面向节能低碳增值服务的太阳能系统经济性分析

2019-01-03 02:37秦汉时肖楚鹏冯澎湃

节能技术 2018年6期

秦汉时，李俊，肖楚鹏，郭松，冯澎湃

(1.南瑞集团有限公司(国网电力科学研究院有限公司)，江苏南京 210000；2.国网电力科学研究院(武汉)能效测评有限公司，湖北武汉 430074)

太阳能利用作为我国重要的一种节能减排技术，由于其利用方式的多样性，很难直接对不同太阳能系统之间的经济效益的优劣进行定量比较[1]。对于不同太阳能技术或设备性能方面的研究而言，合理评估不同技术或设备的性能时面临一些较难比较的成分：如不同类型技术的性能对比、不同种类能源的对比等[2]；而对于经济性评估而言，不同地区的能源补贴政策、能源价格以及生产过程中污染物排放的处罚条例等同样会影响到不同太阳能系统经济性评估的准确性。

为了更加准确的评估太阳系统的经济性，需要在多学科交叉的理论指引下, 应用先进概念和数学方法, 提出新的太阳能系统评价准则和设计优化方法[3-4]。相关研究工作者对这类问题已经进行了一些研究，如李莉等在1993年就提出利用层次分析法来对太阳能热水器的热性能、经济性和可靠性方面进行分析，建立了太阳能热水器的评价指标和模型[5]。刘立平等则利用层次分析法构建了太阳能集热器的性能评价指标，对4种不同的太阳能设备进行了综合评分，使各太阳能设备评价更简洁[6]。孙方田等则将灰色理论和层次分析法综合使用来建立太阳能热水器的性能评价模型，客服了灰色理论在数据处理过程种无法定量化的缺点[7]。而对于光伏发电的研究而言，文献[8]使用层次分析法对光伏发电的电能质量进行了评估。丁力等通过将拓扑学与层次分析法相结合，提出了基于物元理论的关联值矩阵，再通过层次分析法得到光伏发电电能质量的指标权重来综合分析光伏发电的电能质量综合评价等级[9]。但还未有相关研究将不同太阳能系统归纳到一种方法下进行分析和对比。

鉴于这些因素，本文通过以晶硅太阳能光伏电池、平板式太阳能热水器和PV/T系统为代表的3种不同太阳能技术为例，结合传热分析及层次分析法等研究方法建立统一的分析模型来分析太阳能系统在不同地区的性能和经济性，为推动节能减排技术的发展提供理论支撑。

1 系统分析及建模

1.1 系统原理图

整个系统主要由玻璃盖板、光伏/集热器、冷却水流道和水箱以及连接管路部分等组成(如图1)。其中光伏模块由多晶硅电池组成，光伏模块得到电力，其它未被光伏板吸收转化的太阳能被冷却水吸收产生热水，水循环还抑制了光伏电池温度上升导致的电池光伏转换效率降低的作用。在同样大小的吸收太阳能的工作面积条件下，PV/T系统可的能源总效率得到了提高[10-13]。

图1 PV/T利用系统示意图

该模型可以通过调整对太阳能光伏系统、太阳能光热系统以及太阳能光伏光热一体化系统进行分析：当不考虑玻璃盖板、冷却水和水箱的换热时，模型即简化为太阳能光伏系统的传热和效率模型；而当不考虑光电转换效率时，模型即为平板式太阳能热水器的传热和效率模型。

1.2 传热模型

本节采用文献[14]中的PV/T物理模型，按照每个主要部件来逐层分析太阳能利用系统非稳态时的传热过程。同时做以下假设：

(1)忽略部件之间的接触热阻；

(2)认为整个系统边缘和储水箱近似绝热；

(3)为了将3种系统置于同一条件下进行对比，假设PV/T系统中的电池覆盖率近似为100%；

(4)忽略流道内的流动阻力。

1.2.1 玻璃盖板

玻璃盖板的传热方程为

(1)

式中T——温度;

t——时间;

C——比热容;

ρ——密度;

G——单位面积下的阳光辐照强度;

γ——透过率;

hw——空气的对流换热系数;

hrga——玻璃和环境的辐射换热系数;

hcg——玻璃和集热器的对流换热系数;

hrcg——玻璃板与集热器的辐射换热系数;

g，a，c——脚标,指代玻璃，环境和集热器(光伏面板)。

1.2.2 集热(光伏)模块

集热(光伏)模块传热方程为

(2)

式中hcf——冷却水的对流换热系数;

Af——集热器单位面积下冷却水流道的内表面积;

α——吸收率;

f——脚标,指代冷却水;

P——单位面积下的多晶硅光电转化平均功率

P=Gγgηe[1-β(Tc-293)]

(3)

式中ηe——光伏电池在基准条件下(293 K)的光电转化效率;

β——温度系数;

Rin——系统的热损，若假设该装置四周绝缘良好;

Rin——可以被近似表示为[14]

(4)

1.2.3 冷却水流道

冷却水流道传热方程为

(5)

式中Az——系统冷却水流道的总横截面积;

uf——冷却水在流道中的流速;

x——沿流道方向的长度;

m——质量流量

m=ρfufAz

(6)

1.2.4 水箱

水箱的传热方程为

(7)

式中Mtk——水箱容纳水的总量;

Ttki,Ttko——水箱进口和出口温度，脚标tk指代水箱。

1.2.5 其它相关参数

hw和hcg可以根据公式(2)和(3)求得[15]

hw=3.8u+5.7

(8)

(9)

式中u——环境风速;

Lgc——玻璃盖板和光伏面板之间的间隙。

hrga和hrcg则通过公式(10)和公式(11)计算

(10)

(11)

式中ε——发射率;

σ——史蒂夫—玻尔兹曼常数。

hcf通过公式(12)，公式(13)计算

(12)

(13)

式中Nuf——努赛尔数,取值4.11[14];

kw——水的导热率;

Dh——水利半径;

a1和c1——铜管横截面的宽和高度。

方程(1)、方程(2)、方程(5)和方程(7)构成的方程组描述了PV/T的传热及太阳能利用过程。考虑到非稳态传热中冷却水流道和水箱水温在传热过程中互为边界条件，计算机编程采用迭代法来计算和完成对系统热效率的分析[16]，流程图如图2所示，此时水箱传热方程由方程(7)转换为方程(14)

(14)

式中n——换热管个数;

T1f——水箱中水的温度;

L——太阳能吸热装置的长度;

T1f-new——水箱受到加热后的水温;

计算流程如图2所示。

2 不同环境因素下太阳能系统性能表现

2.1 环境条件的选择

利用图2所示的计算流程，计算中所需要三种太阳能系统的系统参数如表1所示。

图2 计算流程

表1计算中所输入的相关参数

玻璃面板面积:1×1 m2透过率:0.95发射率:0.88与光伏面板间距:0.025 m光伏面板面积:1×1 m2温度系数:0.00 45基准条件下光电转化效率:0.15吸收率:0.90发射率:0.90吸热面板面积:1×1 m2铜管尺寸:0.01×0.03×1 m(H×W×L)铜管个数:16水的导热系数:0.58 W·m-1·K-1水的密度:1 000 kg·m-3比热容:4 200 J·kg-1·K-1流道内水的流速:0.02 m·s-1水箱容积:120 L

而对于张掖、三亚、海口和北京的环境参数如表2所示(数据来源http://www.data.AC.CN/index.asp)。

2.2 太阳能光伏系统的性能分析

通过计算，可以得到太阳能光伏系统张掖、三亚、海口和北京等4个地区的平均光电转换效率和年发电量，如图3所示。

表2不同地区的环境参数

地区TSI/kWh·(m2a)-1trh·a-1G=TSI/tr/W·m-2T/Ku/m·s-1张掖1 7103 163543279.925.00三亚1 7202 491690302.603.20海口1 4431 888764295.692.70北京1 4102 520560286.252.10

图3 太阳能光伏系统在4个区域的年发电量与平均光电转换效率

由图3可知，太阳能光伏系统在张掖具有最高的光电转化效率和发电量，而该系统在三亚的发电量虽然仅次于张掖，然而其光电转换效率却是四个区域中最低的。海口的年太阳总辐照强度虽然略高于北京，但是由于光伏系统在海口的平均光伏转换效率低于北京，导致该系统在北京的发电量反而比该系统在海口的发电量要多。

2.3 太阳能热水器的性能分析

通过计算，可以得到太阳能光伏系统张掖、三亚、海口和北京等4个地区的平均光电转换效率和年发电量，如图4所示。

图4 太阳能热水器在4个区域的年吸热量与平均热效率

由图4可知，太阳能热水器在张掖地区的性能最差，其热效率约在28%左右，远远低于三亚(热效率约39%)、海口(热效率约41%)和北京(38%)，这时由于张掖的气象条件：最低平均太阳能辐照强度、最低平均环境温度和最高平均环境风速阻碍了太阳能热水器的换热能力。虽然太阳能热水器在海口区域能够获得最高的热效率，然后海口区较低的年太阳能总辐照强度使得该区域内太阳能热水器的吸热量低于三亚。

2.4 太阳能光伏光热一体化系统的性能分析

太阳能光伏光热一体化系统的性能由光伏部分的发电性能和热水器部分的热性能两部分组成。光伏光热一体化系统在4个区域内的发电性能和热性能，如图5所示。

图5 太阳能光伏光热一体化系统在4个区域内的发电性能(a)与热性能(b)

由图5(a)所示，太阳能光伏光热一体化系统光伏部分的光电转换效率在不同区域之间的差异远远小于光伏系统在4个区域之间的光电转换效率差异性较为明显：PV/T系统光伏部分在张掖具有最高的转换效率为14.64%。而由图5(b)所示，太阳能光伏光热一体化系统热水器部分的性能较单一的太阳能热水器性能有所下降，海口仍然具备最高吸热效率34.04%，系统在张掖的吸热效率仍然最低约为22.55%，全面低于单一热水器时在这些区域内的吸热效率。这是由于系统中一部分太阳能被光伏部件转换为电力，使得太阳能热水器集热器接收到的太阳能辐射强度小于单一的太阳能热水器接收的强度，导致了PV/T系统热水器部分的吸热效率和吸热量都有不同程度的下降。

图6 太阳能光伏系统、太阳能热水器和PV/T系统在不同区域的总效率

值得注意的是，由图6可知，3种不同的系统中PV/T系统的总效率在4个区域条件下都是最高。在4个区域中，PV/T系统在海口具有最高的总效率约为47.32%，在张掖的总效率最低，只有37.19%。

3 基于层次分析法的太阳能系统性能评估

由于单独光伏、光热或者光伏光热一体化这三种太阳能利用技术不同的能源转化终端产品——电力以及不同温度的热水之间难以直接进行定量分析[17]。针对这一问题，本研究采用文献[3]提出的能量联产系统的新评价准则，利用层次分析法(AHP)将不同的能源转换方式转化为能源综合利用率来对比分析不同的太阳能利用系统产出的能量利用率

η=qeηe+khqhηh

(15)

式中η——系统的能源综合利用率;

qe和qh——基准点温度(基准点温度为确定的环境温度)下的发电能量利用率和发热量利用率的权重系数;

kh——热能温度修正系数;

ηe和ηh——该系数的光电转化效率和光热转化效率。

建立AHP模型与判断矩阵[18](如表3所示)。

表3判断矩阵

电热电13热1/31

为了检验判断结果是否正确，就必须对判断矩阵进行一致性判断。在进行判断矩阵一致性检验时，需要计算一致性指标CI。

(16)

式中λmax为判断矩阵的最大特征值，而由于在本文中判断矩阵的选择来自于文献[18]，因此不再对CI的值进行判断。

通过判断矩阵来计算权重指标qe和qh(见表4)。

表4各权重指标

电热q电0.750.750.75热0.250.250.25

kh=(Tf-Ta)/ΔT

(17)

式中 ΔT——基准点温差，若按照一般家用热水适宜温度325 K和环境基准温度293 K计算，则ΔT=32 K。

而通过上节得到的不同区域中不同气象条件下，太阳能光伏系统、太阳能热水器和太阳能光伏光热一体化系统的太阳能转换效率以及对应的能源产出量。在此基础上，本节将利用层次分析法综合评价这3种太阳能系统的经济性。综合上节的结论，表5为这3种太阳能系统在张掖、三亚、海口和北京的光热效率，光电效率，发电量、水箱水温等相关参数。其中水箱水温是利用计算的每日水箱水温Tf，其计算公式为

(18)

式中Tavg——区域的平均温度。

4 太阳能系统的经济综合评价

上一节利用层次分析法将光伏和光热两种不同作用机理的太阳能利用方式统一在综合能效评价，为横向比较3种太阳能系统的经济性提供了工具。本节将在上一节的基础上，对3种太阳能系统的经济性进行经济性评价。

以表6所示不同系统的综合能源利用效率为基础，将综合能源利用效率折合为电力转换效率以方便用电力价格来计算出张掖、三亚、海口和北京等4个区域不同气候和电力价格条件下不同系统的年收益S。

S=α×TSI×η×Pe

(19)

式中Pe——光伏发电上网电价，按照表5，张掖地区的上网电价为0.80元/kWh、三亚和海口的光伏上网电价为0.98元/kWh、北京的上网电价为0.88元/kWh；

α——综合能源利用效率与光电转化效率的权重系数

(20)

式中脚标i为1～4分别指代4个区域，α=1.33。因此3种系统在不同地区的年收益S如图7所示。

通过图7可知，PV系统在三亚年收益最高为176.36元/m2，张掖的年收益仅次于三亚为165.91元/m2，PV系统在北京的收益最低约为140.66元/m2；太阳能热水器同样在三亚的收益最高为91.28元/m2，而张掖的年收益最低为37.92元/m2；而PV/T系统同样在三亚地区的年收益最高，达到了278.83 元/m2，而在北京地区的年收益最低，为208.81 元/m2。

图7 3种太阳能系统在不同地区的年收益S

5 太阳能系统的投资回报计算

考虑到PV/T系统比PV和太阳能热水器相对节约的支架等成本，不同太阳能系统的成本和维护费用如表7所示。

表7不同系统的购置成本和运行费用

单位成本/元·m-2项目PV/TPV 太阳能热水器∗购置成本750500300年维护费用302010

注：*太阳能热水器价格为不带电加热系统的价格。

按照年折旧率0.09来考虑，则在20年寿命期内，三种系统在不同城市从开始投资到20年后寿命完结时在不同地区各自累计净收益曲线，并由该曲线与X轴的交点可以知道各个设备的投资回收年限，如图7。

由图8(a)～(c)可知，20年寿命周期内的光伏系统在4个地区的累计净收益三亚最高，约为830元/m2，北京最低，约为527元/m2；太阳能热水器的累计净收益在三亚最高为392元/m2，其次分别是海口和北京，其累计净收益分别为222元/m2和61元/m2，而太阳能热水器在张掖由于年收益太差，导致太阳能热水器在全生命周期内甚至不能收回成本；PV/T系统的累计净收益仍然在三亚时有最大值为1 367元/m2，其次为海口和张掖，其累计净收益分别为1 003元/m2，和905元/m2，北京区域下PV/T系统的累计净收益最低为772元/m2。

图8 20年生命周期内的累计净收益:(a)太阳能光伏系统;(b)太阳能热水器;(c)太阳能光伏光热一体化系统在

6 结论

本文以张掖、三亚、海口和北京4个区域不同的气象条件为基础，对太阳能光伏、太阳能热水器和太阳能光伏光热一体化系统的性能和经济性进行了分析，得到了以下结论：

(1)由于4个区域的环境因素的作用，导致3种不同太阳系统在不同区域的效率和能量产出差异性明显。张掖作为太阳能资源I类地区，光伏系统在该区域的能效和能量产出最高，然而太阳能热水器的性能却在4个区域中最差；三亚作为低纬度地区，太阳能光伏系统的性能略差，太阳能热水器和PV/T系统的性能却是4个区域中最好的。

(2)PV/T系统的综合能效大于在该地区光伏系统和太阳能热水器的综合能效之和，说明PV/T系统在能源利用效率较高，而且PV/T系统的占地更少，更能有效利用太阳能。

(3)虽然PV系统在张掖和北京的效率高于其在三亚和海口的效率，然而由于现有国家政策对于不同区域制定的光伏发电上网电价政策的不同，使得海口和三亚区域作为III类地区比I类地区具有0.18元/kWh的电价优势。张掖和北京区域的气象环境优势所带来的更高的光伏发电量优势由于该地区的较低上网电价价格抵消，导致各个系统在三亚和海口的经济性都优于张掖和北京地区。

综上所述，太阳能资源的丰富程度并非直接影响太阳能系统的能效和能量产出，在评估一个地区利用太阳能系统的节能潜力和经济性时，必须考虑该系统的能量转换特性，以及系统所在地区气象因素对系统性能的影响。