基于光伏热水模块的天然气加热系统耦合分析

冉 豪，付金龙

（杭州华电半山发电有限公司，浙江杭州 310015）

0 引言

以燃机电厂为例，机组启动运行时，天然气温度远远低于正常运行所需温度，需利用天然气加热器升温，在消耗大量电能和高品位介质的同时，增大了中压省煤器热水流量，降低了机组热效率。针对这一问题，通过将天然气加热系统和光伏热水模块相结合，得到利用可再生能源的光—电—水加热系统[1]。利用太阳能，通过光热模块产生热水和电能对天然气进行加热，经济、环保、高效。

1 光—电—水加热系统简介

1.1 系统设备

光—电—水加热系统主要由天然气管道换热设备和光伏热水模块组成。光伏热水模块通过管道和阀门与水箱连接，通过电导线和开关调节阀与蓄电池、控制器等形成闭合回路，管道换热设备通过管道和阀门与水箱、水泵连接（图1）。

图1 天然气进气加热系统

1.1 天然气管道换热设备的结构

天然气管道换热设备是与天然气管道直接接触的部件，内部循环介质通过强制对流换热，为低温天然气升温提供热量，使其温度升高，避免冬季天然气管道发生冻胀现象。天然气管道换热设备采用套管式换热结构，天然气和热水采用逆流布置。其中，天然气在内管流动，热水在套管间的环形空间流动。天然气管道材料采用X70钢，外径为600 mm，套管内径为800 mm，套管外部有保温材料。

1.1.2 光伏热水模块的结构

光伏热水模块它能持续产生热水和电能，为管道换热设备提供热源和电能。常见的平板式结构即为本次光伏热水模块的结构类型，模块组件由内向外依次设置保温层、铝板层、光伏电池和玻璃层。光伏电池在透明材料之间，整体布置在铝合金板上，蛇形盘管布置在光伏电池间隙之间和光伏电池板下面，铝合金板板面铺设绝热材料，在光伏电池板上方铺设有透射率高的覆盖玻璃层（图2）。

图2 光伏热水模块的内部结构

1.1.3 工作原理

水箱中的水首先进入光伏热水模块的蛇形管中，在循环水泵的作用下可以通过强制对流方式间接吸收太阳能，成为高温热水（图3）。高温热水经水箱、循环泵进入天然气管道换热设备中，与低温天然气管道进行强制对流换热，加热天然气；热水换热后将会带走天然气中冷能温度降低，经水箱再次进入光伏热水模块吸收热量，实现了冷水的制热循环。同时，光伏热水模块中的光伏电池吸收太阳能产生电能，并储存在设置的蓄电装置中，通过光伏控制设备，在夜晚或光照不足时，存储的电能为水箱中的电加热器提供能量从而加热冷水，从而可以保证了天然气进气加热能够得到稳定持续的热补偿。

图3 蛇形水管布置

1.2 系统模型

光—电—水加热系统模型主要包括总辐射强度模型、光伏热水模块的光电模型、光热模型、热损失模型、天然气管道换热模型。这些系统模型通过能量转移和能量守恒的关系建立起联系，可以模拟在光照条件下、不同时刻太阳总辐射强度变化时，系统性能参数的动态变化。

1.2.1 总辐射强度模型

图4为系统的太阳辐射能流图。太阳辐射经过部分损失后通过光伏热水模块被充分吸收，利用光热原理将其转化为热能，除了小部分热损失外其余通过蛇形管中的循环工质水吸热将其带走用于天然气加热，或是生活热水；利用光电原理将太阳能转化为电能储存起来，可用于补充电加热或者厂用电。

图4 太阳辐射能流图

太阳能辐射是系统的能量的来源，建立总辐射模型，计算出光伏热水模块可利用的辐射能是系统设计计算的关键一步。太阳的总辐照强度计算见式（1）。

式中I——太阳的总辐照强度，W/m2

Isc——太阳辐照在水平面上的散射分量，W/m2

Idc——太阳辐照在水平面上的直射分量，W/m2

Xdc——直射分量的修正系数

1.2.2 光电模型

太阳能光伏电池受到太阳辐射能后开始发生光电效应产生电能，单位面积光伏电池上净吸收的太阳能产生的电能为qp，其产出电能 qe的计算方法见式（2）～（4）[2-3]。

式中 ηe——光伏电池转化效率，%

γc——覆盖层的反射率，%

τc——玻璃盖板的透射率，%

αe——光伏电池的吸收率，%

ηrc——光伏电池在基准条件下的光电转换效率，%

βp——光伏电池在基准条件下的温度系数，1/℃

trc——环境温度，℃

tp——光伏电池温度，℃

1.2.3 光热模型

系统采用较常见的平板式结构，这个结构整体有较高的热效率和光伏转化效率。通过模块中蛇形管的循环介质的进、出口温度可以求取蛇形管循环工质带走的总热量，通过能量平衡方程可知，蛇形管工质所带走的热量即为光伏热水模块所吸收的热量，从而建立起光伏热水模块的光热模型[3]。

蛇形管循环工质获得的总热量qL见式（5）。

式中cL——工质的比热容，J/(kg·K)

mL——工质的质量，kg

——蛇形管中工质出口温度，℃

——蛇形管中工质进口温度，℃

由于换热管道的长度相对天然气管道总长较短，且管道保温层较厚，所以忽略管道的散热损失，认为光伏热水模块的进口水温即为管道换热设备的出口水温度，即。光伏热水模块获得的总热量qr见式（6）。

式中——分别为循环介质水流过管道换热设备的进出温，℃

qs——光伏热水模块的热损失量，J/m2

Ac——光伏热水模块的有效面积，m2

循环水在光伏热水模块中满足能量平衡，即qr=qL。则光伏热水模块光热效率

1.2.4 光伏热水模块的热损失模型

在光伏热水模块将太阳辐射转化为热能后，依然存在着较大的热损失。热能损失的方式一般有3种，包括发生在覆盖材料的两侧的对流换热损失、光伏电池层到覆盖层和覆盖层到外部空气环境的辐射散热损失。通过建立热损失模型可以准确地计算出热损失量。

光伏热水模块的热损失qs=Uz（tp-ta）[4]。其中，Uz为热损失系数，由对流损失因子Ufront和Uback组成。相关计算见式（7）～（12）。

式中tair——环境温度，K；

N——璃板层数

σ——斯蒂芬·玻尔兹曼常数，σ=5.67×10-8

θ——光伏热水模块的倾角，°

εp——光伏电池板发射率，%

εc——玻璃板发射率，%

hW——空气对流换热系数，W/（m2·K）

vW——风速，m/s

Dback——保温材料厚度，m

Kback——保温材料导热系数，W/（m2·K）

所以，系统综合效率

1.2.5 天然气管道换热设备的换热器模型

天然气侧的加热模型，单位质量流量的天然气回温吸热量为q2；循环水侧的数学模型，单位质量流量的介质水与天然气发生热交换时放热量为q1；由管道换热设备所组成的换热器模型中换热量为 q3。计算公式见式（13）～（15）。

式中c1，c2——分别为水和天然气的比热容，J（/kg·K）

m1，m2——分别为水和天然气的质量流量，kg/s

——分别为循环介质水流过管道换热设备的进出温，℃；

——分别为循环天然气流过管道换热设备的进出温，℃；

l——管道换热设备的换热长度，m

λ——天然气管道设备X70钢导热系数

由能量守恒定律，q1=q2=q3。

1.3 典型天然气电厂加热系统结构参数耦合计算

以当地近3年的6～8月份的气象参数为基础，取全天太阳辐射强度取值为700 W/m2。根据当地的光照条件并假设进气加热20℃，进行系统尺寸设计。选用参数如下。

天然气管道外径为600 mm内径587 mm，ηrc=16%，αe=0.9。

蛇形铜管导热系数为401 W/（m·K），βp=0.004，trc=25℃。

导热铝板导热系数为237 W/（m·K），τc=0.81，εp=0.95。

天然气密度 0.75 kg/m2，vw=4 m/s，Dback=50 mm。

天然气比热c1=2.07kJ/(kg·k），D=8 mm，Kback=0.058 W/（m·K）。

进水初温度tin=19℃，εc=0.88。

经过计算可知，为使体积流量为20 000 m3/h的天然气升温20℃，忽略管道热损失，天然气管道换热设备须要铺设23.21 m，循环水流量为2.224 m3/h，光伏热水模块的有效吸热面积为78.76 m2。

2 加热系统效率及影响因素分析

通过编辑MATLAB程序，进一步模拟研究太阳辐射强度变化对本系统效率的影响及其相关参数的变化规律，并探究变化原因。

2.1 MATLAB程序模拟过程

为了建立光伏电池表面温度、蛇形水管出口水温、光伏热水模块的光热、光电效率参数随时间变化，更加客观有效地研究和模拟测试本系统对天然气进气加热的实际效果，采用迭代法编制MATLAB程序，进行性能参数求解及性能曲线绘制。程序流程见图5。

以2017年4月5日的气象参数为模拟气象数据基础，环境平均风速为4.0 m/s，平均温度14.7℃。通过medpha软件可以生成当地 4 月 18 日 8：00～16：00 的气象数据（图 6、表 1）。

图5 MATLAB程序流程

图6 太阳总辐射强度随时间变化

表1 当地太阳总辐射强度逐时数据

2.2 光伏热水模块用于进气加热

对本系统用于进气加热时的光电光热效率进行模拟分析，得到数据和图像如表2和图7～图9所示。

在太阳能光伏热水模块用于进气加热时，光伏电池表面温度为（18.0～48.2）℃，而蛇形水管出口水温为（32.3～45.1）℃，在正午12：00时达到最大值；光伏电池表面温度的变化趋势与太阳总辐射强度和环境温度风速等有关，太阳总辐射强度越大，环境温度越高，电池表面温度和蛇形水管出口水温也越高；光伏热水模块的光热效率为40.3%～44.8%，光电效率为 14.5%～16.4%；平均光电/光热综合效率为 58.6% 。

光伏电池表面温度的变化趋势与太阳总辐射强度和环境温度有关，太阳总辐射强度越大，环境温度越高，电池表面温度和蛇形水管出口水温也越高。光电效率图与光伏热水模块的温度图是相反方向，主要是因为光电转换效率与电池自身温度的变化成反比，光伏温度升高、效率降低，12：00后蛇形管出口水温更高，降低光伏电池表面温度，提高光电效率。

表2 光伏热水模块用于进气加热逐时数据

图7 光伏热水模块用于进气加热时的光热效率

图8 光伏热水模块用于进气加热时的光电效率

图9 光伏电池表面温度和蛇形水管出口水温随时间的变化

3 光伏热水模块进气加热和传统的电加热法的节能比较

为了模拟分析本系统的性能指标和节能数据，计算对比和分析传统电加热和本系统的耗电功率，每天光照时间按8 h计算，进气温度升高20℃，全年取冬季温度最低的3个月90 d进行计算得到表3天然气防冻胀回温处理采用电加热器和光伏热水模块的两者耗电量数据表。

表3 天然气进气加热采用电加热器和光伏热水模块两者耗电量数据表

从表中可以看出，在09：00～16：00之间光伏热水模块产生的热能和电能满足进气加热需求，另有很大余量可以减少性能加热器热水流量。光伏热水模块共产生电能22.187 kW·h，通过本系统连接的电路可将电能储存在蓄电池中，在没有光照时通过供给电加热器的运行持续给天然气进气加热，或者用于补充白天光照不足进气加热所需的额外能量。由数据推算出，本系统在白天有光照的8 h内，不消耗电能即可实现对天然气进气加热20℃，节省能源157.273 kW·h。

传统的电加热法消耗一次能源为代价进行进气加热，同时由于在加热过程中最小能耗不确定的不确定性，采用固定式加热方式会造成高品位的电能的较大浪费。本文中基于太阳能光伏热水模块对光—电—水加热系统，能有效降低高品位电能的投入，节能环保。

4 总结

通过对结合光伏热水模块的光—电—水天然气加热系统的模型计算和分析，认为系统稳定性好，能有效提高太阳能光电光热转化效率，部分替代传统电加热，降低了高品位电能的消耗，同时在一定程度上减少中压省煤器热水流量，提高机组热效率。冬季可有效避免天然气管道冻胀的发生，夏季产生的热水可用于生活热水，提高了系统的利用率。光—电—水加热系统是太阳能利用技术的工程应用领域的拓展，是节能技术的集成创新重要形式。

[1]Hisashi Saitoh， Yasuhiro Hamada， Hideki kubota，et al.Field experiments analyses on a hybrid solarcollector[J].Applied Thermal Engineering，2003，23（16）：2089-2105.

[2]梁晓雨，李琦芬，候宗钦，等.基于太阳能利用的天然气地埋管防冻胀系统设计与性能分析[J].可再生能源，2016，34（3）：339-346.

[3]缪焯绵.烃类气体和液体的管道设计[M].北京：石油工业出版社，1980.

[4]S.A.Klein.Calculation offalate—platelosscoefficients[J].Solar Energy，1975（17）：79-80.