徐瓊輝，龔宇烈?，駱 超，姚 遠，陸振能，馬偉斌

（1. 中國科學院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國科學院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；3. 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應用重點實驗室，廣州 510640）

太陽能-地熱能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)研究進展*

徐瓊輝1，2，3，龔宇烈1，2，3?，駱 超1，2，3，姚 遠1，2，3，陸振能1，2，3，馬偉斌1，2，3

（1. 中國科學院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國科學院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；3. 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應用重點實驗室，廣州 510640）

將多種新能源聯(lián)合開發(fā)利用，使之能夠取長補短，是未來新能源發(fā)展的重要方向之一。世界第一座太陽能-地熱能聯(lián)合電廠已經建成發(fā)電，與其相關的研究工作也已蓬勃開展。從已有的研究結果看，太陽能和地熱能主要有兩種結合方式——以地熱能為主的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)和以太陽能為主的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)；研究內容主要圍繞提高太陽能、地熱能的利用效率，增加系統(tǒng)發(fā)電量而展開，根據(jù)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)時不同的運行特征，評估系統(tǒng)的熱力性能和經濟性能，指出保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行應考慮的問題。研究表明，聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)是一種比單一太陽能發(fā)電系統(tǒng)或者單一地熱能發(fā)電系統(tǒng)更加優(yōu)越的能源利用模式。

太陽能；地熱能；聯(lián)合發(fā)電

0 前 言

開發(fā)新能源是目前解決人類所面臨的能源危機的根本途徑。利用新能源最有效的方式就是發(fā)電，如地熱發(fā)電、太陽能發(fā)電、風力發(fā)電等。眾所周知，地熱電站運行穩(wěn)定、持續(xù)，但是電站的建立受地熱資源分布影響較大，而且隨著開采的持續(xù)，資源品位衰退，熱效率不斷下降；太陽能到達地球表面的輻射的總量盡管很大，但是能流密度很低，如果要收集到足夠多的太陽能，集熱器的占地面積大，成本高，而且受太陽輻射強度影響，發(fā)電不穩(wěn)定。因此，如果將太陽能和地熱能聯(lián)合起來發(fā)電，就能夠取長補短，改善電站熱力性能，提高發(fā)電效率，降低太陽能發(fā)電成本。

1 聯(lián)合系統(tǒng)中兩種能源的結合方式

在過去的幾十年里，研究者們對太陽能-地熱能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中兩種能源的結合方式進行了諸多嘗試，總的來說可以分為以下兩類［1-2］：

方式一，以地熱能為主的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)（如圖1～圖3）。在常規(guī)的地熱能發(fā)電系統(tǒng)中，由于地熱水溫度不夠高，采用閃蒸或雙工質發(fā)電時效率低下，造成地熱資源的浪費。如果在已有的地熱發(fā)電系統(tǒng)中增加一個太陽能集熱裝置，可以提高蒸汽產量或蒸汽溫度，增加系統(tǒng)的發(fā)電量，也可以在保持系統(tǒng)發(fā)電量不變的前提下，降低地熱水的質量流量，延長地熱儲層的使用壽命。

圖1a在地熱井和汽水分離器之間增加一個太陽能集熱器，可以提高地熱水的溫度，增加蒸汽產量。圖1b在第一個汽水分離器和第二個汽水分離器之間增加一個太陽能集熱器，從第一個汽水分離器出來的地熱水能夠再次受熱蒸發(fā)，增加蒸汽產量。圖2在汽水分離器和汽輪機之間增加一個太陽能集熱器，能夠提高進入汽輪機的蒸汽溫度，讓飽和蒸汽變成過熱蒸汽，提高系統(tǒng)發(fā)電量。圖3中從冷凝器出來的冷凝液被太陽能集熱器加熱，再與地熱井出來的地熱水混合，可以提高混合液體的溫度和蒸汽產量。

圖1 以太陽能集熱器加熱地熱水的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)［3］Fig. 1 Power generation system using solar energy heat collector heating geothermal water［3］

圖2 以太陽能集熱器加熱飽和蒸汽的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)［3］Fig. 2 Power generation system using solar energy heat collector heating saturated steam［3］

圖3 以太陽能集熱器加熱冷凝水的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)［3］Fig. 3 Power generation system using solar energy heat collector heating condensation water［3］

方式二，以太陽能為主的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，地熱水加熱進入太陽能集熱器前的工質（如圖4）。因為地熱水的溫度一般會低于太陽能集熱器所能達到的溫度，因此在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，地熱水只能給從冷凝器出來的工作流體提供熱量，提升進入太陽能集熱器的流體溫度，提高太陽能集熱器的產汽量和蒸汽溫度，增加系統(tǒng)的發(fā)電量。

圖4 地熱能加熱太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的冷凝水Fig. 4 Geothermal energy heating condensation water in solar power generation system

2 研究方法

世界首座太陽能-地熱能聯(lián)合發(fā)電站于2012年在美國內華達州法倫鎮(zhèn)（Fallon Town in Nevada）建成。該電站采用了傳統(tǒng)水熱技術，在已建成的斯蒂沃爾特（Stillwater）地熱電站附近安裝了89 000多塊太陽能電池板，使得電站發(fā)電總量達到59 MW，比原來單一的地熱電站增加了26 MW，可以為數(shù)以千計的家庭提供充足的電力。

圖5 斯蒂沃爾特太陽能-地熱能聯(lián)合發(fā)電站Fig. 5 Stillwater Hybrid Solar-Geothermal Power Generation

雖然首座太陽能-地熱能聯(lián)合發(fā)電站已經建成，在工程應用上已經取得了成功，但是從所查到的公開發(fā)表的文獻可知，對聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的研究主要以數(shù)值模擬［4-5］為主，具體研究結果見下文闡述。

目前關于太陽能-地熱能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)值模擬工作都是以Aspen Plus［6］為研究平臺而展開的。Aspen Plus是公認的標準大型通用流程模擬軟件，軟件內部所含的精確的物性模型、數(shù)據(jù)以及合理的質能守恒狀態(tài)方程組，不僅能夠模擬太陽能-地熱能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)內部的熱力性能和經濟指標，還能夠為系統(tǒng)性能的優(yōu)化提供可靠的幫助。

3 研究現(xiàn)狀

世界上有許多陽光充足的地區(qū)地熱能也很豐富，兩種能源聯(lián)合發(fā)電可以在一定程度上彌補單一電站的缺陷，因此2006年以墨西哥Cerro Prito地熱田為基礎提出了太陽能-地熱能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)。

國際上，學者們主要分析了基于有機朗肯循環(huán)的太陽能-地熱能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的技術性和經濟性，分析了環(huán)境溫度、太陽輻射強度等對系統(tǒng)參數(shù)的影響，分析了對亞臨界、超臨界地熱電站實施聯(lián)合發(fā)電改造的可行性，比較了聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)、單一太陽能發(fā)電系統(tǒng)、單一地熱能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量和發(fā)電成本。

在我國，除了研究已有的閃蒸地熱與槽式太陽能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)［7］、雙工質地熱與槽式太陽能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)［8］，還提出了以卡琳娜循環(huán)為基礎的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)［5］。

具體研究內容主要集中在以下幾個方面：

（1）太陽能-地熱能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的結構對系統(tǒng)效率的影響

在前文的結合方式中已經提到，太陽能集熱器引入地熱能發(fā)電系統(tǒng)時，有多個位置可以選擇。GREENHUT等［4］對圖1a和圖2這兩種基本結構進行了比較，結果表明，圖1a的熱效率比圖2高50%以上，因此，在實際操作中，圖1兩種結構運用得比較多，因為這兩種結構對原有發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量影響十分明顯。GREENHUT等［4］和ZHOU等［9］的研究結果表明：增加了太陽能集熱器以后，系統(tǒng)的發(fā)電量明顯增加，但是因為受日照時間、太陽輻射強度、集熱器受熱面積大小等的影響，發(fā)電量的增量各不相同，少的可以增加10%左右，多的可以使發(fā)電量比以前翻倍甚至更多［9］。

因此，太陽能-地熱能聯(lián)合系統(tǒng)要優(yōu)于單一的太陽能發(fā)電系統(tǒng)或單一的地熱能發(fā)電系統(tǒng)。

（2）太陽能集熱器的結構及其與太陽輻射的相對位置變化對系統(tǒng)蒸汽產量的影響

目前在太陽能-地熱能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中所用到的太陽能集熱器都是拋物線型槽式集熱器。LENTZ等［10］已經指出，利用該種集熱器直接產生蒸汽，熱效率最高可達70%。然而，由于晝夜更替和四季變化，集熱器的熱效率和蒸汽產量都在不斷變化［11］；一般情況下，夏季產汽量高，冬季產汽量低［12］。

圖6 太陽能集熱器南北向或東西向擺放時聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)蒸汽產量隨時間的變化［10］Fig. 6 Steam production by N-S alignment and E-W alignment［10］

LENTZ等［10］的研究表明，集熱器的蒸汽產量受其擺放方位的影響。由圖6可知，集熱器的方位可以改變一天中的最高產汽量，如E-W向擺放時最高產汽量高于N-S向；而且也可以使一天中的產汽量比較均勻，如N-S向擺放時白天有一大半的時間產汽量基本不變。因此可以根據(jù)當?shù)氐碾娏π枨鬄榧療崞鬟x擇合適的擺放位置。

（3）太陽能-地熱能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)熱力性能分析

評價一個發(fā)電系統(tǒng)熱力性能的基本指標包括凈發(fā)電量、熱效率等［13］。圖7顯示，聯(lián)合系統(tǒng)的發(fā)電量高于原來的單一發(fā)電系統(tǒng)，只是因為太陽能集熱器的面積不同，增加的數(shù)量不同而已。圖8表明，聯(lián)合系統(tǒng)的熱效率高于單一熱源發(fā)電系統(tǒng)，因此太陽能-地熱能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)對有效熱源的利用有增益作用。

ZHOU等［9］為了評價聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的熱力性能，引入了另一個基本的評價指標——品質因數(shù) Fy，利用每年的發(fā)電總量來比較聯(lián)合系統(tǒng)與單一地熱能發(fā)電系統(tǒng)、單一太陽能發(fā)電系統(tǒng)的電力輸出性能。其基本定義式為：

其中，Why、Wsy、Wgy分別表示聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的年發(fā)電量、單一太陽能系統(tǒng)的年發(fā)電量、單一地熱能系統(tǒng)的年發(fā)電量。

如果 Fy＞ 1，則說明聯(lián)合系統(tǒng)的熱力性能優(yōu)于單一太陽能發(fā)電系統(tǒng)和單一地熱能發(fā)電系統(tǒng)。

圖7 聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中地熱儲層溫度對單位發(fā)電量的影響（環(huán)境溫度31℃，太陽能輻射量1 000 W/m2）［9］Fig. 7 Effect of geothermal reservoir temperature on the power output per unit mass flow rate of brine of a hybrid power plant（Tair=31°C；solar DNI=1 000 W/m2）［9］

圖8 聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)和單一太陽能發(fā)電系統(tǒng)熱效率隨輸出功率變化的函數(shù)［14］Fig. 8 Thermal efficiency as a function of output power variation in a hybrid solar-geothermal power generation and a stand-alone solar thermal plant［14］

圖9和圖10的結果顯示，在槽式太陽能蒸汽朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)（STSRES）和槽式太陽能有機朗肯電力系統(tǒng)（STORES）中，聯(lián)合系統(tǒng)的電力輸出性能隨著地熱儲層溫度的升高而增加，隨著太陽能集熱面積的增加而增加，但不是所有的聯(lián)合系統(tǒng)都優(yōu)于單一能源發(fā)電系統(tǒng)。因此為了保證聯(lián)合系統(tǒng)高效可行，應根據(jù)地熱儲層溫度確定太陽能集熱器的面積，再根據(jù)集熱器的面積和儲層溫度確定系統(tǒng)設備的型號和規(guī)格。

圖9 在STSRES系統(tǒng)中，年度品質因數(shù)與地熱儲層溫度、太陽能集熱面積的函數(shù)關系圖［9］Fig. 9 Annualised figure of merit based on STSRES configuration as a function of geothermal reservoir temperature and solar aperture area［9］

圖10 在STORES系統(tǒng)中，年度品質因數(shù)與地熱儲層溫度、太陽能集熱面積的函數(shù)關系圖［9］Fig. 10 Annuallised figure of merit based on STORES configuration as a function of geothermal reservoir temperature and solar aperture area［9］

（4）太陽能-地熱能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)的研究［15］

在一個聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中，集熱器吸收太陽能的數(shù)量會隨著時間而不斷改變，因此在有太陽能提供能量時，系統(tǒng)各參數(shù)（如環(huán)境溫度、蒸汽產量、蒸汽溫度、蒸汽壓力、發(fā)電量、發(fā)電效率等）都在隨著時間而改變，這是非穩(wěn)態(tài)過程［16］。如果在晚上或陰雨天，地熱能成為唯一的熱源，系統(tǒng)各參數(shù)就不會隨著時間而改變，這是穩(wěn)態(tài)過程［17］。

聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中，穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)是交替存在的，對系統(tǒng)設備是一個極大的考驗［18］，因此，GREENHUT［1］提出了在一個系統(tǒng)中采用兩套發(fā)電機組的方案，分別在有太陽能和無太陽能時使用。

穩(wěn)態(tài)過程的研究有利于大家了解聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運行的基本特征，其研究結果對于保證非穩(wěn)態(tài)過程安全高效運行具有一定的指導意義。

圖11分析了不同模式的熱力循環(huán)系統(tǒng)中，凈發(fā)電量與太陽能集熱系數(shù)之間的關系。由圖可知，在同一個聯(lián)合系統(tǒng)中，飽和流體要優(yōu)于過熱流體，發(fā)電量更多。因為過熱流體做功會使得汽輪機出口溫度增加，要達到相同的冷凝效果，必須消耗更多的額外功率，增加了冷凝器的負擔。這一研究結果在文獻［4］中也得到了證實。

因此不論聯(lián)合系統(tǒng)是穩(wěn)態(tài)運行還是非穩(wěn)態(tài)運行，都應該盡量讓工作流體保持在飽和狀態(tài)，避免出現(xiàn)過熱蒸汽［19］。

圖11 熱力循環(huán)運行模式對聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)凈發(fā)電量與太陽能集熱系數(shù)關系的影響［9］Fig. 11 Influence of operating strategy on the net electrical power output of a hybrid power plant as a function of the solar energy fraction［9］

（5）系統(tǒng)的防腐防垢問題［13］

防腐防垢一直是地熱發(fā)電系統(tǒng)所必須解決的問題。加入太陽能集熱器以后，蒸汽產量增加，地熱水的溫度或濃度也會相應改變，因此聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)仍然需要解決設備腐蝕性問題，延長使用壽命。目前解決地熱系統(tǒng)防腐防垢問題通用的做法是將地熱回水的溫度控制在某個飽和溫度點以上，防止水中的雜質沉積；也可以改變系統(tǒng)的 PH值或者安裝電子除垢器來防止結垢。

GREENHUT［1］和LENTZ等［3，10］認為，圖3中經過太陽能集熱器的水是從冷凝器出來的蒸汽冷凝水，雜質的濃度非常低，幾乎為零，所以不會在集熱器內引起任何結垢問題。同時從集熱器出來的純凈流體與剛從井里抽出來的地熱水混合，不僅能夠提高混合流體的溫度，而且能夠降低混合流體的濃度，對即將流經的設備起到較好的保護作用［13］。

（6）太陽能-地熱能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的經濟性評價

熱力性能評價不能完全體現(xiàn)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的可行性，因此還應該增加經濟性評價來組成一個完整的評估體系。

根據(jù)當前經濟分析中常用的方法，ZHOU等［9］得到計算聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電成本的關系式：

其中，式（2）適用于太陽能和地熱能各部件設備同時設計同時建造的全新的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)；式（3）適用于在已有地熱能電站的基礎上增加太陽能集熱器及其輔助設備，改造得到的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)；E表示投資資本；Wy表示聯(lián)合系統(tǒng)每年的凈發(fā)電量；E X表示系統(tǒng)的運營和維護成本；E Xs表示太陽能領域的運營和維護成本；AF表示年金因子，其表達式為，i表示金融利率，T表示系統(tǒng)的使用壽命。比較改造前后的發(fā)電成本，可以確定建立聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)在經濟上是否可行。

KROTHAPALLI等［20］的研究結果表明：（1）系統(tǒng)改造的成本主要用于太陽能集熱器，約占總成本的80%；（2）聯(lián)合系統(tǒng)的發(fā)電成本低于單一地熱能電站，每發(fā)一度電的成本降低約50%；（3）在不同結構的聯(lián)合系統(tǒng)中，太陽能充當預熱器時發(fā)電成本更低；（4）隨著儲層溫度的升高和集熱器面積的增大，發(fā)電成本會降低，這一點與品質因數(shù)的分析相一致。

4 結 語

太陽能-地熱能聯(lián)合發(fā)電是新能源開發(fā)利用的一種新形式，代表了未來能源利用的新方向。目前，對該系統(tǒng)的研究不僅僅停留在理論研究階段，還付諸了工程實踐，但是現(xiàn)階段的研究還只是已有設備技術的簡單堆砌，不能完全滿足系統(tǒng)對設備的特殊要求，因此未來的研究方向主要集中在以下幾個方面：

（1）聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的功率是隨時間變化的，因此有研究在同一系統(tǒng)中安裝了兩套發(fā)電機組［1，4］，分別在白天和晚上發(fā)電。這種方法費用高，占地面積大，系統(tǒng)維護、保養(yǎng)困難，因此研發(fā)變功率發(fā)電機組，滿足不同時段對機組性能的要求，是必須解決的關鍵技術問題；

（2）太陽能、地熱能的品位不同，要將相差較大的兩種能源高效結合于同一系統(tǒng)，必須發(fā)展完善聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的耦合技術，使二者能和諧統(tǒng)一；

（3）地熱儲層的溫度各不相同，不同溫度的地熱能與太陽能相結合，其聯(lián)合發(fā)電的方式應該如何選擇是未來的一個重要研究方向。

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Research Progress on Hybrid Solar-Geothermal Power Generation

XU Qiong-hui1，2，3，GONG Yu-lie1，2，3，LUO Chao1，2，3，YAO Yuan1，2，3，LU Zhen-neng1，2，3，MA Wei-bin1，2，3
（1. Guangzhou Institute of Energy Conversion，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China；2. Key Laboratory of Renewable Energy，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China；3. Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development，Guangzhou 510640，China）

Developing and using combined new energy sources is an important direction of development for new energy in future. The first Hybrid Solar-Geothermal Power station has been built，and related research on this field has been carried out vigorously. According to the recent research progress，we know that currently there are two hybrid types，one is mainly based on geothermal energy，and the other is mainly based on solar energy. Conducted researches mainly focused on improving thermal efficiency of solar and geothermal energy，increasing generating capacity. And besides，the assessment studies of thermal performance and economic performance under steady state and unsteady state，and long-term stable operation of the system are also presented in many articles. The literature review indicate that hybrid power generation mode present more advantage in energy efficient use compared to the stand-alone mode.

solar energy；geothermal energy；hybrid power generation

TK51；TK52

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2016.05.011

2095-560X（2016）05-0404-07

徐瓊輝（1978-），女，博士，副研究員，主要從事地熱能利用過程中流體流動和傳熱研究。

2015-12-29

2016-02-04

國家自然科學基金（51406212）；廣東省科技計劃項目（2013B091500059）

? 通信作者：龔宇烈，E-mail：gongyl@ms.giec.ac.cn

龔宇烈（1978-），男，博士，研究員，主要從事地熱利用的能量轉換技術研究。