太阳能辅助垃圾焚烧发电与制氢系统：4E分析与多目标优化研究

《International Journal of Hydrogen Energy》：Solar-assisted waste-to-energy plant with cascaded energy systems for power and hydrogen production: 4E analysis and multi-objective optimization

　　本文提出了一种创新的太阳能辅助垃圾焚烧多联产系统，通过集成抛物面碟式集热器、再压缩超临界CO2布雷顿循环、有机朗肯循环（ORC）和质子交换膜（PEM）电解槽，实现了电力和氢能的协同生产。研究采用4E（能量、?、经济、环境）分析框架，结合遗传算法多目标优化与TOPSIS决策方法，验证了系统在提升能源效率（32.97%）、?效率（30.42%）、降低平准化发电成本（0.02297美元/千瓦时）及制氢能力（0.00031千克/秒）方面的显著优势，为低碳能源转型提供了技术路径。

　　

Highlight

本研究亮点在于首次将太阳能热输入、超临界CO₂（sCO₂）与有机朗肯循环（ORC）梯级能量系统、氢能联产技术整合于单一垃圾焚烧发电（WtE）框架内，通过多目标优化显著提升系统综合性能，为低碳能源系统设计提供了新范式。

System description

所提出的太阳能辅助垃圾焚烧系统（图1(a)）集成了抛物面碟式集热器、再压缩sCO₂布雷顿循环、ORC及PEM电解槽。传统垃圾焚烧厂因垃圾高含水率和烟气余热浪费导致热效率低下，而太阳能加热与先进余热回收循环的结合为实现高效能量梯级利用开辟了新途径。

Model development and thermodynamic analysis

本节通过工程方程求解器（EES）构建系统数学模型，开展热力学、?经济及?环境分析。通过参数化研究评估关键变量对系统性能的影响，为多目标优化提供理论基础。

Model validation

垃圾焚烧厂与PEM电解槽模型的验证结果（表5）显示，本研究模型与文献数据误差小于5%，验证了模型的可靠性。太阳能集热器与sCO₂循环的验证见作者既往研究[8,48]。

Results and discussion

研究表明，通过sCO₂-ORC-PEM电解槽的梯级整合，系统能量效率提升至32.97%，?效率达30.42%，氢产率为0.00031千克/秒。对比四种配置方案（基础焚烧、+sCO₂、+ORC、+PEM），案例四展现出最优的经济环境效益。

Conclusions

本研究通过多技术融合与优化设计，实现了垃圾焚烧系统能效与氢产率的同步提升，为城市低碳能源系统提供了可扩展的工程解决方案。未来工作将聚焦于动态运行策略与全生命周期碳足迹评估。