介绍
几十年来，化石燃料一直是世界的主要能源，但它们有一些局限性和缺点，例如资源有限、环境影响、地缘政治紧张、价格波动和健康影响（Mohtaram 等，2022）。基于此，替代能源可以用作传统能源的替代品，例如化石燃料（煤炭、石油、天然气），这些能源是不可再生的，会导致气候变化影响（Braungardt等人，2019）。最常用的替代能源包括太阳能、风能、水力发电、地热能和生物质能（Qazi 等人，2019）。然而，这些来源揭示了不同的挑战，例如它们的效率、存储、工作时间和地点。为了解决这些问题，已经提出了混合可再生能源系统。生物质是一种可再生能源，源自植物、农作物和废料等有机物。生物质转化技术包括燃烧、气化和厌氧消化。作为可再生资源，生物质能源的使用具有多种优势，它通常被认为是碳中和的，因为燃烧过程中释放的二氧化碳被植物生长过程中吸收的二氧化碳所抵消（Xu等人，2019））。太阳能-生物质混合系统的使用利用太阳能和废弃生物质来生产电力、热力或两者。这些系统以互补的方式使用可再生资源，以提高能源效率并减少温室气体排放。太阳能-生物质混合发电厂系统的基本原理是利用太阳能在进入锅炉之前对水进行预热（Sobek＆Werle，2019）。

世界上越来越多的国家对可再生能源采取了不同的方法。随着可再生能源技术变得越来越好、越来越便宜，大多数国家都在采用太阳能、风能和聚光太阳能发电（Manasrah 等人，2020）。

为了避免这些缺点，研究人员开发了生物质燃烧发电厂来生产清洁能源，而不必担心太阳能和风能的不一致。生物质发电厂可以全年、昼夜、不同天气条件下运行。此外，该技术已经足够成熟，可以根据生物质的类型和燃烧所用的技术开发不同的操作条件和容量。然而，它们的初始成本相对较高，并且生物质供应链并不可靠（Srinivas 和 Reddy，2014）。

由于当地能源资源稀缺、对邻国进口燃料的高度依赖以及各经济部门对能源需求的持续大幅增长，约旦在确保能源来源方面面临着真正的挑战。需求大幅增长是由于基本能源需求的大幅增长（每年约 5.5%）和发电量的大幅增长（每年 7.4%）（Abu-Rumman 等人，2020）。约旦也被认为是阿拉伯国家的枢纽和过境国，可以在连接整个地区的石油、天然气和电力网络方面发挥重要作用。约旦不断应对能源短缺威胁，迫切需要可持续的可再生能源供应来弥补能源短缺，并使该国在这方面保持安全（Hamed & Bressler，2019）。

张等人。(2020)对混合可再生能源系统的热优化进行了研究，该系统结合了太阳能、水力和生物质资源，以可持续且经济高效的方式生产生物柴油。作者使用仿真工具优化了系统的热性能，结果表明，所提出的系统生物柴油生产产量高、成本低，而且对环境友好。优化后的系统还可以有效地利用现有资源来生产生物柴油，使其成为可持续能源和生物柴油生产的有前途的选择。陈等人。(2021)重点分析了一个将太阳热能和生物质结合起来产生热量和电力的系统。他们进行了热力学和经济分析，以评估系统的效率和成本效益。他们发现，与独立的生物质燃烧系统相比，太阳能辅助的生物质燃烧热电联产系统效率更高，电力成本更低。然而，太阳能热系统的初始成本较高，可能会导致投资回收期较长。库马尔等人。(2022)旨在结合太阳能光伏（PV）、生物质、柴油和电池技术，设计和优化印度东部农村偏远电气化的混合离网发电系统。他们进行了技术经济分析，以确定这些技术的最佳组合，并发现混合系统可以为偏远社区提供可靠且负担得起的电力。该研究得出的结论是，混合动力系统可以为电网连接有限的地区的农村电气化提供可持续且具有成本效益的解决方案。最后，叶海亚等人。（2022年）检查了带有多级热交换器的太阳能-生物质混合热泵间歇式卧式流化床干燥机的性能，用于干燥稻谷。结果表明，干燥机具有较高的热效率和除湿率，热泵和太阳能集热器共同提供必要的热能。多级热交换器还通过提高传热效率提高了干燥机的性能。研究表明，这种类型的混合式干燥机可以成为电力或传统燃料来源有限的地区干燥农产品的可行解决方案。Yashar 等人的另一项研究。（2022年）重点研究使用 ORC 和蒸汽压缩循环将发电和冷却结合起来的系统。结果表明，R245fa 在发电厂内表现出最低的能量破坏率。此外，研究表明，对于 137 °C 的涡轮机入口温度，R114 产生最小成本函数 (PCEU)，而 R142b 在涡轮机入口压力 2500 kPa 时实现最小 PCEU。

基于上述讨论，为了降低费用并用较少的生物质产品产生蒸汽，本研究将抛物槽式集热器（PTC）产生的热水与生物质锅炉联网产生蒸汽。因此，当前工作的目标是做到以下几点：
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对实验室规模蒸汽发电厂的混合模型进行了热力学分析和实验测试，该模型涉及已构建的 3.6 米长 PTC 单元。该混合系统由两个主要子系统组成。第一个子系统是一个3.6米长的PTC单元，用于在进入第二个子系统的锅炉之前预热工作流体“水”。第二个子系统是蒸汽发电厂，利用生物质（橄榄饼）和油页岩的混合物作为燃烧燃料。
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这项研究提供了一种将混合 PTC 与生物质燃烧发电厂相结合的综合科学方法。
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这项工作提出了 PTC 和蒸汽发电厂之间最佳组合的技术设计指南，以获得最佳系统性能。
此外，预计将解决与能源和环境问题相关的许多问题，例如：减少温室气体排放、利用家庭和农业的有机废物生产生物质、促进约旦的能源安全、提高可再生能源在能源结构中的份额以及减少国家的能源费用。
物理系统
混合开式循环 PTC-生物质燃烧小型蒸汽发电厂进行了实验测试。锅炉产生的高压高温蒸汽通过与直流发电机耦合的蒸汽轮机膨胀。
槽式抛物面集热器
一个3.6米长的PTC已经建成。高反射不锈钢板用作抛物面槽中的镜子。抛物线槽由 1 米高的钢结构承载。该系统绕其轴旋转以跟踪太阳。设置1m 3的水箱。利用管道网络将水箱连接到 PTC。在进入锅炉之前，使用 0.75-HP 的水泵将水泵过 PTC。泵后安装有节流阀。图 1显示了 PTC，而表 1显示了所构建的 PTC 单元的完整规格。

众所周知，PTC将接收到的太阳辐射转换成热能，用于加热在太阳能场中循环的工作流体/水。工作流体从水箱泵送到PTC。PTC前面的太阳能场有铜管，上面覆盖着3英寸的黑色无缝铁管，用于输送热工作流体。图 2显示了这些管子，其长度已使用环路增加，以增强传热过程的量。

水从PTC系统中部进入太阳能场，流向PTC的最左端，并循环至最右端。最后从系统中间流出。该回路允许水在长度为 7.2 m 的太阳能场中流动。PTC配备了两个k型热电偶传感器，用于测量进入太阳能场之前和离开PTC之后的水温。从 PTC 流出的水被输送到系统的第二部分。图 3显示了已实施的 PTC 系统。

蒸汽发电厂
该部分系统由锅炉、流化床燃烧器、管网、与发电机耦合的汽轮机四部分组成。图 4显示了整个生物质发电厂及其所有部件。


锅炉
与将热能传递给管道内水流的 PTC 一样，生物质燃烧工厂中的热交换器（锅炉）利用燃烧后的橄榄饼-油页岩混合物的燃烧热。该热交换器由34匝碳钢螺旋管组成。这些转弯的直径为 90.0 cm，所用管道的直径为 3.8 cm，而该热交换器的高度为 4 m。该热交换器安装在燃烧器内部，其一端接近燃烧混合物的最高温度。产生的蒸汽为与直流发电机耦合的蒸汽轮机提供动力。
流化床燃烧器
为了加速混合物的燃烧，使用循环流化床。当从空气压缩机通过床孔进入的空气穿过混合物颗粒时，就会发生这种现象。在这种情况下，流化床将固体燃料颗粒转化为动态流体而不是静态固体混合物。由于床增加了燃烧燃料的表面积，因此发生快速燃烧。流化床安装在热交换器下方。为了燃烧燃料，压缩机通过床将空气插入燃料颗粒之间，并使用外部液化石油气火炬来启动燃烧过程，如图5所示。

管网
管网由阀门、管道和水泵组成。水泵插在水箱后面，将水抽入PTC接收器的管道中。随后，水流从PTC流出到热交换器，如图6所示。

汽轮机和发电机
使用 COPPUS 公司（1973 年）制造的旧实验室规模蒸汽轮机。该涡轮机参数为：最大转速3000转/分，逆时针旋转最大功率7.5千瓦，涡轮效率80.0%。该涡轮机与最大输出功率为 6.4 kW 的独立引出型直流发电机相连。图7所示为所使用的汽轮机和发电机。

完整的混合动力系统
图8所示为PTC与生物质发电厂的结合流程。该蒸汽装置开式循环通过从水箱中抽水开始，如图 8右侧所示。泵送的水流入管道并通过屏蔽管进入 PTC 接收器。泵送的水在管道回路中继续循环，直到达到所需的温度。节流阀安装在 PTC 子系统之前和之后的管网中。第一个阀门手动控制管道中水的流量，第二个阀门用于在流体填充过程结束后关闭锅炉。经过PTC后，水进入生物质系统的热交换器（锅炉）。当锅炉充满热水时，第二个节流阀关闭，图中锅炉下方的燃烧室充满燃料混合物。蒸汽是在高压和高温下获得的。第三个节流阀安装在输出管道上，以便在蒸汽压力达到阈值（本研究中为 6 bar）时允许蒸汽流动。然后，当蒸汽流入涡轮机时产生直流电。同时，第二个节流阀打开，让更多的水在锅炉内流动。

为了测量所提出的混合系统的性能， Al Asfar 等人设计的生物质发电厂。（2020）已用于比较。随后，以PTC部分为初始阶段对生物质发电厂进行了重新设计。用于比较这两个系统性能的性能指标由以下三个主要参数组成：
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已燃烧达到锅炉中阈值蒸汽压力的燃料混合物的量。
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达到旋转涡轮所需的蒸汽压力所需的时间。
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蒸汽轮机的旋转持续时间产生电力。
实验配置了三个主要场景。在所有场景中，系统的燃料均由一定量的油页岩和橄榄饼的混合物组成。然而，混合物中这些成分的百分比各不相同。表 2显示了这些混合物。
水被用作系统中的工作流体。初始水箱内的水温为20.0°C。对于第一个系统“蒸汽厂”，水充满了锅炉。在流化床燃烧器中燃烧的燃料混合物的质量流量为10.56kg/h，而空气(氧化剂)的质量流量为73.9kg/h。空燃比约为7/1，蒸汽质量流量为43.2 kg/h。燃料混合物的热值为17000.0kJ/kg。在第二个系统中，水在进入生物质工厂之前流向 PTC 系统，温度达到 45.0 °C。使用第一个节流阀调节水流量，使从 PTC 系统流出的水达到 45.0 °C。水流量为 0.31 L/min 时即可达到该数字。该系统中用于控制水流的节流阀是手动阀。而且，没有使用水流量计。为了克服这个问题，使用秒表计时器和瓶子来测量 PTC 装置的水出口达到 45.0 °C 时的速率。

数学模型
下面介绍表示燃料燃烧期间的连续性、能量、质量扩散和化学燃烧反应动力学的控制方程的数学模型。这些方程是基于二维数值数学模型，通过 Fluent/Ansys 软件使用有限体积法求解的。使用考虑固相和气相的高分辨率网格求解包括反应的控制方程。k-ε模型用于湍流和反应CFD模型，与本研究的实验燃烧器尺寸和材料相同。燃烧器网格由两个速度入口表面创建；一个用于空气，另一个用于燃料，一个位于排气口的压力出口表面，三个壁表面用于燃烧室壁。选择非预混合燃烧模型是因为燃料和氧化剂以不同的流进入燃烧室（Al Asfar 等人，2020）。

使用 Fluent 软件中集成的概率密度函数 (PDF) 模块估算燃烧过程中油页岩物种的摩尔分数。然后，使用二维稳态空间中的离散粒子模型对连续性、能量和质量扩散的控制方程进行数值求解，以估计：燃烧前和燃烧过程中的物质分数、温度、辐射、对流换热、压力、密度等。考虑了燃烧过程中涉及这些物质的化学可逆反应。这些物质包括 C、H、N、O、S、C (s)、S (s)、CH 4、H 2、CO、CO 2、N 2、O 2、OH、H 2O、HS、H 2 S、SO、SO 2、CS 2、NO、NO 2和 C 2 H 6。燃烧过程中涉及上述物质的化学反应被激活；因为它们内置于 Fluent PDF 模块中。
结果
获得了生物质发电厂作为独立发电机的数据和结果，并估计了 PTC 的特性和效率。此外，还计算了混合PTC-生物质发电厂的整体性能和发电量方面的性能参数，并与简单的相应兰金和卡诺循环进行了比较。这项实验和理论工作的详细结果如下所示。
独立生物质锅炉结果
生物质锅炉和涡轮发电机系统作为独立系统发电。不同浓度的油页岩和橄榄饼的混合物被用作锅炉的生物燃料。这部分进行了多次尝试实验。未获得 70.0% 油页岩、30.0% 橄榄饼混合物的结果，因为该混合物未用气炬完全点燃。50.0%油页岩、50.0%橄榄饼混合物也没有点燃，而20.0%油页岩、80.0%橄榄饼则成功点燃。
锅炉热交换器出口处的蒸汽温度（即图8中的T4）与时间的关系如图9所示。如图所示，蒸汽达到 377.0 °C 和 6 bar 所需的时间约为 140 分钟。混合物的燃料燃烧率为10.6kg/h。

图 9 . 出口处热交换器（锅炉）内的温度。
混合物的热值也是根据油页岩和橄榄饼的低热值（LHV）计算的。根据艾尔·阿斯法尔等人的说法。

独立 PTC 结果
在将输出热水连接到锅炉之前，对抛物面太阳能集热器进行了测试。第一个测试是通过向 PTC 施加 0.51 L/min 的水流进行的。然而，第二次试验是使用 0.31 升/分钟的水流进行的。图 10显示了两种情况下水的输出温度与时间的关系。如图所示，0.51 L/min 流量时稳态水的输出温度为 34.0 °C，0.31 L/min 流量时稳态水输出温度为 45 °C。然而，两种情况下水的入口温度均固定为 20.0 °C。

混合 PTC-生物质结果
使用抛物面太阳能集热器以 0.31 L/min 的流量将水预热至 45.0 °C。预热水用作生物质锅炉的输入源。结果表明，在0.6 MPa压力下，锅炉内换热器出口温升达到377.0 ℃。图 11显示了交换器内水温与时间的关系。

图 11 . 交换器内的水温与 PTC 时间的关系。
在这项工作中，混合系统启动情况下仅用了61.0分钟就达到了377.0℃和0.6MPa的最高温度，这意味着在进入生物质锅炉之前预热水节省了约80分钟的燃料燃烧时间。换句话说，混合系统达到相似的蒸汽温度和压力比独立锅炉快 62.0%。此外，当压力阀释放时，观察到相同的趋势。图 11还显示了测试期间蒸汽进入涡轮机时由于热交换器/锅炉内部压力突然损失而导致的显着温度下降。
为了对混合系统和独立生物质系统进行比较，两种情况下的燃烧速率相同，均为 0.0029 kg/s。

不确定性分析
不确定性分析通常用于估计实验工作中的累积误差。它突出显示了读数中测量值和真实值之间的差异。对于每种测量工具或方法，可以通过重复测量或简单地从数据表或评估中确定工具的读数误差来计算不确定性分析。
实验中使用了四种测量工具和方法。K型热电偶测量温度，行李秤测量生物质燃料的重量，容器秒表法测量水的流量，模拟压力表测量蒸汽压力。此外，在本研究中，数据收集单元的不确定性将被假设为零，因为没有直接证据表明该单元的准确性。
对于k型热电偶，读数的最大误差为±0.4%。至于体重秤，估计误差在±0.1%左右。此外，对于模拟压力表，平均误差估计为 ±0.1%（热电偶精度，2021 年，压力表仪器，2021 年）。然而，流量的误差是通过重复计时器读数10次来确定的。0.31 L/min 读数的标准偏差为 ±0.05。以下方程用于确定所有误差组合的总体不确定性

环境影响
在研究生物质时，环境是一个优先考虑的问题，因为与化石燃料一样，燃烧生物质会导致酸雨和烟雾的形成。氮和二氧化硫被水分捕获形成酸雨，进而可能导致云雾化、干燥，对生态系统造成严重影响。图 13代表了生物质混合物燃烧产生的污染物排放量，是通过作者在之前的研究中进行的模拟过程估算的（AlShawawra 和 Asfar，2018）。这里采用的流化床技术具有脱硫容易、排放较低的特点( Akpulat et al., 2010 )。除了硫浓度低之外，与其他生物废物相比，橄榄饼产生的硫含量<0.1 wt%（ Al-Rousan 等人，2013 年））。值得注意的是，引入氢脱硫技术可以降低硫含量（宋，2003）。HDS 技术基于使用氢气来最大限度地降低硫浓度。佩特拉基尼等人。(2017)在部分由橄榄饼供给的原型工厂中添加了一个脱硫装置，他们监测了硫化氢含量，发现在脱硫过程之前和之后，硫化氢含量分别从 95–140 ppm 大幅降低至 4–8 ppm。

谢赫等人。(2009)研究了生物质和煤衍生合成气在中高温范围内的脱硫。他们表示，生物质原料中硫物质的比例较低，并在进入发电之前去除了这些硫物质。基于锌、铁、钙、锰和铜的吸附剂已用于从提取的煤中去除H 2 S。
结论
在这项工作中，对独立的生物质锅炉、太阳能聚光器（抛物线槽形状）和混合生物质-PTC系统进行了一系列的实验测试。这些测试的主要目的是研究系统参数对其性能的影响。这些研究的参数包括：混合动力系统中的蒸汽温度、发电量和燃料节省。
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独立生物质锅炉的测试结果表明，0.6 MPa 时蒸汽最高温度达到 377 ℃。产生的蒸汽通过与发电机相连的蒸汽轮机用于发电。
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额定功率输出6.3kW时，涡轮机的整体效率达到12.6%。抛物面集热器作为独立系统也获得了结果。PTC 系统在 0.31 L/min 时的效率约为 10.2%。PTC 装置出口处的水温在稳定状态下达到 45 °C，入口温度为 20.0 °C。
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与传统的独立生物质发电厂相比，启动时间缩短了 62%，获得了类似的蒸汽温度。这意味着启动条件下燃烧燃料节省了 62.0%。
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如果使用 48 台 PTC 类似机组，拟议的混合蒸汽装置的整体效率可提高 33.3%。这些单元应排列成三排，每排 16 个单元串联。