《Energy》：An enhanced solar–coal hybrid power generation system by integrating photovoltaic–powered coal pre–drying
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提出光伏驅動蒸汽壓縮機整合的增強型太陽能-燃煤混合發電系統，解決傳統系統高成本低效問題，提升發電量25.50MW，熱效率1.76%，成本降至0.083CNY/kWh，僅為傳統5.9%。
余涵|薛燕|凌旭蒙|孫穎穎|吳俊杰
南京工業大學能源與動力工程學院，中國南京211167
摘要
為了解決傳統太陽能-煤混合發電（SCHPG）成本高、效率低的問題，本文提出了一種改進型SCHPG方案，該方案結合了光伏驅動的煤預干燥（PPCP）技術。該方法使用經濟實惠的光伏模塊替代了槽式太陽能集熱器，少量光伏電力用于驅動蒸汽壓縮機，將廢蒸汽轉化為可用的干燥蒸汽，從而顯著提高熱能利用率。在標準660 MW的發電廠中，這種創新方案使電力輸出增加了25.50 MWe，熱效率提高了1.76%。這些改進效果是傳統SCHPG的14.5倍。新型SCHPG的太陽能發電成本僅為0.083 CNY/kWh，僅為傳統方案的5.9%。通過利用這種獨特的太陽能轉換機制，實現了干燥煤的儲存，以緩解太陽能的波動。新型SCHPG展示了一種新的太陽能轉換模式：首先通過太陽能驅動的廢蒸汽回收技術放大能量，再利用煤預干燥技術將其轉化為燃料的熱值。這些優異的熱性能和經濟效益表明，PPCP技術為解決傳統SCHPG的核心問題提供了重要途徑。
引言
由于煤炭具有穩定的熱值[1]，它成為全球電力生產的主要能源，貢獻了超過35%的發電量。然而，燃煤電廠（CFPP）會排放大量二氧化碳（CO2）。為了減少CO2排放，太陽能是一種有前景的替代方案。太陽能-煤混合發電（SCHPG）有望實現低碳、穩定的電力生產[2]。
SCHPG技術源于Zoschak的提議[3]，并在學術界得到了廣泛關注。Shagdar[4]將槽式太陽能集熱器應用于將除氧器產生的給水加熱為蒸汽，用于驅動渦輪機。根據模擬數據和計算模型，該系統在夏季典型天氣下節省了183噸燃料，并實現了31.8%的太陽能到電能的轉換效率（SEE）。Zhang[5]建立了一個動態模型，對330 MW的SCHPG系統進行了模擬，結果顯示關鍵參數能夠穩定維持，CO2排放量減少了186.7噸/天。Yousuf[6]對SCHPG系統進行了生命周期評估，全面分析了太陽能集熱器面積和關鍵經濟參數對生命周期成本的影響。Wang[7]通過高效集成實現了太陽能的梯級利用，使660 MW電廠在全負荷運行時的SEE提高了25.5%，全年CO2排放量減少了0.27百萬噸。Wu[8]提出了一種新的方法來評估SCHPG系統中的太陽能貢獻，理論分析了能量、有效能和集成模式對太陽能貢獻的影響。Mofidipour[9]對結合CO2捕集技術的SCHPG系統進行了優化，使能量效率提高了0.74%，有效能效率提高了1.35%，響應時間減少了4.14%。Lei[10]提出了一種新型SCHPG系統，具有較高的熱能和水資源節約性能。模擬和計算結果顯示，該系統每年可節省0.387百萬噸煤炭和10.79 g/kWh的用水量。Liu[11]將兩階段太陽能熱能集成到CFPP的熱力循環中，與單階段SCHPG系統相比，提高了7.83%-11.88%的太陽能有效能，減少了1.58-4.24 g/kWh的燃料消耗。Reddy[12]對新型槽式太陽能集熱器進行了工程測試，揭示了標準化溫差與太陽能到熱效率（STE）之間的關系。
早期關于SCHPG的研究主要集中在將太陽能熱能與CFPP的熱力循環相結合上。雖然學者們對傳統集成模式進行了全面研究，但經濟性能不佳限制了其廣泛應用。特別是核心設備——槽式太陽能集熱器的成本通常超過6000 CNY/kW[13]，而光伏發電的成本約為1500 CNY/kW[14]。用經濟實惠的光伏模塊替代昂貴的集熱器為解決SCHPG問題帶來了希望。然而，由于光伏技術似乎與CFPP關聯性不強，新型SCHPG并未受到充分關注。
一種新的集成方法——光伏驅動的煤預干燥（PPCP）將光伏技術與CFPP相結合，顯示出顯著的優勢：首先，煤預干燥可以顯著提高煤炭的低熱值（LHV）和CFPP的熱性能[15]；其次，蒸汽壓縮機能夠以較低的電力消耗提高蒸汽參數；最后，光伏電力可以驅動壓縮機，高效干燥煤炭并提升CFPP的性能。綜上所述，新型SCHPG通過PPCP技術用經濟實惠的光伏模塊替代昂貴的集熱器，為克服傳統SCHPG的主要挑戰提供了有效途徑。
新型SCHPG采用的煤預干燥技術已在工業中得到廣泛應用。Xu[17]將流化床干燥技術應用于空氣冷卻電廠，使用褐煤進行干燥，使電廠的熱效率和電力輸出分別提高了1.3%和19.7 MWe。He[18]開發了一種新的褐煤干燥和分離工藝，在最佳工作條件下，有效干燥了粒徑為25-13 mm的褐煤，最終得到高品質煤炭（灰分含量9.72%，水分含量13.13%，熱值4318.33 cal/g）。Han[19]通過有效能分析揭示了煤預干燥的性能提升機制，使燃燒和廢氣的有效能損失分別減少了2.32%和0.68%。Jaszczur[20]建議將煤預干燥系統應用于整體氣化聯合循環中，實驗表明在0.12 MPa和133.84 °C的條件下，褐煤的水分含量可有效降低至20%。
因此，本文開發了一種結合PPCP技術的改進型SCHPG。光伏電力用于驅動蒸汽壓縮機，回收廢蒸汽并生成適用于煤預干燥的蒸汽。對新SCHPG進行了熱力學分析和經濟評估，證明了其在解決傳統SCHPG核心問題方面的有效性。
傳統SCHPG的核心問題：高成本和低效率
圖1展示了傳統SCHPG的工藝流程，其中槽式太陽能用于加熱CFPP的給水。傳統SCHPG存在兩個主要問題：槽式太陽能集熱器成本高昂（通常超過6000 CNY/kW[13]）和效率低下（SEE僅為15%-25%[21]），這些問題導致了其經濟效益不佳。
通過結合PPCP技術解決核心問題
利用PPCP技術開發的改進型SCHPG為解決這些問題提供了可行方案
基礎CFPP簡介
以660 MW的CFPP作為案例研究對象，其配置如圖5所示。煤炭和流體的相關參數分別列于表1和表2中。
新型SCHPG的配置
新型SCHPG的配置如圖6所示。光伏模塊用于驅動壓縮機，將干燥器產生的廢蒸汽（0.1 MPa，100 °C）轉化為可用干燥蒸汽（0.2 MPa，150 °C）。干燥后的蒸汽在流化床干燥器中釋放熱量，產生可用于燃燒的干燥煤炭和驅動壓縮機的廢蒸汽。
能量平衡模擬與驗證
Ebsilon軟件常用于熱電發電的能量平衡模擬[26]，本文也使用了該軟件對SCHPG系統進行了模擬。詳細模型見表5。
為了驗證模擬結果，以基礎CFPP的電力輸出和蒸汽流量為基準數據。模擬參數與實際參數在圖9中進行了對比，模擬結果與實際數據之間的誤差很小，驗證了模擬的準確性。
太陽能計算
在新SCHPG系統中，光伏輻照度（Ipho）為...
設計點條件下的熱性能
表7和表8分別總結了傳統SCHPG和新SCHPG系統的流體參數。表9列出了SDWSR的關鍵參數。表10詳細比較了原始煤炭和干燥后煤炭的參數。可以看出，兩種系統提升性能的機制有所不同。傳統SCHPG的熱性能提升主要得益于回收蒸汽的利用。
陰天時可用太陽能輻照度的顯著提升
新型SCHPG采用非聚光光伏技術，在陰天通過高效利用散射太陽輻射實現高性能。圖18顯示了典型陰天（9月16日）SCHPG系統捕獲的太陽輻射量。在相同設備面積（14850 m2）下，新型SCHPG捕獲的總太陽輻射量是傳統SCHPG的兩倍多（59.45 MWh vs 29.39 MWh）。
結論
為克服傳統SCHPG的局限性，本文開發了一種結合PPCP技術的改進型SCHPG。通過熱力學分析和經濟評估對其性能進行了評估，結論如下：
(1)新型SCHPG有效解決了傳統系統的成本和效率問題。首先，使用低成本的光伏模塊替代了昂貴的槽式集熱器，將太陽能組件的成本從5188萬元降至524萬元。其次，光伏技術提高了太陽能的利用率。
作者貢獻聲明
孫穎穎：撰寫、審稿與編輯、驗證。凌旭蒙：撰寫、審稿與編輯、驗證、數據整理。吳俊杰：撰寫、審稿與編輯、資金籌集。薛燕：撰寫、審稿與編輯、驗證、數據整理。余涵：撰寫初稿、數據可視化、軟件應用、方法設計、實驗研究、資金籌集、數據分析、概念構建
利益沖突聲明
作者聲明沒有已知的可能影響本文研究的財務利益沖突或個人關系。
致謝
本研究得到了中國江蘇省青蘭項目的支持。
