植物油作为工业太阳能热系统传热流体的技术经济评估
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时间：2025年12月02日
来源：Results in Engineering 7.9
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本研究评估了向日葵油、亚麻籽油和大豆油作为中温聚光槽（PTC）热传递流体（HTF）的性能，并与Therminol VP-1和Delcoterm E15进行比较。实验和建模显示，植物油在热效率（64-65%）和成本（节省88%）上表现更优，但泵送需求更高。经济分析表明，植物油在中小型工业系统中更具成本效益，尤其适合低于200°C的应用，如食品加工、纺织和制药。环境评估显示植物油更环保，但需结合可再生能源以降低泵送能耗。
本研究针对太阳能聚光槽（PTC）系统中传热流体（HTF）的选型难题，通过实验与数值模拟相结合的方式，系统评估了向日葵油、亚麻籽油、大麻籽油三种植物油与Therminol VP-1、Delcoterm E15两种合成流体的综合性能。研究基于摩洛哥本祖瓦里绿色能源研究中心搭建的1.5 kWth实验平台，通过三套独立评价体系（固定热功率、固定雷诺数、固定质量流量）揭示了流体选择的关键参数，并结合全生命周期成本分析（LCCA）与环境影响评估（LCA）为工业应用提供决策依据。
### 一、技术背景与核心发现
#### 1.1 研究背景
当前太阳能热工业主要依赖Therminol VP-1（耐温400℃）和Delcoterm E15（耐温320℃）等合成HTF，尽管具有优异的热稳定性，但存在三大痛点：①单升成本高达8-12欧元；②含重金属与挥发性有机物，存在泄漏污染风险；③需专用安全设备，运维复杂度高。随着全球分布式太阳能热应用需求激增（2023年全球已部署1200个SHIP项目，总产能近1GWth），急需开发经济可行的替代方案。
#### 1.2 核心创新点
首次建立包含热-力-化学耦合的PTC系统评价模型，突破传统单一性能测试局限。通过三套独立工况验证（图1-3），发现：
- **热性能**：植物油在80-220℃区间表现出与合成流体相当的 thermal efficiency（64-65% vs 62-63.5%），因其导热系数（0.154-0.158 W/m·K）比合成流体高25%-30%
- **经济性**：10MWth系统使用植物油可节省初始投资45万欧元（88%），尽管泵送能耗增加12-15W/MWth，但全生命周期成本仍降低30-40%
- **环境效益**：生命周期碳排放较Therminol VP-1低58%（4.8万吨 vs 11.9万吨/10MWth系统）
### 二、关键性能对比
#### 2.1 热力学性能
| 流体类型 | 热导率(W/m·K) | 比热容(kJ/kg·K) | 运行温度范围(℃) |
|------------------|---------------|----------------|-----------------|
| 向日葵油 | 0.158 | 2.13 | 25-220 |
| 亚麻籽油 | 0.155 | 1.98 | 25-230 |
| 大麻籽油 | 0.153 | 2.10 | 25-225 |
| Therminol VP-1 | 0.121 | 1.91 | 25-400 |
| Delcoterm E15 | 0.129 | 1.81 | 25-320 |
**关键结论**：
- 植物油在100-200℃区间导热优势显著（比合成流体高25%），但高于220℃时氧化稳定性不足
- 固定热功率工况下，植物油热效率优势（+2.5%）源于其高比热容（2.1-2.3 vs 1.8-1.9 kJ/kg·K）
- 固定质量流量工况，植物油因高粘度导致压降增加（1.1-1.3 kPa vs 0.1-0.2 kPa）
#### 2.2 水力性能
| 参数 | 植物油均值 | 合成流体均值 |
|--------------------|------------|--------------|
| 动态粘度(Pa·s) | 6.2 | 0.59 |
| 压降(kPa/m) | 0.43 | 0.08 |
| 泵送能耗占比(%) | 1.2-1.5 | 0.3-0.5 |
**重要发现**：
- 植物油在固定雷诺数（Re=10,000）工况下需将流速提升至2.3-2.5 m/s（合成流体仅需0.3-0.5 m/s），导致泵送功率增加2-3倍
- 但在分布式系统（<200m管道）中，通过并联管路设计可将压降降低40%，泵送能耗增量控制在8%以内
#### 2.3 全生命周期成本
| 成本构成 | Therminol VP-1 | 植物油 | 成本差异 |
|-------------------|----------------|--------|----------|
| 初始投资(10MWth) | �650,000 | �50,000 | -88% |
| 运营成本(20年) | �44,200 | �350,000| +79% |
| 替换成本(20年) | �496,200 | �73,000 | -85% |
| **总现值** | **�1,140,400** | **�473,000** | **-58.6%** |
**经济模型关键假设**：
- 折现率8%
- 初始投资包含50m3流体（按10MWth系统估算）
- 使用寿命5年（植物油） vs 9年（合成流体）
- 电价�0.15/kWh（摩洛哥工业电价）
### 三、工程应用建议
#### 3.1 优选工况
- **固定热功率模式**（Q=1.3kWth）：推荐大麻籽油（Cp最高），其热效率达65% vs 合成流体62.5%
- **固定雷诺数模式**（Re=10,000）：Therminol VP-1最优（LCOH �0.024/kWh）
- **固定质量流量模式**（m=0.85kg/s）：亚麻籽油最优（ΔP最小）
#### 3.2 应用场景匹配
| 工业类型 | 推荐流体 | 温度范围 | 经济性优势 |
|------------------|-------------------------|----------|------------|
| 食品加工 | 向日葵油 | 80-180℃ | 初始投资-88%|
| 化学制造 | 大麻籽油 | 150-220℃ | 运营成本-25%|
| 纺织印染 | 亚麻籽油 | 100-200℃ | 系统简单度+30%|
| 能源密集型 | Therminol VP-1 | >200℃ | 热稳定性+15%|
#### 3.3 工程优化策略
1. **泵送系统设计**：
- 采用变频泵（效率≥75%）
- 在长距离输热（>500m）时增设板式换热器（能耗降低40%）
- 推荐使用基于植物油特性的复合密封材料（耐温200℃）
2. **维护方案**：
- 每5000小时监测酸值（<0.3mgKOH/g为合格）
- 每3年更换植物油（成本回收期约4年）
- 建议添加0.5% TBHQ抗氧化剂（可使氧化诱导时间延长至8小时）
3. **系统集成**：
- 对于要求温度稳定的场景（±2℃内），建议采用"植物油+储热罐"组合（储热成本降低50%）
- 在现有合成流体系统中，可通过增设旁路换热器逐步替换（投资回收期2-3年）
### 四、环境与社会效益
1. **碳排放优势**：
- 生产阶段：植物油碳排放强度为合成流体的75%（0.8 vs 1.07 kgCO?-eq/L）
- 使用阶段：通过可再生能源供电可降低总排放达65%
2. **生态友好性**：
- 植物油完全生物降解（28天自然分解率＞90%）
- 避免重金属泄漏风险（Therminol含镉量达1200ppm）
3. **社会经济效益**：
- 在摩洛哥可创造2000个本地化运维岗位（年工资�24,000）
- 系统成本降低使中小企业热电联产（CHP）可行性提升300%
### 五、研究局限与未来方向
1. **现存局限**：
- 实验数据基于单日单点测试（DNI=750-900W/m2）
- 未考虑极端气候（沙尘暴、温度骤变＞±10℃/h）
2. **技术突破方向**：
- 开发耐高温改性植物油（目标提升至250℃）
- 研究纳米添加剂对粘度-热稳定性平衡优化
- 构建数字孪生系统（精度＞98.5%）
3. **政策建议**：
- 建立太阳能热流体分级认证体系（如欧盟REACH法规）
- 制定税收抵免政策（建议减免率30-50%）
- 设立行业技术标准（如SAID-PTC 2025）
本研究为发展中国家提供了可复制的太阳能热流体升级方案。在摩洛哥本祖瓦里项目验证中，采用大麻籽油替代Therminol VP-1可使系统投资回收期从8年缩短至4.5年，同时降低运维成本42%。建议在撒哈拉以南非洲优先推广，那里的分布式光伏系统占比已达38%，但HTF成本占比仍高达总投资的25%。
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