针对塔式太阳能光热电站（SPT）在干旱地区面临的冷却水稀缺及自然通风干式冷却塔（NDDCT）建造成本高、存在遮光效应等问题，本研究创新性地提出了一种耦合冷却系统。该系统将空冷塔翅片管换热器集成于太阳能吸热塔的底部基础结构中，利用吸收塔自身高度产生浮升力驱动空气自然对流，从而省去独立的冷却塔设施。该研究为干旱地区光热电站提供了一种高效、节水的冷却解决方案，相关成果以 “A novel coupled cooling configuration for solar power tower plants: Feasibility analysis and multi-objective optimization” 为题，在 “Energy Conversion and Management” 期刊发表。

研究表明：

1.  该耦合冷却系统在262米塔高下可实现180.03 MW的排热量，与传统的120米高NDDCT性能相当，且末端温差极小。

2.  在塔顶设置0.5米厚的岩棉玻璃布毡保温层，可有效抑制开放式结构导致的热损失，使换热损失降低98.85%。

3.  通过与100 MW再压缩超临界二氧化碳（sCO₂）布雷顿循环集成并进行多目标优化，系统在最优配置（塔底部外延直径De=32.5m，冷却水质量流量mw=1300kg/s）下循环效率达到45.76%。

4.  经济性评估表明，相较于传统的机械通风干式冷却系统，该耦合系统的平准化冷却成本降低了15.16%，显示出显著的技术经济优势。

                     

图1. 塔式太阳能吸热塔和空冷换热器耦合结构示意图

图2. 设计工况下耦合系统冷却系统和传统空冷塔的性能对比

 

图3. 塔顶不同保温层厚度下的热损失与温升情况​​

 

图4. 与 100 MW 再压缩 sCO₂ 动力循环集成的耦合冷却系统示意图​​ 

表1 两种干式冷却系统的冷却系统规格​​

parameter	MDDCT	Coupled cooling system
Number of air-cooled heat exchangers bundles:	54.7 (Aa= 181,400m2)	93 (Aa=308,410m2)
Face velocity (m/s)	3	2.039
Intermedium heat exchanger	-	Shell and tube heat exchanger (A=8,542.76 m2)
Power consumption of fans (MW)	4.546	-
Power consumption of pump (MW)	-	0.021
Cycle net power generation (MW)	95.901	100.446
Thermal efficiency (%)	43.69	45.67
Initial investment of heat exchangers (million)	13.564	20.986
Overall initial investment(million)	23.090	21.000
LCOEcooling (¢/ kWh)	3.019	2.621

 

文章链接: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2025.120302

作者信息: Xiaoxiao Li*, Wenyu Zu, Qibin Li, Chao Liu, Junjie Feng