邢晨健，錢煜，周燃，王瑞林

（南京師范大學能源與機械工程學院，南京210046）

0 引言

溫室氣體過量排放導致的全球變暖問題日益突出，2017年全球平均氣溫較工業(yè)化前高出了約1.1℃，2013—2017年全球平均溫度達到了有記錄以來的最高值［1］。在各類溫室氣體對溫升的貢獻中，CO2的貢獻度達到60%以上［2］。中國燃燒化石燃料產(chǎn)生的CO2排放量從1973年的881 Mt增長為2017年的9 294 Mt，占世界CO2排放量的比重從5.7%增長為28.3%［1］。在我國的碳排放結構中，燃煤電站排放的CO2占全國排放總量的60%以上［3］，也是最集中的固定排放源。因此，對燃煤電站CO2進行減排勢在必行。

作為CO2減排的有效手段，碳捕集的方式眾多，可分為燃燒前捕集、富氧燃燒捕集和燃燒后捕集［4］。燃燒后捕集技術包括吸收法、吸附法和膜分離法等，其設備安裝在電站尾部，繼承、改造較為方便。在吸收法中，堿金屬基固體吸收劑在捕集CO2時既具有物理吸附法的再生能耗低、對設備腐蝕性小等優(yōu)點，也具有化學吸收法的吸收容量大、選擇性高等優(yōu)點，因而近年來有大量相關研究［5］。

主流的堿金屬基固體吸附劑有鈣基、鎂基、鈉基、鉀基吸附劑。鈣和鎂的反應溫度較高，反應時易出現(xiàn)燒結等現(xiàn)象，導致碳捕集效率下降以及高溫熱量損失。鉀和鈉的工作溫度較低，且吸附劑性能在多次循環(huán)中可保持穩(wěn)定［2］。與鈉基吸附劑相比，鉀基吸附劑在碳酸化速率及再生轉化率等方面更具有優(yōu)勢［2］。二氧化碳捕集最大的問題為再生過程能耗過高，即便采用再生能耗較低的鉀基碳捕集，依靠電廠自身能量捕集CO2，電站發(fā)電效率仍會因之降低約10%［6］。借助光伏余熱等其他形式能源滿足電站碳捕集需求是較為可行的策略。

光伏發(fā)電在各類太陽能利用形式中發(fā)展最快，但受限于光譜與光伏材料帶隙能的匹配性，大量太陽輻射未能被光伏電池轉換為電力，而是以熱量的形式耗散至環(huán)境［7］。目前商用硅光伏電池效率為10%～20%［8］。經(jīng)過材料及結構的不斷優(yōu)化，聚光砷化鎵光伏電池實驗室最高效率已到達46%［9］。即便如此，仍有超過一半的太陽能損失變?yōu)閺U熱。聚光砷化鎵電池工作溫度較高，余熱仍具有較高的利用潛力，眾多學者在光伏光熱化學［10］、光伏余熱有機朗肯發(fā)電［11］及光伏余熱制冷［12］等方面取得了突破。

聚光砷化鎵光伏電池的余熱在量上具有滿足鉀基吸附劑再生能耗的潛力。光伏余熱溫度可達到200oC［10］，亦可滿足鉀基碳捕集對于能量品位的要求。目前常見的利用太陽能作為熱源驅(qū)動碳捕集的過程是太陽能的集熱利用。Zhao Y W［13］提出了一種中溫太陽能熱與燃煤電站CO2捕集的耦合系統(tǒng)，利用約300℃的太陽能熱替代電廠的高質(zhì)量抽汽來加熱給水，再通過低壓抽汽為胺基吸收劑再生提供能量，該系統(tǒng)捕集1個典型600 MW電站的全部碳排放約需要 0.32 km2的鏡場。Zhang X L［14］研究了煤-太陽能聯(lián)合驅(qū)動鈣循環(huán)碳捕集系統(tǒng)的性能，集成到某1 019 MW超超臨界電站時的熱效率為35.37%，整體效率損失9.63%，效率損失的原因有熱回收效率低、聚光集熱的高溫熱損失、CO2的循環(huán)耗電量等。

本研究提出聚光光伏-余熱碳捕集的光伏光熱綜合利用方式，建立光伏-碳捕集的能量轉化模型，研究關鍵參數(shù)對光伏發(fā)電及碳捕集性能的影響規(guī)律，并將聚光光伏-余熱碳捕集方式與燃煤電站相結合，驗證該方式對系統(tǒng)性能的提升效果。

1 聚光光伏-余熱碳捕集能量轉化模型

1.1 模型介紹

本模型主要分為聚光光伏和碳捕集2部分。聚光光伏部分由三結砷化鎵電池、菲涅爾透鏡、光伏余熱利用裝置組成。碳捕集部分主要分為碳酸化及再生反應2個過程，具體流程如圖1所示：煙氣經(jīng)尾氣處理裝置后，進入碳酸化反應器進行反應，而后產(chǎn)物（KHCO3）進入再生反應器吸收光伏電池的余熱進行再生反應，釋放高純度的CO2，完成捕集；再生后的K2CO3再次進入碳酸化反應器捕集CO2。

圖1 光伏發(fā)電-光伏余熱驅(qū)動鉀基CO2捕集示意Fig.1 Sketch of PV power generation and potassium-based CO2capture driven by PV residual heat

1.2 聚光光伏能量轉化

太陽光經(jīng)聚光后照射在三結砷化鎵電池上，與帶隙能匹配的波長范圍內(nèi)的太陽光被轉換為電能，其余的光譜轉變?yōu)橛酂幔淠芰科胶夥匠虨?/p>

式中：等式左邊為系統(tǒng)接收到的總太陽能輸入功率；DNI為單位面積的太陽直射輻照度；ACPV為聚光集熱面積；ECPV為聚光光伏產(chǎn)生的電能；Qoptloss為聚光光伏的光學損失；Qheatloss為聚光光伏的熱損耗；Qdiss為聚光光伏余熱。

式中：ηopt為聚光鏡的光學效率，一般菲涅爾透鏡的光學效率取為85%［15］；ηmod為聚光光伏電池模塊的效率 ，一般取為 90%［16］；ηcell為三結砷化鎵（InP/InGaAs/Ge）光伏電池的光電效率。根據(jù)文獻［16］，

式中：TCPV為光伏電池的工作溫度；C為聚光比，此公式適用于C≤200時，此處取C=200。根據(jù)文獻［17］，

式（1）中的Qheatloss由對流和輻射散熱損失組成，根據(jù)文獻［18］，其計算表達式為

式中：hCPV=8W/(m2·K)，εCPV=0.9，分別為對流換熱系數(shù)和輻射換熱系數(shù)［18］；σ為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)常數(shù)，取5.67 × 10-8W/(m2·K)；Tamb和Tsky分別為環(huán)境溫度和天空溫度，Tsky可以取值為（Tamb-8）℃［19］。

聯(lián)立式（1）―（5）可得光伏余熱的計算式

1.3 鉀基CO2捕集反應

鉀基固體吸附劑捕集CO2的化學反應式為，

Δrh為鉀基碳捕集反應的標準反應熱，反應條件為溫度298 K、1個標準大氣壓。K2CO3的再生反應屬于非催化非均相反應，氣體穿過K2CO3產(chǎn)物層，從吸附劑顆粒向外擴散，如果在非定溫情況下定溫試驗中得出的動力學機理函數(shù)和阿倫尼烏斯方程同樣適用，可以得到轉化率與對應反應溫度的普適積分關系式［2］，如式（8）。本研究利用再生反應的熱物性參數(shù)以及式（8），通過流程模擬系統(tǒng)軟件Aspen plus進行了反應的模擬。

式中：g(ηR)為動力學機理函數(shù)的積分形式；ηR為反應率；A為指前因子；β為加熱速率；Ea為表觀活化能；Rg為普適氣體常量；T為反應溫度；T0為反應的起始溫度。

2 關鍵參數(shù)對光伏發(fā)電及碳捕集的影響

2.1 關鍵參數(shù)計算

光伏電池工作溫度既影響其發(fā)電效率，也作用于碳捕集過程中吸附劑再生反應率?；谏瞎?jié)內(nèi)容，利用Aspen Plus對采用吉布斯自由能反應器（RGibbs Reactor）的鉀基吸附劑再生反應過程進行模擬，并采用氣固反應中較多的PR-BM方法進行計算求解［20］。在Matlab軟件內(nèi)構建聚光跟蹤、光電轉換及余熱傳遞模型。并基于熱量、溫度等參數(shù)的傳遞連接將2個軟件內(nèi)的模型相連，并對光伏電池工作溫度與光電效率、再生反應率間的影響關系進行探究，結果如圖2所示。

圖2 再生反應率和光電效率隨電池工作溫度的變化Fig.2 Regenerating rate and photoelectric efficiency varying with photovoltaic cell working temperature

光伏電池工作溫度越高，光電效率越低，再生反應率越高，當光伏電池工作溫度在150℃以上時，再生反應器轉化率達100%，此時光電效率為33.0%。其再生轉化率越高，單位質(zhì)量的CO2捕集能耗越低。為減少碳捕集能耗，保證再生反應率，光伏電池工作溫度應大于150℃。

選取800 W/m2為設計輻照度，當輻照度降低時，光伏余熱量會降低，集熱器內(nèi)的傳熱介質(zhì)溫升減小，介質(zhì)平均溫度降低，與光伏電池的傳熱溫差減小，光伏電池的溫度隨之發(fā)生改變，與此同時反應器的溫度也會變化，通過計算，可以得到光電效率及再生反應率隨輻照度變化結果（如圖3所示）。當光伏電池設計溫度為150℃，輻照強度低于800 W/m2時，其再生反應率會有所降低。為保證再生反應率保持在100%，光伏電池設計溫度的選擇應高于150℃，但光伏電池工作溫度越高光電效率會降低，因此光伏電池工作溫度選取在155℃較為合適。

趙文文［21］通過試驗得到，反應溫度大于120℃后反應速率已足夠快，在15 min內(nèi)即可實現(xiàn)80%以上的再生反應率。因而，本文將光伏電池工作溫度選定為155℃在動力學上亦有一定的合理性。

2.2 集成系統(tǒng)案例分析

本研究選取了某典型600 MW的亞臨界燃煤電站［13］，將聚光光伏-余熱碳捕集技術與該電站相集成，計算該集成系統(tǒng)碳捕集及發(fā)電性能變化。據(jù)文獻［13］的數(shù)據(jù)，典型600 MW亞臨界燃煤電站的CO2排放量為117.54 kg/s。假設捕集率（碳捕集裝置實際完成的碳捕集量/接收的電站碳排放量）為90%［22］，據(jù)Aspen Plus計算，再生反應能耗為 150.85 kJ/mol CO2，即每釋放1 mol CO2需要消耗150.85 kJ的能量，通過公式：單位捕集能耗（150.85 kJ/mol）×捕集率（90%）×二氧化碳排放質(zhì)量（117.54 kg/s）/二氧化碳摩爾質(zhì)量（44 g/mol）=捕集總能耗（362.67 MW），可得完成1個600 MW燃煤電站碳捕集的總能耗。依據(jù)2.1節(jié)中的分析確定光伏工作溫度為155oC，集熱器進出口溫度分別為140，150oC，設計輻照度為800 W/m2。典型600 MW電站碳捕集需要消耗的能量為362.67 MW，在工作溫度為155℃，聚光比為200條件下，單位聚光集熱面積產(chǎn)生的光伏余熱量為467 W/m2的情況下，所需的聚光集熱面積為0.78 km2。

圖3 輻照強度對再生反應率及光電效率的影響規(guī)律Fig.3 The influence of irradiation intensity on regeneration rate and photoelectric efficiency

由計算得到的聚光光伏參數(shù)及燃煤電站參數(shù)可得到集成系統(tǒng)性能，并與單一光伏及單一燃煤碳捕集系統(tǒng)進行比較。設計參數(shù)及計算結果見表1。需要說明的是，為保證單一光伏發(fā)電系統(tǒng)性能最優(yōu)，設置其工作溫度為環(huán)境溫度。

單一燃煤碳捕集借助汽輪機低壓缸抽汽為碳捕集供能，會導致汽輪機出功的減少。計算過程基于典型600 MW燃煤電站參數(shù)，根據(jù)弗留格爾公式和汽輪機相對內(nèi)效率-流量關系進行計算［23］，得出電站效率降低了6.56百分點。當設計輻照度為800 W/m2，光伏電池工作溫度為155℃時，聚光光伏與燃煤電站集成系統(tǒng)的總發(fā)功率可達755.99 MW，相較于采用抽汽作為單一能源驅(qū)動碳捕集裝置的燃煤電站發(fā)電量增加了50%，相較于單一光伏發(fā)電系統(tǒng)，光伏發(fā)電量減少21.35 MW。盡管光伏發(fā)電量有所降低，但是占光伏電池接收能量69%的光伏余熱得到了高效利用，其集成系統(tǒng)可捕集封存CO2約380.82 t/h。

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)及效果對比Tab.1 Comparison results of main parameters of the system

根據(jù)光伏發(fā)電-光伏余熱驅(qū)動鉀基CO2捕集集成系統(tǒng)在燃煤系統(tǒng)的利用情況，從燃煤側考慮，利用太陽能光伏余熱代替燃煤電站的抽汽，消除了碳捕集對燃煤電站效率的影響，維持了燃煤發(fā)電性能；從太陽能側考慮，光伏余熱提供了二氧化碳捕集所需反應熱，實現(xiàn)了太陽能在發(fā)電及碳減排上的雙效利用，為太陽能高效梯級利用提供了新的思路。

3 結論

本研究以聚光光伏-余熱碳捕集光伏光熱綜合利用方式為對象，建立聚光砷化鎵-余熱鉀基碳捕集能量轉化模型，驗證碳捕集與聚光光伏互補利用的可行性，分析了光伏工作溫度及輻照度對光伏及碳捕集性能的影響規(guī)律。將聚光光伏-余熱碳捕集技術集成于600 MW亞臨界燃煤電站，通過與參比系統(tǒng)比較闡釋了聚光光伏-余熱碳捕集對系統(tǒng)綜合性能的提升。本文的具體結論如下。

（1）綜合考慮輻照變動對光伏發(fā)電及碳捕集性能的影響，確立聚光砷化鎵光伏電池-余熱驅(qū)動碳捕集中光伏電池的最優(yōu)工作溫度為155℃。

（2）相較于單一使用抽汽驅(qū)動碳捕集系統(tǒng)的燃煤發(fā)電站，太陽能聚光光伏-余熱碳捕集技術與燃煤電站的集成系統(tǒng)使電站的發(fā)電效率提升6.56百分點，總發(fā)電量提升約50%。

（3）太陽能聚光光伏-余熱碳捕集技術與燃煤電站的集成系統(tǒng)較于單一光伏發(fā)電系統(tǒng)，光伏發(fā)電效率降低4.49百分點，但每小時額外碳捕集量提升380.82 t。