太阳能-风能混合发电与海水淡化系统，多维度解析
Solar-Wind Hybrid Power Generation and Seawater Desalination System: A Multi-Dimensional Analysis
太阳能-风能-海水淡化多联产系统简介
随着全球人口增长和工业化进程加速，能源需求持续攀升，化石燃料消耗带来的环境污染问题日益严峻，全球变暖的影响也日益显著，在这一背景下，可再生能源的开发利用变得尤为关键。太阳能和风能作为两种最重要的可再生能源，各自存在间歇性和不稳定性等问题，近日，一项新的研究提出了一种创新解决方案，将太阳能塔、超临界二氧化碳布雷顿循环、风力涡轮机和多级闪蒸海水淡化系统整合为一个多联产系统，这一系统不仅能稳定输出电力，还能同步生产淡水、冷能和工业用盐，同时显著降低对环境的影响。
太阳能-风能-海水淡化多联产系统原理
太阳能发电模块采用氯化钾/氯化钠混合熔盐（质量比55:45）作为传热介质，太阳能塔将熔盐加热至750°C，其中约1/3热量直接供给sCO₂布雷顿循环（超临界二氧化碳布雷顿循环），剩余2/3储存于20,000m³的混凝土储热罐中，确保夜间或阴天持续运行。布雷顿循环使用添加22%四氧化二氮（N₂O₄）的sCO₂作为工质，在210bar高压下吸收热能后推动涡轮发电，系统最大输出功率达52.14MW。
超临界sCO₂及其优点
sCO₂布雷顿循环是一种利用超临界状态下的二氧化碳作为工质的热力发电循环，属于闭式气体涡轮循环技术。为什么用sCO₂而不是传统蒸汽呢？这是因为，当二氧化碳的温度高于31.1°C、压力高于7.38 MPa时进入超临界状态，此时兼具液体高密度（易传递能量）和气体低黏度（减少流动阻力）的优势。sCO₂密度是蒸汽的10倍，使得涡轮和压缩机尺寸更小，系统更紧凑，发电效率比蒸汽循环高3-4%。还有就是，sCO₂可直接利用400–800°C热源，而蒸汽循环需≥500°C。
风电-制冷模块利用五台2.5MW风力涡轮机提供峰值7MW电力，通过热转换器将电能转化为热能，结合布雷顿循环的余热（23.5MW），驱动氨/硝酸锂（NH₃/LiNO₃）吸收式制冷系统，实现11.3MW的制冷量，性能系数（COP）达0.37。数据显示，该系统在4-5月风电高峰期的制冷能力可达10.65MW，而10月低风速期间仍能维持9.42MW输出。
海水淡化与盐回收模块则是利用涡轮排出的116.76MW余热驱动24级多级闪蒸（MSF）装置，在阿曼湾海水（盐度3.5%）经预处理后，每小时可生产1,199m³淡水（盐度<0.1%），淡化效率达40%。独特之处在于，传统MSF排出的高盐度废水（5.9%）通过结晶器进一步处理，每小时回收58.68吨工业盐，最终排放盐水盐度降至2.6%，显著低于原海水。
太阳能-风能-海水淡化多联产系统方案优化
研究团队采用中心复合设计法对系统进行优化，当太阳能热输入从150MW增至220MW时，发电效率从15.8%提升至28%，但制冷COP会从0.42降至0.21，优化后的平衡点确定为200MW热输入，此时发电效率27.1%，COP保持0.37；sCO₂工质流量从600kg/h增至1,200kg/h可提升涡轮效率12%，但会降低COP 8%，系统最终选用250kg/s的中等流量；24级多级闪蒸设计相比传统10级，淡水产量提高23%，从970m³/h增至1,199m³/h，且单位产水成本降低19%，从2.123$/m³降至1.717$/m³。
太阳能-风能-海水淡化多联产系统简易流程图
系统流程图解简化版如下，详细的原理图件下图所示。
[太阳能塔] → [sCO₂布雷顿循环] → 电力
↓
[储热系统] → [MSF淡化] → 淡水 + [结晶器] → 工业盐
↓
[余热回收] → [吸收式制冷] → 冷能
图：太阳能-风能混合发电与海水淡化系统原理图🔽
多联产系统性能如何？
数据显示，总能源效率达57%，远超传统单一系统，比如太阳能发电效率约20-25%，传统海水淡化效率在30%左右。通过㶲效率分析显示达50.1%，说明能量浪费极少，传统燃煤电厂㶲效率通常仅35-45%。
㶲效率
㶲效率是衡量可用能的利用率，这个公式可以知道系统的优化方向，比如这项研究中的太阳能塔51%和MSF单元47.5%的㶲损最大，指导优化方向。
$\psi_{\text{HE}} = \frac{\dot{E}x_{\text{ho}} - \dot{E}x_{\text{hi}}}{\dot{E}x_{\text{ci}} - \dot{E}x_{\text{co}}}$
而且系统淡水产出稳定，淡水产量1199 m³/h，增益输出比（GOR）为10.43，每公斤蒸汽可产10.43公斤淡水，比传统多级闪蒸（GOR≈8-9）更高效。增益输出比（GOR）是衡量海水淡化系统的热效率，表示单位驱动蒸汽能产生的淡水产量。
$\text{GOR} = \frac{\dot{M}{\text{freshwater}}}{\dot{M}{\text{steam}}}$
还有就是，完全利用废热和风电驱动制冷，制冷系数（COP）为0.37，虽低于电动压缩制冷（COP≈3-4），但毕竟零额外耗电。
在环境方面，传统的传统海水淡化直接排放浓盐水，而本系统通过结晶器每小时回收58.68吨盐，可用于工业或食品加工，同时降低环境危害。
太阳能-风能-海水淡化多联产系统投资回报率
通过投资回报估算，初始投资较高，整个系统总投资3.67亿美元，其中太阳能塔（1.61亿）和sCO₂发电设备（1.48亿）占比最高，但投资回报包含电力、淡水、冷能、盐四项，投资回收期4.2年，系统寿命按20年计算，后续15年均为净收益。
对于这个投资回报收益，受太阳辐射强度和设备寿命影响较大。太阳辐射越强，成本越低，若光照从0.4 kW/m²升至1.2 kW/m²，电价从0.1065美元/kWh降至0.0405美元/kWh；设备寿命若从15年延长至20年，净现值（NPV）从3.82亿增至5.88亿美元。
目前，这项技术特别适合阳光充足、缺水缺电的地区，如中东、北非或海岛。它的优势在于能稳定供电，太阳能+风电互补，弥补单一能源波动性。又能够利用淡水+能源联产，解决干旱地区的水电矛盾。最后，研究团队建议进一步优化sCO₂循环和储能系统，以降低成本并推广至商业化应用。
参考文献：Alghorayshi, Seyed Taher Kermani, et al. “Technical, economic and environmental evaluation and optimization of the hybrid solar-wind power generation with desalination.” Case Studies in Thermal Engineering (2025): 106735.https://doi.org/10.1016/j.csite.2025.106735