联分配到在不同温度水平下运行的各子系统中，这些系统提高了整体能源利用效率，同时减少了热力学不可逆性。因此，越来越多的研究致力于基于太阳能的多联产配置，将太阳能集热器与各种热力学循环及辅助子系统相结合。Kariuki等人[2]研究了一所集成了光伏/集热（PV/T）单元、平板集热器、质子交换膜电解槽（PEME）以及加湿-除湿（HDH）海水淡化子系统的可再生能源工厂，以实现电力、氢气和清洁水的同时生产。基于季节性性能分析，聚光PV/T构型实现了52%的最大PV/T效率和62%的电解槽效率，而海水淡化子系统达到了4.8的输出增益比。Shakouri等人[3]对一种太阳能辅助多联产工厂进行了热力学分析，该工厂将太阳能与传统系统结合，以产生电力、供热、制冷、淡水和氢气。Behzadi等人[4]提出了一种基于太阳能并结合热电发电机用于制冷和制氢的组合工厂。该系统的?效率为12.01%，总成本率为0.1762 $/h。Yilmaz等人[5]提出了一种太阳能驱动的多联产工厂，集成了抛物面太阳能集热器（PSC）、RC、tRC、海水淡化单元、PEME和氨反应器。其热力学分析表明，能量效率和?效率分别为29.04%和27.43%。Pourmoghadam和Kasaeian[6]研究了一种动态太阳能驱动的集成制冷、供热、发电和制水系统。Mao等人[7]开发了一种集成太阳能多联产配置，由抛物面碟式集热器、ORC、卡林纳循环（KC）、热海水淡化、ARC和固体氧化物电解槽组成，以同时生产电力、淡水、氢气和热能。根据其热力学分析，该系统实现了34.1%的能量效率和24.1%的?效率。

Rong等人[8]提出了一种新型太阳能驱动的多联产系统，集成了tRC、KC和ORC，利用太阳能热能通过PEME生产氢气，同时实现联合制冷、供热和发电。分析显示能量效率和?效率分别为39.71%和11.00%。Sadiq等人[9]考察了一种太阳能辅助的多联产配置，能够同时生产电力、氨和冷量，总能量效率达到21.74%。Gursoy和Dincer[10]开发了一种基于太阳能塔并结合RC、ORC、ARC、温室单元和热水加热子系统的太阳能驱动集成多联产工厂。所考察的配置表现出22.64%的总能量效率和21.8%的?性能。Mirsane和Pedram[11]评估了一种集成定日镜场、KC和ORC、海水淡化单元以及固体氧化物电解子系统的太阳能辅助多联产工厂的可行性。该布置能够实现电力、热量、淡水和氢气的同时生产。所考察的结构能够产生7.678 MW的电力和38.91 kg/s的清洁水，同时实现18.6%的总能量效率和11.5%的?效率。Temiz和Dincer[12]设计了一种基于太阳能的集成工厂，包含热储存、RC、ORC和氢气子系统，以确保持续的多功能运行。其分析表明，第一定律和第二定律的总效率分别为31.29%和19.71%。Basiony等人[13]对两种太阳能驱动的多联产配置进行了技术经济比较，一种为热驱动型，另一种为电驱动型，两者均整合了储能技术。Wu和Niu[14]研究了一所太阳能辅助的组合工厂，由KC、ARC和海水淡化子系统组成。所建议的配置能够实现电力、制冷和蒸馏水的同时生产。热力学和?经济分析揭示，该系统可产生0.066 MW电力、0.177 MW制冷能力和1.35 kg/s清洁水，实现0.68的能量效率和0.16的?性能。Salehi和Javanfam[15]提出了一种集成ARC、ORC和HDH单元子系统的太阳能辅助多联产工厂。该配置能够实现电力、制冷和蒸馏水的同时生产，产生21.46 kW电力、71.02 kW制冷能力和100.65 g/s淡水。Almadhor等人[16]评估了一所太阳能动力多联产工厂，包含ORC、制冷和反渗透海水淡化系统。Qing[17]对一种太阳能集成能源工厂进行了分析，该工厂能够实现电力、制冷和液化氢气的同时生产。基准情况对应13.450 MW净电力、3410 kW制冷能力和27.3 kg/h液化氢气产量。Bai等人[18]也提出了一种太阳能多联产系统，可同时提供电力、热量、氢气和清洁水。研究发现该工厂可提供14.86 MW电力和40.22 kg/s清洁水。

除了上述太阳能驱动的多联产系统外，近期人们对LFR技术的关注度日益增长，这得益于其相对简单的结构、较低的资本成本以及适配多种热力学循环的能力[19]。因此，各种研究工作探索了基于LFR的多联产系统，将太阳能热能集成到各种电力和辅助系统中。Boyaghchi等人[20]建议了一种太阳能驱动的联合循环并通过热力学、经济和环境评估对其进行性能评价。Jawad等人[21]考察了与热储能耦合的LFR-ORC集成循环以实现增强的电力生产。基于实验性中试测试，记录了该系统6.76 kW的峰值电力输出，对应的能量效率和?效率分别为6%和19%。Ma等人[22]建模了一所由太阳能-地热能混合热源辅助的多联产工厂，用于生产电力、供热、制冷和氢气。该工厂实现了0.34的总能量效率和0.66的总?性能。此外，Sun等人[23]对结合了LFR、ORC、燃料电池和斯特林发动机的太阳能辅助多联产工厂进行了研究。系统热力学分析表明该工厂的能量效率可达0.71。Bellos等人[24]对LFR基系统进行了另一项研究，报道了该工厂的能量效率和?效率分别为17.5%和8.3%。Wang等人[25]考察了一种能够生产电力、清洁水和氢气的太阳能辅助多联产系统。该工厂实现了50.0 MW的电力输出，而氢气和淡水产量分别达到6.24 kg/h和393.55 t/h。Liao等人[26]研究了一种基于LFR的三联产配置，用于生产电力、供热和制冷。

尽管关于LFR基多联产系统的研究数量不断增长，但当前文献中仍存在若干局限性。大多数现有研究关注有限的产品组合，通常仅涉及电力与制冷或制氢的组合。此外，大多数报道的配置采用ORC或超临界CO?布雷顿循环（sBC）作为主要发电单元。在LFR驱动的级联架构中将tRC作为高温顶循环的潜在应用相比之下受到的关注有限。此外，跨多个温度水平级联利用热能往往未被充分优化，导致余热利用不足和?损增加。虽然太阳能热系统由于太阳辐射的间歇性和弥散性通常面临相对较低的转换效率，但当它们被用于集成多联产配置时，其整体性能可显著提升。在此类系统中，相同的太阳能输入可级联通过不同子系统，使残余热能得以回收并转化为多种有用产品，而非作为废热被排放。在这方面，尽管LFR系统与其他某些聚光太阳能技术相比，其光学和热效率通常较低，但由于其结构更简单、投资成本更低、维护更便捷且适用于大规模应用，因此被认为具有经济吸引力。此外，LFR系统的模块化和紧凑配置使其特别适合混合和级联多联产系统，在这些系统中，具有成本效益的太阳能热集成和序贯热能利用至关重要。据作者所知，在完全由LFR驱动的级联架构中结合再热tRC作为顶循环与ORC、LNG、ARC、MED和碱性电解子系统的研究在公开文献中仍非常有限。为解决这些局限性，本文提出了一种基于LFR场的太阳能驱动多联产系统。在所建议的配置中，太阳能热能首先在tRC中用于主发电，剩余的热能则依次分配到下游子系统中以实现额外的有用输出。在此背景下，将ORC集成为中间发电阶段，以有效利用级联结构中的中温热能。通过这种级联热利用策略，该系统能够实现从单一可再生热源同时生产电力、淡水和冷量。当前工作的新颖性不仅在于既有子系统的集成，更在于开发了一种完全由LFR驱动的级联多联产架构，采用再热tRC作为顶循环，随后通过在不同温度水平运行的ORC、LNG、ARC、MED和AEl子系统序贯利用残余热能。与大多数先前报道的LFR基多联产系统不同——后者通常关注有限数量的产品并采用基于ORC或布雷顿循环的顶循环——所提出的配置将高品质发电与结构化的级联热利用策略相结合，实现电力、制冷、淡水、氢气的同时生产以及LNG再气化过程中的冷能回收。因此，本研究的贡献不仅限于现有组件的简单组合，还包含了提出并进行热力学评估的多层级联架构，旨在改善太阳能热能的利用并减少余热的排放。

利用高等级热能优先发电，并将余热用于生产其他产品，是本研究提出架构的目标，该架构旨在提高热力学性能并实现对太阳能衍生热能的充分利用。
段落片段 系统描述 图1展示了所建议的多联产工厂的原理示意图。所提出的多联产工厂主要基于使用线性槽式聚光器技术收集的太阳能热能源。线性槽式聚光器作为所提出多联产工厂热能的主要提供方。收集的太阳能热能源通过循环于集热场中的载热工质进行传递。所提出的系统配置方式使得热能可以—— 建模 采用热力学第一定律和第二定律对所提出的系统进行热力学分析。本文中采用以下质量、能量和?关系来表征和分析各系统配置：
?_in之和减去?_out之和等于0
Q?减去?等于?_out乘以h_out之和减去?_in乘以h_in之和
?减去?等于?_out乘以ex_out之和减去?_in乘以ex_in之和加上?_Ex,Des
其中，?表示质量流量，Q?代表热传递速率，?显示功率，h指比焓，ex是流动?，?_Ex,Des表示?破坏。
结果与讨论 在进行热力学性能评估之前，通过验证程序评估了所开发模型的可靠性，验证使用了先前发表的实验和数值研究数据。对所提出的线性槽式聚光器辅助混合多联产系统的主要子系统进行了验证，包括线性槽式聚光器、透平再热跨临界CO?循环、有机朗肯循环、吸收式制冷循环、蒸汽压渗透器以及氨电解单元。当前预测值与参考数据的比较显示令人满意的一致性，证实了—— 的准确性。
结论 本研究提出并评估了一种由线性槽式聚光器驱动的级联多联产系统，用于同时发电、制冷、生产淡水和氢气，并回收液化天然气冷能。本研究的主要贡献是在单一的线性槽式聚光器驱动配置中集成了再热跨临界CO?朗肯循环、有机朗肯循环、吸收式制冷循环、蒸汽压渗透器单元和液化天然气再气化子系统。该级联布置利用不同温度等级的太阳能热能源生产多种有用输出。
利益冲突声明 作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
塞尔皮尔·切利克·托克尔|甘泽·索伊图尔克|翁德·基尔卡恩
伊斯帕尔塔应用科学学院，工程学院，机械工程系，伊斯帕尔塔，32040，土耳其