太阳能与天然气热电冷联产系统应用探讨

张 榆 李 雷 肖沈剑

(1.陕西燃气集团新能源发展有限公司，陕西 西安 710016； 2.陕西燃气集团交通能源发展有限公司，陕西 西安 710016； 3.中国石油长庆油田分公司第二输油处，甘肃 庆阳 745000)

太阳能与天然气热电冷联产系统应用探讨

张 榆1李 雷2肖沈剑3

(1.陕西燃气集团新能源发展有限公司，陕西 西安 710016； 2.陕西燃气集团交通能源
发展有限公司，陕西 西安 710016； 3.中国石油长庆油田分公司第二输油处，甘肃 庆阳 745000)

对太阳能与天然气热电冷联产系统在国内外的发展现状进行了介绍，并以西北地区建筑为例，对该系统的应用构想方案进行了探讨，指出该技术对推进建筑环保节能目标的实现具有促进作用。

太阳能，天然气，系统，环保，节能

随着现代经济的高速发展以及人口的迅速增长，环境和能源问题成为了各国不得不面临的最大挑战。党的十六大以来，我国逐步确立了走新型工业化道路以及用科学发展观反思和审视国家的可持续能源发展战略，在不断摸索的过程中发现，全力提高能源的利用效率，最大限度地减少环境污染、加快开发利用可再生能源是我国实现能源可持续发展的唯一选择和途径。至此，各行各业对于低碳环保技术的研究也如雨后春笋般林立而起，而低碳技术的应用必将成就建筑业界新一轮的潮流浪潮。

太阳能与天然气热电冷联产系统是以太阳能集热系统、光伏系统和天然气热电冷联产系统技术为基础，与大电网和天然气管网组网运行，向一定区域建筑内的用户同时提供电力、蒸汽、热水和空调冷水的能源服务系统，其作为一种实用、经济、节能的能源综合利用形式，在电力资源较为紧张而天然气资源、可再生能源丰富的西北地区具有明显优势。因此，如何将此项技术运用到当地建筑中成为了一个不可逃避的课题。

1 国内外太阳能与天然气热电冷联产系统发展现状

1.1 国外发展现状

天然气热电冷联产目前在全球已经拥有非常庞大的客户群体，太阳能热电冷联产与天然气热电冷联产相比，仅仅是前端的能量供给方式不一样，但由于太阳能无处不在且收集成本低廉，现在欧美许多国家已经开始试探将太阳能碟式高倍聚光技术与燃气结合使用，太阳能作为辅助补充能源。现有的国外太阳能与天然气综合利用的成功实例，大多侧重于太阳能燃气混合电站建设，主要为解决电力需求，由于其电站距离客户端远，因此不利于除电力之外的其他能量传输。在美国华盛顿州Richland的园区内，美国太平洋西北国家实验室PNNL研发了一种创新性的发电系统。燃气发电厂在利用太阳能碟式聚光合成气发生技术后，可节约20%的燃气消耗，即可产生同等多的电力。该系统适合于大小规模的燃气发电厂的配套，一个500 MW的燃气大电厂需要3 000个太阳能合成气发生器，即可实现20%的燃气节约。该系统可根据天气情况灵活应用，如果太阳能辐照资源不佳，可直接利用燃气发电，配置十分灵活。在非洲，摩洛哥1999年在250 MW燃气联合循环机组上，投资5 000万美元，建成30 MW太阳能槽式热发电联合循环系统。2005年以相同形式，用太阳能和天然气为能源，太阳能占10%，天然气占90%，建成470 MW的联合循环机组。

1.2 国内发展现状

我国在太阳能应用方面，据2007年联合国环境规划署举行的联合国气候变化大会公布，中国太阳能产业规模位居世界第一，成为全球第三大光伏产品制造基地。目前，我国各地区太阳能发电站发展建设项目主要以光伏发电为主，由于其发电成本高、无电价补贴政策和市场陌生等因素，难以大规模、大范围推广应用。2011年10月，我国首个槽式太阳能—燃气联合循环(ISCC)发电站破土动工建设，该项目位于宁夏盐池，装机容量达92.5 MW，预计2013年10月建成投产。该项目目前还处于项目前期，未见实际动工迹象。中国的太阳能产业发展到今天，利用太阳能光热或光电技术提供生活热水、供暖、照明等用途的实例不胜枚举，太阳能热电冷三联供系统的研究也有涉猎。然而，太阳能与天然气热电冷联产相结合的系统技术研究目前仍停留在摸索、技术可行性和方案系统探讨阶段，国内目前尚无实例。

2 太阳能与天然气热电冷联产系统构想方案

天然气热电冷联产系统在分布式能源系统中前景最为明朗，最具实用性和发展活力，是在传统热电联产系统的基础上发展起来的一种总能系统，符合“温度对口、梯级利用”准则；太阳能既是一次性能源，也是可再生能源中最引人注目的清洁绿色能源，在能源开发中具有独特的优势，同时，也具有一些不可回避的自身缺点，例如能流密度低，不适合大规模推广应用；不连续、不稳定，受环境因素影响较大。

2.1 系统构想简介

太阳能与天然气热电冷联产系统是建立在能量梯级利用概念基础上，为满足建筑用户热、电、冷需求，以太阳能与天然气作为驱动能源，天然气热电冷联产系统为核心，运用太阳能光伏发电与光热转化技术实现制冷、供热及发电过程一体化的多联供总能系统。该系统不但能使不可再生能源利用率最大化，还能达到提高能源综合利用率并节约天然气消耗量的目的。

2.2 系统构思流程

该系统主要由天然气热电冷联产系统、太阳能集热器和太阳能光伏发电系统组成(见图1)。以天然气为燃料，经燃气轮机燃烧后驱动发电机供电，从燃气轮机出来的烟气进入余热锅炉，经余热锅炉产生的蒸汽与太阳能集热器产生的蒸汽相混合，为余热锅炉提供热量。夏季蒸汽通过驱动吸收式制冷机制冷，冬季通过换热器产生生活热水，余热锅炉通过补燃补充余热锅炉热量的不足。太阳能光伏发电系统通过光伏组件将太阳辐射能转化为电能，可通过蓄电池贮存起来，或经逆变器将直流电变为交流电给用户供电，多余电量也可向电网输送。

2.3 系统环保效益分析

以西北地区某办公楼为例，假设其供能区域规划总建筑面积约80 000 m2，初步测算冷负荷约为6.4 MW，热负荷约为4.8 MW，用电负荷约为7.6 MW。拟采用上述系统实施建设，其燃气轮机发电机组装机容量约为2×3 MW，年用气量0.09亿m3。从经济性角度出发，假定考虑燃气轮机发电机组发电上网，白天在用电高峰时段运行，夜间用电低谷时段停机，该机组每天运行13个小时，同时考虑一年中系统运行维护所需时日，估算该燃气轮机发电机组年发电量约为2 730万kWh，利用其产生的余热供热4.43万GJ，以燃煤低位热值22.41 MJ/kg计算，余热供热可节约标煤1 976.44 t；利用发电余热供冷4.43万GJ，以电制冷能效COP=4.5计算，余热供冷可节电273万kWh，约节约标准煤889.98 t。以上获知，大楼所需冷负荷为6.4 MW，在夏季，利用发电机组余热供冷后，太阳能集热装置还需补充热量约为1.1万GJ，根据最经济的太阳能集热板面积与供热比例计算，所需铺设的最佳太阳能集热面积约为1 620 m2，该太阳能集热装置所产生的热量，以燃煤低位热值22.41 MJ/kg计算，可节约标准煤490.85 t。根据西安市日照情况，假设该大楼可用于太阳能组件的屋顶面积约为10 000 m2，只用作光伏发电并网，所发电能全部用于大楼建筑内部消耗。如按照目前通常使用的光伏发电系统的话，1 m2太阳能组件功率约为80 W，装机容量为0.8 MW，按西安市每年平均标准日照1 646 h计算，则年发电量约为131.68万kWh。

本大楼采用太阳能与天然气热电冷联产系统，根据以上数据进行综合估算，系统总年发电量约为2 861.68万kWh，以2012年火电机组平均发电标准煤耗为326 g/kWh，扣除输电损失按10%计算，可替代标煤约10 262 t；再加上全年供热、制冷估算数值，太阳能与天然气热电冷联产系统共可替代标煤约为13 757 t，年减排烟尘4.95 t，减排CO236 043 t，减排SO2117 t。由此可见，其环保效益十分显著。

2.4 系统特点与优势

1)除具备传统天然气热电冷联产系统能源综合利用率高、环保性好、削峰填谷、安全可靠性高等优点外，还能弥补太阳能不连续、不稳定等缺点，为系统动力提供源源不断的能量来源，减少分布式能源系统对石化能源的依赖，真正实现可再生能源与不可再生能源的综合利用，优势互补；2)该系统规模较小、靠近用户、建设周期短、布置灵活多变，可以直接向建筑内部及附近的终端用户供电、供冷和供热，能够实现24 h全天候不间断供电，为生活和生产提供保障，其作为补充电源或备用电源的作用也较为突出；3)可根据建筑终端用户需求，实现并网和离网两种模式发电。

2.5 应用区域和类型

适合建立太阳能与天然气热电冷联产系统的区域和类型：

1)太阳能资源丰富、荒芜偏远的地区，可满足生产作业和生活基地的用能需求；2)日照量充裕或较为充裕且天然气接入便携的区域，可满足“一家一户”“一楼一寓”、山村等离网地区用户需要；3)大、中城市商业中心、大中型公建项目、公用事业单位、制造业工业区、新开发城区、成片开发的房地产项目、在建过程工业园区；4)改造项目：原有燃气轮机电站等改造为热电冷联产、现有城区工业燃煤热电联产机组改造等。

3 结语

随着城市化水平的发展和绿色环保技术的普遍应用，太阳能与天然气热电冷联产系统在各种类型建筑中的应用发展前景将会变得更加广阔，它既具有能源利用效率高，环境负面影响小的优势，还能提高能源供应的可靠性和经济性，是我国实现可持续发展战略的有效途径之一，势必也将成为建筑业界环保节能等目标能够顺利实现的重要手段之一。

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Application of the solar energy and natural gas combined cooling heating and power system

Zhang Yu1Li Lei2Xiao Shenjian3

(1.ShaanxiGasGroupNewEnergyDevelopmentLimitedCompany,Xi’an710016,China;2.ShaanxiGasGroupTransportEnergyDevelopmentLimitedCompany,Xi’an710016,China;3.TheSecondOilTransportationDepartment,ChinaPetroleumChangqingOilfieldCompany,Qingyang745000,China)

The solar energy and natural gas combined cooling heating and power system in present situation of development were introduced, take the Northwest architecture for example, the application of the system conceived program was discussed, and the technology to promote the realization of the goal of building environmentally friendly energy can promote.

solar energy, natural gas, system， environmental protection, energy saving

2015-06-06

张 榆(1983- )，女，硕士，助理工程师； 李 雷(1984- )，男，硕士，助理工程师； 肖沈剑(1980- )，男，助理工程师

1009-6825(2015)23-0170-02

TU201.5

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