科研團(tuán)隊(duì)突破可再生能源集成技術(shù)：新型風(fēng)-光-熱發(fā)電系統(tǒng)助力碳中和

近日，中國(guó)華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)在《能源前沿》期刊發(fā)表了一項(xiàng)重要研究成果。該團(tuán)隊(duì)提出了一種結(jié)合風(fēng)能（WP）、光伏（PV）、槽式聚光太陽(yáng)能（CSP）及超臨界二氧化碳（S-CO?）布雷頓循環(huán)的新型發(fā)電系統(tǒng)，并通過(guò)創(chuàng)新的“容量-運(yùn)行協(xié)同優(yōu)化”模型，顯著提升了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。這一技術(shù)突破為全球可再生能源的高效利用提供了新思路。

突破傳統(tǒng)瓶頸：S-CO?循環(huán)與儲(chǔ)能技術(shù)是關(guān)鍵

傳統(tǒng)火力發(fā)電依賴化石能源，污染嚴(yán)重，而風(fēng)電、光伏雖清潔卻因間歇性易造成“棄風(fēng)棄光”。為解決這一矛盾，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地引入槽式聚光太陽(yáng)能（CSP）作為調(diào)峰電源，并搭載熱儲(chǔ)能（TES）和電加熱器（EH）子系統(tǒng)。CSP通過(guò)聚光鏡將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能儲(chǔ)存，在風(fēng)光出力不足時(shí)快速補(bǔ)充電力；EH則可將多余風(fēng)光電能轉(zhuǎn)化為熱能存入TES，減少能源浪費(fèi)。

更關(guān)鍵的是，團(tuán)隊(duì)采用超臨界二氧化碳（S-CO?）布雷頓循環(huán)替代傳統(tǒng)蒸汽輪機(jī)。S-CO?循環(huán)在高溫高壓下運(yùn)行，熱效率比傳統(tǒng)蒸汽循環(huán)高出約10%，且設(shè)備體積更小、啟動(dòng)更快，能靈活應(yīng)對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)。研究數(shù)據(jù)顯示，優(yōu)化后的系統(tǒng)碳排放較未優(yōu)化系統(tǒng)降低92.13%，平準(zhǔn)化能源成本（LCOE）下降3.43%，實(shí)現(xiàn)了環(huán)保與經(jīng)濟(jì)的雙重突破。

張家口實(shí)證：優(yōu)化后系統(tǒng)棄風(fēng)棄光減少46%

為驗(yàn)證技術(shù)可行性，團(tuán)隊(duì)以中國(guó)河北省張家口地區(qū)為案例進(jìn)行模擬。張家口風(fēng)、光資源豐富，但傳統(tǒng)系統(tǒng)因調(diào)峰能力不足常導(dǎo)致能源浪費(fèi)。通過(guò)“雙層優(yōu)化模型”（上層以LCOE和碳排放為優(yōu)化目標(biāo)，下層以可再生能源利用率為核心），團(tuán)隊(duì)利用NSGA-II算法嵌套線性規(guī)劃（LP）求解，最終確定最優(yōu)容量配置：CSP裝機(jī)167兆瓦、光伏72兆瓦、風(fēng)電31.8兆瓦，配以7小時(shí)熱儲(chǔ)能和45兆瓦電加熱器。

運(yùn)行結(jié)果顯示，系統(tǒng)年棄風(fēng)棄光量減少46%，碳排放降至370噸/年，LCOE為0.4196美元/千瓦時(shí)。對(duì)比三種參考系統(tǒng)（無(wú)EH、使用傳統(tǒng)蒸汽循環(huán)、未優(yōu)化系統(tǒng)），優(yōu)化后的系統(tǒng)在調(diào)峰能力、儲(chǔ)能效率和成本控制上均表現(xiàn)最優(yōu)。例如，配備EH使系統(tǒng)棄電率降低52%，而S-CO?循環(huán)的熱電轉(zhuǎn)換效率較蒸汽循環(huán)提升4.66%。

技術(shù)前景：為全球能源轉(zhuǎn)型提供中國(guó)方案

研究進(jìn)一步通過(guò)敏感性分析揭示了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。例如，聚光鏡場(chǎng)回路數(shù)（NLoop）和CSP容量（CCSP）存在“最優(yōu)區(qū)間”：NLoop在291-567回路時(shí)LCOE最低，而CSP容量在0-170兆瓦區(qū)間內(nèi)可兼顧經(jīng)濟(jì)性與減排效果。此外，熱儲(chǔ)能（TES）對(duì)LCOE影響顯著，其容量增加可大幅提升系統(tǒng)調(diào)峰能力，驗(yàn)證了“儲(chǔ)能為可再生能源核心”的未來(lái)趨勢(shì)。

該成果不僅為中國(guó)“雙碳”目標(biāo)提供了技術(shù)支撐，也為全球尤其是風(fēng)光資源豐富地區(qū)的高比例可再生能源并網(wǎng)難題提供了解決方案。研究團(tuán)隊(duì)表示，下一步將推動(dòng)該系統(tǒng)在大型風(fēng)光基地的示范應(yīng)用，并探索與氫能、電池儲(chǔ)能的耦合，進(jìn)一步降低對(duì)傳統(tǒng)火電的依賴。

在全球能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期，這項(xiàng)技術(shù)突破標(biāo)志著中國(guó)在可再生能源集成領(lǐng)域邁出了重要一步，也為人類應(yīng)對(duì)氣候變化注入了新的信心。