黃 曄,張高明,高 峰,劉志兵,王澤昕,魏進(jìn)家*
(1.陜西榆林能源集團(tuán)有限公司,榆林 719000;2.西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710049;3. 國家電網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院,太原 030001)
聚光光伏光熱(CPV/T)系統(tǒng)因結(jié)構(gòu)緊湊、投資成本低及綜合效率高,逐漸成為具有產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景的可再生能源利用方式。通常,CPV/T系統(tǒng)采用的跟蹤方式主要為雙軸跟蹤、單軸南北向跟蹤及單軸東西向跟蹤這3種,具體需要根據(jù)聚光器的類型(即對(duì)跟蹤精度的要求)及跟蹤系統(tǒng)的成本來確定跟蹤方式,以實(shí)現(xiàn)CPV/T系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和輸出性能的平衡。對(duì)于點(diǎn)聚焦聚光器,如碟式聚光器[1]及菲涅爾透鏡[2],由于對(duì)跟蹤精度的要求高,一般需采用雙軸跟蹤方式;而對(duì)于線聚焦聚光器,如線性菲涅爾[3]、拋物線槽式[4]及復(fù)合拋物面聚光器[5]等,對(duì)于跟蹤精度的要求相對(duì)較低,此時(shí)既可以采用雙軸跟蹤方式,也可以采用單軸跟蹤方式。
ROSELL等[6]搭建了一種采用雙軸跟蹤方式的CPV/T系統(tǒng),其聚光器為線聚焦菲涅爾聚光器,幾何聚光比為11。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明,在不輸出電能的情況下,該CPV/T系統(tǒng)的熱效率可達(dá)60%~65%。東南大學(xué)的孫利國等[7]搭建了一套單軸跟蹤采用碟形排布平面反射鏡陣列聚光的CPV/T系統(tǒng),研究結(jié)果表明,入射光線角度越大,CPV/T系統(tǒng)輸出的電功率衰減越快,而且比理論上的入射角余弦效應(yīng)衰減幅度更大。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)的閆素英等[8]對(duì)雙軸跟蹤菲涅爾透鏡高倍聚光PV/T系統(tǒng)熱、電輸出性能進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,當(dāng)入射角大于0.3°時(shí),系統(tǒng)的熱電綜合效率呈現(xiàn)大幅度的下降。因此,為保證系統(tǒng)高效運(yùn)行,應(yīng)使入射角的偏差不超過0.3°。BERNARDO等[9]搭建了一套采光面積為4.6 m2、聚光比為7.8的單軸東西向跟蹤拋物線槽式CPV/T系統(tǒng),該系統(tǒng)的峰值熱、電功率分別為435 W/m2和61 W/m2,峰值熱、電效率分別為45%和6.4%。胡芃等[10]提出了一種線性菲涅爾反射聚光分頻CPV/T系統(tǒng),通過光線追蹤法對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了光學(xué)性能分析,并對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明,聚光器具有較高的采光面積利用率,聚光焦斑均勻性高,有利于光伏發(fā)電,光熱利用溫度不受太陽電池工作溫度的限制。LI M等[11]搭建了一套能量聚光比為10.27的單軸南北向跟蹤拋物線槽式CPV/T系統(tǒng),采用低成本的硅太陽電池時(shí),該系統(tǒng)的熱、電效率分別為42.4%和7.51%;經(jīng)濟(jì)性分析表明,該CPV/T系統(tǒng)的發(fā)電成本可以與不聚光條件下的光伏發(fā)電系統(tǒng)相匹敵,且CPV/T系統(tǒng)還可以提供額外的熱量。
在之前的文獻(xiàn)報(bào)道中,很少有關(guān)于不同地區(qū)、不同跟蹤方式下CPV/T系統(tǒng)的熱、電性能和經(jīng)濟(jì)性的對(duì)比研究,而以年為周期的長期熱、電性能的研究更是幾乎沒有。因此,本文基于不同跟蹤方式下CPV/T系統(tǒng)的熱、電性能理論模型,在TRNSYS軟件中編寫仿真程序預(yù)測(cè)了在西安、蘭州和拉薩這3個(gè)不同太陽能資源區(qū)采用不同跟蹤方式時(shí)CPV/T系統(tǒng)的全年熱、電性能;同時(shí),采用動(dòng)態(tài)投資回收期指標(biāo)對(duì)不同地區(qū)、不同跟蹤方式下CPV/T系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。
本文研究的CPV/T系統(tǒng)采用的是復(fù)合拋物面聚光器(CPC)。本CPV/T系統(tǒng)的工作原理為:太陽光被CPC收集并反射到多晶硅光伏光熱(PV/T)組件上,多晶硅PV/T組件一方面通過太陽電池發(fā)電,另一方面通過太陽電池背部的冷卻工質(zhì)回收熱能。圖1為CPV/T系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及太陽能能量傳輸示意圖。太陽能能量在CPV/T系統(tǒng)的傳輸環(huán)節(jié)包括聚光環(huán)節(jié)、光伏環(huán)節(jié)及光熱環(huán)節(jié)。聚光環(huán)節(jié)的主要設(shè)備為消除多次反射(EMR)型CPC;光伏環(huán)節(jié)的主要設(shè)備為多晶硅太陽電池;光熱環(huán)節(jié)的主要設(shè)備為冷卻工質(zhì)流經(jīng)的鋁合金方管通道。圖1中,φt為入射太陽輻射通量;Pe,t為太陽電池輸出的電功率;φth,t為冷卻工質(zhì)回收的熱功率;φ1為聚光環(huán)節(jié)損失的太陽輻射通量;φ2為多晶硅PV/T組件玻璃蓋板反射的太陽輻射通量;φ3為多晶硅PV/T組件上表面的熱損失。
根據(jù)CPV/T系統(tǒng)整體的能量守恒、玻璃蓋板表面的熱平衡及換熱流體的熱平衡,可建立如下方程組:
式中,ηcpc為CPC的聚光效率;τc為玻璃蓋板的透過率;αpv為太陽電池吸收率;ηref為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率,是由太陽電池供應(yīng)商提供的已知參數(shù);Tpv為太陽電池的平均溫度;Tref為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下太陽電池的溫度,取25 ℃;σ為黑體輻射常數(shù);εc為玻璃蓋板的發(fā)射率;S為太陽電池的受光面積;Tc為玻璃蓋板的平均溫度;Tsky為天空溫度;hc-a為玻璃蓋板與環(huán)境的對(duì)流換熱系數(shù);Ta為環(huán)境溫度;m為換熱流體的質(zhì)量流率;cp為換熱流體的比熱容;Tw,in和Tw,out分別為換熱流體的進(jìn)、出口水溫;hpv-c為太陽電池和玻璃蓋板之間的熱傳導(dǎo)換熱系數(shù);hpv-w為太陽電池和換熱流體之間的對(duì)流和熱傳導(dǎo)綜合換熱系數(shù)。
公式(1)中有3個(gè)未知參數(shù),分別為Tpv、Tw,out及Tc,可采用牛頓-拉夫遜迭代進(jìn)行求解。若求解得出Tpv,太陽電池在實(shí)際運(yùn)行溫度下的光電轉(zhuǎn)換效率ηel也可以由ηel=ηref[1-0.0042(Tpv-Tref)]求解出,因此CPV/T系統(tǒng)的熱、電性能參數(shù)均可以求解出。
TRNSYS是一款極其靈活的模塊化瞬態(tài)過程模擬軟件,最早由美國Wisconsin-Madison大學(xué)Solar Energy實(shí)驗(yàn)室開發(fā)。該軟件最大的特點(diǎn)就是模塊化,每個(gè)模塊都有各自特定的功能,以對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的不同部件,只要給定輸入條件,調(diào)用TRNSYS軟件中的相應(yīng)模塊,即可對(duì)任意系統(tǒng)進(jìn)行仿真。因此,TRNSYS軟件仿真的重點(diǎn)在于根據(jù)數(shù)學(xué)模型創(chuàng)建系統(tǒng)中的部件,并構(gòu)建部件之間的聯(lián)系。對(duì)于CPV/T系統(tǒng),TRNSYS軟件仿真時(shí)需要用到的模塊包括氣象數(shù)據(jù)模塊、水量控制函數(shù)模塊、水泵模塊、反饋迭代控制器模塊、水箱模塊、CPV/T模塊、積分器模塊、計(jì)算器模塊、繪圖儀模塊,以及輸出數(shù)據(jù)模塊,其中,CPV/T模塊是核心模塊。各模塊的圖標(biāo)和功能如表1所示。
表1 利用TRNSYS軟件仿真CPV/T系統(tǒng)時(shí)所用模塊的功能介紹Table 1 Function introduction of module used in simulation of CPV/T system with TRNSYS
根據(jù)表1中各模塊之間的輸入、輸出關(guān)系,即可構(gòu)建出不同跟蹤方式下CPV/T系統(tǒng)的TRNSYS仿真。圖2為CPV/T系統(tǒng)的TRNSYS仿真流程圖。
對(duì)于單軸跟蹤方式而言,由于存在余弦損失,需要引入入射系數(shù)對(duì)入射太陽輻射通量進(jìn)行修正。對(duì)于單軸東西向跟蹤方式,入射系數(shù)cosθ可由式(2)計(jì)算得到[12]:
式中,θz為天頂角;δ為赤緯角;ω為時(shí)角。
而對(duì)于單軸南北向跟蹤方式,cosθ可表示為:
圖3為西安地區(qū)4個(gè)典型日時(shí)2種單軸跟蹤方式下cosθ的情況。
由圖3可知,對(duì)于單軸南北向跟蹤方式,在4個(gè)典型日時(shí)cosθ都是先隨時(shí)間的增長而增大,在正午時(shí)達(dá)到峰值1,隨后逐漸下降。而對(duì)于單軸東西向跟蹤方式而言,在春分日、秋分日及冬至日,cosθ都是在早晨時(shí)達(dá)到最大值,然后隨時(shí)間的增長而降低,在正午時(shí)達(dá)到最小值,之后又隨著時(shí)間的增長而增大,在傍晚時(shí)又達(dá)到早晨時(shí)的最大值;但在夏至日時(shí),cosθ的最小值并不是出現(xiàn)在正午,而是在正午之前。而且還可以看出,4個(gè)典型日時(shí)2種跟蹤方式下cosθ隨時(shí)間變化的曲線以正午時(shí)刻為軸線基本對(duì)稱。對(duì)比2種單軸跟蹤方式的cosθ可以看出,與單軸南北向跟蹤方式相比,除冬至日之外,單軸東西向跟蹤方式在其他3個(gè)典型日的cosθ都較為接近于1。由此可知,相對(duì)于單軸南北向跟蹤系統(tǒng),單軸東西向跟蹤系統(tǒng)更適合在春季、夏季及秋季使用;而相對(duì)于單軸東西向跟蹤系統(tǒng),單軸南北向跟蹤系統(tǒng)則更適合在冬季使用。
在CPV/T系統(tǒng)的采光面積為12 m2、設(shè)計(jì)容量為9.5 kW的前提下,西安地區(qū)在4個(gè)典型日時(shí)采用不同跟蹤方式的CPV/T系統(tǒng)的熱、電性能對(duì)比如表2所示。
由表2可以看出,在西安地區(qū)4個(gè)典型日時(shí),采用雙軸跟蹤方式的CPV/T系統(tǒng)的熱、電效率均為最高。因此,在西安地區(qū),雙軸跟蹤方式的CPV/T系統(tǒng)適用于任何季節(jié)。在春分日、夏至日及秋分日,采用單軸東西向跟蹤方式的CPV/T系統(tǒng)的熱、電效率均高于其采用單軸南北向跟蹤方式時(shí);而僅在冬至日,采用單軸南北向跟蹤方式的CPV/T系統(tǒng)的熱、電效率均比其采用單軸東西向跟蹤方式時(shí)高,這與cosθ隨季節(jié)的變化是一致的。
表2 西安地區(qū)典型日時(shí)采用不同跟蹤方式的CPV/T系統(tǒng)的熱、電性能對(duì)比Table 2 Comparison of thermal and electrical performance of CPV/T systems with different tracking methods in typical days in Xi’an area
以西安地區(qū)、蘭州地區(qū)及拉薩地區(qū)這3個(gè)不同太陽能資源區(qū)為例,通過TRNSYS軟件仿真計(jì)算得到了采光面積為12 m2、設(shè)計(jì)容量為9.5 kW的CPV/T系統(tǒng)采用不同跟蹤方式時(shí)的全年熱、電輸出性能,結(jié)果如表3所示。從表3中可以看出,采用同種跟蹤方式時(shí),拉薩地區(qū)(Ⅰ類太陽能資源區(qū))的CPV/T系統(tǒng)的年熱、電效率均比蘭州地區(qū)(Ⅱ類太陽能資源區(qū))和西安地區(qū)(Ⅲ類太陽能資源區(qū))的高;采用同種跟蹤方式時(shí),CPV/T系統(tǒng)在蘭州地區(qū)的年電效率比其在西安地區(qū)的高,這可能是因?yàn)樘m州地區(qū)太陽輻射中的直射輻射占比大;而同種跟蹤方式下,除單軸東西向跟蹤外,CPV/T系統(tǒng)在蘭州地區(qū)的年熱效率均比其在西安地區(qū)的略低,可能是由于蘭州地區(qū)的氣溫比西安地區(qū)的稍低。此外,對(duì)比在3個(gè)地區(qū)采用不同跟蹤方式時(shí)CPV/T系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可以看出,采用雙軸跟蹤方式的CPV/T系統(tǒng)的年熱、電性能最佳,采用單軸東西向跟蹤方式的CPV/T系統(tǒng)的年熱、電性能次之,采用單軸南北向跟蹤方式的CPV/T系統(tǒng)的年熱、電性能最差。
本文以動(dòng)態(tài)投資回收期作為經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)。動(dòng)態(tài)投資回收期是指當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行的凈盈利與初始投資相同時(shí)累計(jì)的年份,可由公式(4)計(jì)算得到:
式中,Tz為動(dòng)態(tài)投資回收期;t為系統(tǒng)建成投產(chǎn)年序號(hào),剛建成投產(chǎn)時(shí)t=0,建成投產(chǎn)滿1年時(shí)t=1,以此類推;Ci、Co分別為系統(tǒng)流入、流出的資金;i為基準(zhǔn)折現(xiàn)率。
表3 在不同地區(qū)采用不同跟蹤方式的CPV/T系統(tǒng)的全年熱、電性能對(duì)比Table 3 Comparison of annual thermal and electrical performance of CPV/T system in different areas and different tracking methods
采用雙軸跟蹤方式和單軸跟蹤方式時(shí),采光面積為12 m2、設(shè)計(jì)容量為9.5 kW的CPV/T系統(tǒng)的初始投資成本如表4所示。
表4 采用不同跟蹤方式時(shí)采光面積為12 m2、設(shè)計(jì)容量為9.5 kW的CPV/T系統(tǒng)的初始投資成本對(duì)比Table 4 Comparison of initial investment cost of CPV/T system with daylighting area of 12 m2 and design capacity of 9.5 kW when using different tracking methods
由表4可以看出,在相同采光面積下,EMR型CPC、多晶硅PV/T組件、水路與電路部件成本都相等。由于雙軸跟蹤方式需要實(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn)太陽,其跟蹤與控制部件的造價(jià)比單軸跟蹤方式的高,因此CPV/T系統(tǒng)采用雙軸跟蹤方式時(shí)的初始投資成本比其采用單軸跟蹤方式時(shí)的高。
除了初始投資成本之外,CPV/T系統(tǒng)還需要后續(xù)的運(yùn)行費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用,其中,運(yùn)行費(fèi)用主要包括跟蹤機(jī)構(gòu)和水泵的電力消耗。跟蹤機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)滿負(fù)荷功率為75 W,系統(tǒng)每30 s間歇跟蹤1次,1次跟蹤2 s,一年中系統(tǒng)日均工作時(shí)間按5 h計(jì)算,則跟蹤機(jī)構(gòu)每天工作時(shí)長約為0.31 h,其1天的電力消耗約為0.023 kWh;水泵滿負(fù)荷功率為50 W,1天的電力消耗為0.25 kWh。以西安地區(qū)為例,根據(jù)國家發(fā)展和改革委員會(huì)印發(fā)的于2019年7月1日起執(zhí)行的《關(guān)于居民生活用電試行階梯電價(jià)的指導(dǎo)意見的通知》,系統(tǒng)的用電價(jià)格按0.55元/kWh計(jì)算,則CPV/T系統(tǒng)的全年運(yùn)行費(fèi)用為54.80元。系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用主要用于聚光鏡的定期清洗、多晶硅PV/T組件及管路的維護(hù),系統(tǒng)建成投產(chǎn)第1年的維護(hù)費(fèi)用以總投資成本的0.2%進(jìn)行計(jì)算,同時(shí)考慮到維護(hù)難度逐年遞增及通貨膨脹等因素,從系統(tǒng)建成投產(chǎn)后的第2年起,系統(tǒng)每年相對(duì)于上一年的維護(hù)費(fèi)用上漲率取1.1。
通過該CPV/T系統(tǒng)獲取的收益主要為熱、電輸出后的收益。在進(jìn)行收益計(jì)算時(shí),溫度為45℃的熱水價(jià)格按25元/t計(jì)算,系統(tǒng)建成投產(chǎn)第1年的光伏發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)根據(jù)《國家發(fā)展改革委關(guān)于完善光伏發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)機(jī)制有關(guān)問題的通知》(發(fā)改價(jià)格[2019]761號(hào))取0.55元/kWh??紤]到化石能源造成的環(huán)境污染和二氧化碳排放問題,可再生能源的需求逐年增大,從系統(tǒng)建成投產(chǎn)后的第2年起,每年相對(duì)于上一年的電價(jià)上漲率取1%;考慮到資金來源構(gòu)成、投資的機(jī)會(huì)成本、項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)及通貨膨脹率等因素,基準(zhǔn)折現(xiàn)率取西安市家庭年投資收益率,為10%[13]。
通過以上分析并結(jié)合表3中CPV/T系統(tǒng)全年熱、電性能輸出數(shù)據(jù),利用公式(4)可計(jì)算得出在西安地區(qū)采用不同跟蹤方式時(shí),CPV/T系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)投資回收期的相關(guān)數(shù)據(jù),具體如表5~表7所示。
表5 在西安地區(qū)采用雙軸跟蹤方式時(shí)CPV/T系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)投資回收期的相關(guān)數(shù)據(jù)Table 5 Relevant data about dynamic payback period of CPV/T system with dual-axis tracking method in Xi’an area
表6 在西安地區(qū)采用單軸南北向跟蹤方式時(shí)CPV/T系統(tǒng)動(dòng)態(tài)投資回收期的相關(guān)數(shù)據(jù)Table 6 Relevant data about dynamic payback period of CPV/T system with south-north single-axis tracking method in Xi’an area
表7 在西安地區(qū)采用單軸東西向跟蹤C(jī)PV/T系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)投資回收期的相關(guān)數(shù)據(jù)Table 7 Relevant data about dynamic payback period of CPV/T system with east-west single-axis tracking method in Xi’an area
從表5中的數(shù)據(jù)可以看出,第6年時(shí)系統(tǒng)的折現(xiàn)值為4829元,6年內(nèi)系統(tǒng)的累計(jì)折現(xiàn)值為1681元;結(jié)合公式(4)可知,動(dòng)態(tài)投資回收期應(yīng)為累計(jì)折現(xiàn)值剛好為0元時(shí)對(duì)應(yīng)的累計(jì)年數(shù),因此在西安地區(qū)采用雙軸跟蹤方式時(shí),CPV/T系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)投資回收期為6-1681/4829=5.65年。同理,根據(jù)表6和表7中的相關(guān)數(shù)據(jù),可計(jì)算出在西安地區(qū)采用單軸南北向跟蹤方式和單軸東西向跟蹤方式時(shí)CPV/T系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)投資回收期分別為6.09年和4.84年。
采用同樣的方法,可以計(jì)算得到在蘭州地區(qū)和拉薩地區(qū)采用不同跟蹤方式時(shí)CPV/T系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)投資回收期。3個(gè)地區(qū)采用不同跟蹤方式時(shí)CPV/T系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)投資回收期如表8所示。
表8 3個(gè)地區(qū)采用不同跟蹤方式時(shí)CPV/T系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)投資回收期Table 8 Dynamic payback period of CPV/T system with different tracking methods in three areas
從表8可以看出,3個(gè)地區(qū)中,對(duì)于任何一個(gè)地區(qū)而言,采用單軸東西向跟蹤方式的CPV/T系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)投資回收期都是最短的,經(jīng)濟(jì)性最佳;采用雙軸跟蹤方式的CPV/T系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)投資回收期稍長,經(jīng)濟(jì)性次之;采用單軸南北向跟蹤方式的CPV/T系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)投資回收期最長,經(jīng)濟(jì)性最差。
本文基于不同跟蹤方式下CPV/T系統(tǒng)的熱、電性能理論模型,在TRNSYS軟件中編寫仿真程序預(yù)測(cè)了在西安、蘭州和拉薩3個(gè)地區(qū)采用不同跟蹤方式時(shí)CPV/T系統(tǒng)的全年熱、電性能;同時(shí)采用動(dòng)態(tài)投資回收期對(duì)不同地區(qū)、不同跟蹤方式下CPV/T系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。得到如下結(jié)論:
1)以西安地區(qū)為例,采用雙軸跟蹤方式的CPV/T系統(tǒng)的全年熱、電效率最高,分別為40%和11.34%;采用單軸東西向跟蹤方式的CPV/T系統(tǒng)的全年熱、電效率次之,分別為35.67%和10.74%;采用單軸南北向跟蹤方式的CPV/T系統(tǒng)的全年熱、電效率最低,分別為32.19%和10.16%。
2)在西安、蘭州和拉薩這3個(gè)地區(qū),均為采用單軸東西向跟蹤方式的CPV/T系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性最佳,其動(dòng)態(tài)投資回收期分別為4.84、4.93和4.81年;采用雙軸跟蹤方式的CPV/T系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性次之,在上述3個(gè)地區(qū)的動(dòng)態(tài)投資回收期分別為5.65、5.69和5.48年;采用單軸南北向跟蹤方式的CPV/T系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性最差,在上述3個(gè)地區(qū)其動(dòng)態(tài)投資回收期分別為6.09、6.26和6.00年。