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💥1 概述
光热发电( concentrating solar power，CSP）是一种新型可再生能源发电技术，具有低碳发电和高效储能的优势，但当前光热电站常充当单一发电源进行能源供应，其供能潜力未得到充分的发挥。在“碳中和,碳达峰”的背景下，为挖掘光热电站的供能潜力，提高能源系统的能源利用效率以及降低系统的碳排放总量，本文提出将光热电站引入综合能源系统中，研究光热电站的不同供能模式及其对综合能源系统优化调度的影响。
本文构建了含光热电站、光伏发电、风力发电、电网、有机郎肯循环、热电联产、电锅炉、P2G装置、制冷机组等的综合能源系统供能网络。并通过改进光热电站的能量流动结构，建立了光热电站热-电联产的数学模型。同时，对合能源系统中其余设备的运行机理进行详细的分析，建立了相应的数学模型，为系统调度研究奠定了理论基础。
光热发电技术是一种有别于光伏发电、太阳池发电以及热风发电的新型太阳能发电技术。作为大规模太阳能发电的主要方式，光热电站可以利用太阳辐射能产生的热能进行间接发电，实现光-热-电的能量转换。
光热电站的结构如图 2-2 所示。光热电站主要由光场、储热装置和热循环系统组成。其中，光场部分包括反射器、跟踪装置、接收器、集热器等。跟踪装置分为一维跟踪装置和二维跟踪装置，也可称为单轴跟踪和双轴跟踪，以便根据太阳辐射强度调整反射器。反射器将太阳辐射能集中在接收器上，集热器利用接收到的太阳热量加热传热流体，将光能转换为热能，实现能量的采集与转换。与传统的火电机组发电原理类似，光热电站的热循环系统通过传热流体传递和交换热量，产生高温蒸汽驱动汽轮机，实现热能到电能的能量转换。储热装置有两个吸热和放热的过程，当电负荷较低时，光热电站可以通过传热流体将发电多余的热能存储至储热装置中，减少能源损耗。当电负荷高峰时，储存的热量通过传热流体释放并传输到热循环系统进行发电。由于光热电站的热循环系统和储热装置的配置与传统火电机组类似，使得光热发电具有与传统火电机组相当的调节特性，可以促进可再生能源的并网消纳。对于综合能源系统调度而言，光热电站的调度模型应当在充分简化的基础上，着重描述光热电站的能量流关系和主要运行约束。考虑到系统调度问题所涉及的时间间隔尺 度远大于光热电站内部动态过程的时间常数，因此调度模型中不计及能量交换的动态过程。
含光热电站、有机朗肯循环与P2G的综合能源优化调度研究
一、技术基础与系统作用
- 光热电站（CSP）
- 原理与结构：CSP通过聚光系统（如塔式或槽式）将太阳辐射聚焦至吸热器，加热传热介质（如熔盐），经储换热系统储存热能，最终通过发电系统（蒸汽轮机）转化为电能。其核心优势在于储热能力（熔盐储热可达数小时至数天），可平滑发电波动，提供稳定的基荷电力。
- 在综合能源系统中的作用：
- 能源供应稳定性：通过储热系统实现昼夜连续发电，减少对电网的间歇性冲击。
- 余热梯级利用：高温蒸汽发电后的中低温余热可供给ORC系统二次发电。
- 有机朗肯循环（ORC）
- 技术特点：使用低沸点有机工质（如R245fa、甲苯），适用于80–300℃的中低温热源（如工业余热、地热或CSP余热），发电效率可达10–20%。
- 应用场景：
- 余热回收：将CSP的低温余热或其他工业废热转化为电能，提升系统整体能效。
- 分布式发电：适用于小规模、分散式能源系统，与CSP互补形成多能联供。
- 电转气（P2G）
- 原理与效率：通过电解水制氢（效率65–70%），或进一步与CO₂合成甲烷（效率约39–43%），实现电能到气体的转化。
- 系统整合价值：
- 储能与调峰：在电力过剩时将电能储存为氢气/甲烷，需求高峰时通过燃气轮机或燃料电池发电。
- 碳中和路径：利用碳捕集技术获取CO₂，通过甲烷化实现碳循环。
二、多技术协同机制
- 能量流耦合设计
- CSP与ORC的协同：
- CSP的高温段（500–565℃）用于主发电，低温段（200–300℃）余热驱动ORC，实现热能梯级利用，综合发电效率提升5–8%。
- 案例：西班牙Gemasolar电站结合ORC，年发电量增加12%。
- CSP/P2G的电力互补：
- 白天光伏出力高峰时，CSP储热+P2G消纳过剩电力；夜间或阴天释放储热发电，并调用P2G储存的气体燃料补充供电。
- 运行模式优化
- 优先级调度策略：
- 光热优先模式：优先利用CSP满足基荷需求，余电供给P2G制氢。
- ORC调峰模式：在电网负荷高峰时，启动ORC利用工业余热或CSP余热发电。
- 动态响应机制：
- 引入预测模型（如基于气象数据的太阳辐射预测），优化储热释放与P2G电解槽启停时序，减少弃光率。
三、优化调度模型构建
- 目标函数与约束条件
- 目标：
- 经济性：最小化总成本（燃料成本、运维成本、碳交易成本）。
- 环保性：最大化可再生能源渗透率，最小化碳排放。
- 约束条件：
- 设备物理限制：如CSP储热罐容量、ORC工质临界温度、P2G电解槽功率爬坡速率。
- 多能平衡方程：电力、热力、气体供需实时匹配，避免能源孤岛。
关键模型参数
算法选择与求解
- 混合整数线性规划（MILP）：适用于离散变量（如设备启停状态）与连续变量（如功率分配）共存的问题。
- 启发式算法：如粒子群优化（PSO）、遗传算法（GA），用于处理非线性约束和高维搜索空间。
四、典型案例与仿真分析
- 中国西北某综合能源项目
- 系统配置：50 MW熔盐塔式CSP + 5 MW ORC（利用CSP余热） + 10 MW P2G装置。
- 优化结果：
- 全年弃光率从15%降至5%，碳减排量提升22%。
- 通过阶梯碳交易机制，年收益增加18%。
- Matlab仿真验证
- 采用分层优化策略：上层优化调度目标，下层动态调整设备出力。
- 结果对比：
| 调度策略 | 总成本（万元/年） | 碳排放（吨/年） |
|---|---|---|
| 传统分列调度 | 12,500 | 45,000 |
| 协同优化调度 | 10,200 | 32,500 |
五、未来研究方向
技术融合创新：
- 开发高温ORC工质（如离子液体），直接利用CSP的熔盐热源，减少换热损失。
- 探索P2G与生物质气化耦合，提升甲烷合成效率。
智能化与数字化：
- 引入数字孪生技术，实时模拟多能源流动态，支持在线优化。
- 结合区块链技术，实现分布式能源交易的去中心化管理。
政策与市场机制：
- 设计动态碳价模型，激励P2G的碳捕集与利用。
- 推动跨区域能源互联，增强CSP-ORC-P2G系统的市场响应能力。
结论
光热电站、有机朗肯循环与P2G的综合能源系统通过多能互补与协同调度，可显著提升可再生能源利用率、降低碳排放，并增强电网灵活性。未来需进一步突破技术瓶颈、优化算法模型，并依托政策支持推动规模化应用。
📚2 运行结果
🎉3参考文献
部分理论来源于网络，如有侵权请联系删除。
[1]赖光前. 含光热电站的冷—热—电综合能源系统优化调度[D].东北林业大学,2022.DOI:10.27009/d.cnki.gdblu.2022.001091.
[2]代凯凯,蔺红.计及热电负荷特性的光热电站储热容量优化[J].现代电子技术,2022,45(19):139-144.DOI:10.16652/j.issn.1004-373x.2022.19.026.
[3]马云聪,武传涛,林湘宁,顾延勋,李正天,魏繁荣.计及碳排放权交易的光热电站市场竞价策略研究[J].电力系统保护与控制,2023,51(04):82-92.DOI:10.19783/j.cnki.pspc.221157.
