太阳能热水系统及光伏光热系统在上海地区年运行性能研究

姚博伟, 张 涛, 朱群志

(上海电力学院 能源与机械工程学院, 上海 200090)

太阳能热水系统及光伏光热系统在上海地区年运行性能研究

姚博伟, 张 涛, 朱群志

(上海电力学院 能源与机械工程学院, 上海 200090)

以上海市的年气象数据为计算依据,综合考虑了太阳辐照、水温、环境温度的影响,在忽略夜间损失的情况下,以天为单位,对太阳能热水系统及太阳能光伏光热系统连续加热模式下的年运行性能进行了分析计算,研究了两种系统在上海地区的应用潜力及节能特性.计算结果表明,太阳能热水系统具有较高的年平均综合效率,同时具有较短的静态回收周期;光伏光热系统一年中仅在7月、9月具有较高的综合效率.

太阳能; 热水系统; 光伏光热; 经济效益

随着我国经济建设的全面推进,城市化步伐不断加快,人们的日常生活对建筑的需求也日趋增多,新建建筑的不断增多也造成了建筑能耗的逐年增长,发展节能、低碳建筑已成为推动经济可持续发展的重要措施.太阳能作为一种新兴的可再生能源可以满足社会基本日常需求,太阳能和建筑的一体化的实现不仅可以提升建筑的美感,而且有效地减少能源浪费,降低环境污染,从而构建绿色低碳城市.

目前,建筑节能中太阳能热水系统技术相对成熟,并且具备相应的技术规格和标准,我国太阳能热水器产量已经约占世界总产量的80%,全年生产量和总保有量都排名世界第一[1-2],常见的太阳能热水系统的热效率为40%左右.太阳能光伏/光热建筑一体化(Photovoltaic/thermal Integrated Building,BIPV/T)也是近年来的研究热点,将光伏光热(Photovoltaic/thermal,PV/T)模块应用到建筑中,在发电的同时为用户供给热量,可以大幅度减少建筑能耗.何伟等人[3]对BIPV/T的制冷和供热模式下的运行性能进行模拟计算,发现BIPV/T冷却通风模式可以有效地降低墙体得热,减少20%的空调负荷,制热模式的整体性能效率能够达到70.3%.季杰等人[4]设计了一种新型全铝扁盒式PV/T热水系统,其在合肥户外测试发现当单位有效吸热面积产热水量大于80 kg/m3时该系统的综合性能效率可达70%.李光明等人[5]将铝合金背板光伏组件和不锈钢扁盒式集热板相结合组成PV/T系统,其在昆明地区测试的综合效率可达70.72%.以上研究结果表明,PV/T系统具有较高的太阳能综合利用效率,但以上结论的得出一般是基于系统短时间或是太阳辐照较好的条件,而对系统在某地区实际的年运行性能研究较少.本文以上海市年气象为依据,在不考虑夜间损失的情况下,对比分析太阳能热水系统和光伏光热系统的年运行性能.

1 倾斜表面太阳辐射的计算

为了获取更高的集热/发电效率,太阳能集热器或是PV/T集热器都会采用倾斜安装,研究太阳能集热器的效率需要计算到达实际安装角度的倾斜面上的总辐射量.根据上海典型的气象参数,需要将水平面上的太阳总辐射(当地气象)转换为倾斜面上的总辐射,计算公式[6]如下:

(1)

(2)

太阳赤纬(单位为弧度)δ计算公式如下:

(3)

式中:HT——倾斜面上太阳总辐射的日总量;Hc——水平面上太阳总辐射日总量;Hcd——水平面上散射辐射日总量;ρ——地物表面反射率,取0.2;Rb——倾斜面上和水平面上直接辐射的日总量之比;

φ——地理纬度;

β——斜面倾角;

n——一年中某天的序号,取1时为1月1日;

ωs——水平面上日出日没时角,弧度;

ω′s——倾斜面上日出日没时角,弧度.

当集热器面朝正南且倾角β与当地纬度相同时,式(2)可简化为:

(4)

其中:

(5)

(6)

图1为Rb的月平均值.从图1可以看出,Rb月平均值呈现先减小后增大的趋势.从式(4)来看,Rb的大小与δ,ω′s以及ωs的值有关.而ω′s和ωs的值又由φ和δ决定,上海的纬度φ不变,δ随着天数的变化而变化.

当0°<δ<23°24′时,ω′s=π/2,ωs随着δ的增大而增大,在春分至夏至期间,δ逐渐增大,式(4)分母越大,所以Rb逐渐减小;在夏至到秋分期间,δ逐渐减小,所以Rb逐渐增大.当-23°24′<δ<0°时,ω′s=cos-1(-tanφtanδ)=ωs,式(4)可变为:

(7)

图2为水平面及倾斜面各月份太阳总辐射值,从图2中可以看出,水平面上每月太阳总辐射和倾斜面上月太阳总辐射都呈现先增大后减小的趋势.在冬季及冬春交替时节,即1～3月份,倾斜面上的太阳总辐射大于水平面上的太阳总辐射.在春季过渡到夏季时节,即4～8月份,倾斜面上的太阳总辐射小于水平面上的太阳总辐射.在秋季及秋冬交替时节,即9～12月份,倾斜面上的太阳总辐射又大于水平面上的太阳总辐射.经计算水平面上年总太阳辐射为4 578.6 MJ/m2,倾斜面上年总太阳辐射为4 776.7 MJ/m2.

图1 Rb月平均值

图2 水平面及倾斜面每月太阳总辐射值

2 年太阳能制热量及发电量计算

以上海市三口之家为计算、设计依据,设计中对于人均生活热水量,取折中值为每人50 L[7],家用热水最低温度取50 ℃[8],不考虑系统夜间热损.其计算流程如图3所示.当日水温低于50 ℃时,将其作为第二天的初始水温,直至水温满足使用要求.即本文通过分别计算太阳能热水系统和光伏光热系统水温满足使用要求时对应的得热量作为比较依据,当某月的水温都未达到使用要求时,以当月月初、月末时的温差计算其得热量.

图3 计算流程

2.1 太阳能热水系统年制热量计算

对于太阳能热水系统,配备150 L的水箱,集热器选择2 m2的常规平板集热器,即水量m=150 kg(比热C=4 200 J/kg·℃),集热器面积S=2 m2.太阳能热水系统的热效率受太阳辐照强度、环温、风速等环境因素,以及水温等系统内部因素的影响,对其真实热效率的计算一般采用HUANG B J等人提出的方法[9],本文所用集热器热效率η[10]及初始水温的计算[11]如下:

(8)

(9)

式中:η——集热器当日实际的热效率;Ti——第i日的供水温度即补水温度;Tj——每一循环开始的当日早上8时的环境温度;

Ta——第a日的环境温度(取自24 h的干球温度的平均值);

HT——当日的倾斜表面总太阳辐射.

当天的水温升:

(10)

当日终温:

(11)

某月达到用户需求温度的第一天系统产热量:

(12)

该月总的产热量:

(13)

式中:n——该月水温超过50 ℃的次数.

2.2 PV/T系统年制热量及发电量计算

对于PV/T系统,同样配备150 L的水箱,选择2 m2的PV/T集热器,其电池为单晶硅,额定发电效率为14.5%,结构示意图如图4所示.系统的光伏覆盖率为60%,即电池面积为1.2 m2,其集热效率为:

(14)

当天的真实电效率[12]为:

(15)

式中:T——当天的平均水温.

发电量[13]为:

(16)

式中:A——PV/T集热器的面积;G——PV/T集热板上的太阳辐射量.

光电光热综合效率[14]为:

(17)

式中:ηpower——常规火电厂的发电效率,一般取值0.38;

ε——光伏覆盖率,即电池面积与总集热面积的比值.

各月份制热量计算与太阳能热水系统相同.

图4 PV/T集热器结构示意

2.3 计算结果对比

图5为太阳能热水系统和PV/T系统每月水温超过50 ℃的次数,从图5中可以看出,5月至10月期间,太阳能热水系统和PV/T系统每月水温超过50 ℃的次数相对较多,7月达到最多,前者为20 d,后者16 d.太阳能热水系统一年中可满足用户需求的天数为162 d,PV/T系统一年中可供用户使用的天数为97 d,较前者少了65 d,这是由于一部分太阳辐射转化为了电能.两个系统的热效率都受供水温度、环境温度和太阳辐照强度的影响,供水温度小于环境温度且温差越小的时候,随着辐照强度的增大,当天获得的水温也会越高.系统在7月份运行的时候符合该条件,所以可满足用户需求的天数较多.在冬季环境温度低的时候,经几次循环后供水温度大于环境温度,热效率会出现负值,水温在接近50 ℃的时候又会开始降低,特别是PV/T系统出现热效率为负值的天数更多,造成循环天数的增加,致使用户使用的次数减少,甚至在1月份和12月份没有1天达到用户需求.

图5 每月水温超过50 ℃的次数

图6为太阳能热水系统和PV/T系统各月份的制热量.从图6可以看出,两种系统每月总热产量在5月至10月期间相对较高,系统在7月份运行时满足用户使用的天数最多,而在9月份热产量达到最高值,太阳能热水系统为489.41 MJ,PV/T系统为338.90 MJ.由于9月份倾斜面上太阳总辐射量最大,达到478.02 MJ/m2,循环结束后的水温较其他月份高,满足用户需求的天数也相对较多,所以两种系统的制热效率在9月份最高.太阳能热水系统年总产热量为4 100.16 MJ,热效率为42.9%,PV/T系统年总产热量为2 211.77 MJ,热效率为23.1%.

图6 各月份制热量

图7为PV/T系统各月份发电量和发电效率.从图7可以看出,PV/T系统的发电量在9月份最高,可以达到16.51 kWh,1月份为最低为10.20 kWh.PV/T系统的发电量由入射辐射量和电效率决定,而月发电效率在9.3%和10.9%之间,一年之中变化不大,所以影响PV/T系统发电量的主要因素为入射辐射量,一年之中9月份倾斜面上的太阳总辐射量最大,1月份最少,所以9月份发电量最大,1月份最小,年总发电量为164.66 kWh,发电效率为10.3%,光电光热综合效率为39.5%.

图7 PV/T系统各月份发电量和发电效率

图8为太阳能热水系统与PV/T系统各月份的综合效率.

图8 各月份综合效率

从图8可以看出,太阳能热水系统和PV/T系统7月份的综合效率为全年最高,分别为53.9%,54.2%.但从一年的运行来看,大多数月份内的运行效率相同,在7月份和9月份PV/T系统的综合效率要略微高于太阳能热水系统;而在其他月份,太阳能热水系统的效率明显高于PV/T系统.由于1月份和12月份PV/T系统的制热能力较差,所以综合效率为全年最低,同样太阳能热水系统制热效率全年最低月份也出现在1月份.

3 经济性分析

本文研究太阳能热水系统及PV/T系统的经济收益主要是将两种系统每年各自供给用户使用的热量,折算成提供相同热量时常规加热系统的能源消耗量,再根据能源利用效率和当地能源价格计算出使用常规加热系统的年支出费用,作为使用太阳能热水系统和PV/T系统的年可节省费用,由于PV/T系统的收益由两部分组成,其年节省费用还需加上年发电节省的耗电费用.根据静态经济评价指标对电加热系统和燃气加热系统进行经济性分析.电加热系统和燃气加热系统的能源价格、热值和效率分别为:0.617元/kWh,3.6 MJ/kWh,85%;3.0元/m3,38.0 MJ/m3,88%.

表1和表2为太阳能热水系统和PV/T系统相对于电加热系统和燃气加热系统的静态回收期.

表1 相对于电加热系统的静态投资回收期

表2 相对于燃气加热系统的静态投资回收期

太阳能系统的使用年限一般为20 a,甚至更久,所以投资回收期在20 a左右的系统在经济上都是能够接受的,太阳能热水系统和PV/T系统相对于电加热系统和燃气加热系统的静态回收期都在20 a内,在实际应用上完全可行.由于PV/T系统的成本大大高于太阳能热水系统,且常规燃料的价格对PV/T系统的经济性影响较大,所以太阳能热水系统相对于PV/T系统能够更快回收成本,在整个使用年限内能够实现较大的盈利.

4 结 论

(1) 太阳能热水系统一年中可满足用户需求的天数为162 d,年总制热量为4 100.16 MJ,PV/T系统一年中可满足用户需求天数为97 d,年总制热量为2 177.50 MJ,年总发电量为164.66 kWh.

(2) 太阳能热水系统的年制热效率为42.9%,PV/T系统的年综合效率为39.5%,较太阳能热水系统低了3.4%.从各月份运行效率来看,PV/T系统仅在7月和9月略微优于太阳能热水系统,而太阳能热水系统在其他月份显著优于PV/T系统.

(3) PV/T系统的投资回收期受建造成本和燃料价格的影响较大,目前传统的太阳能热水系统在经济上优势明显.相对电加热及燃气加热热水器,太阳能热水系统的静态回收周期分别为4.2 a,9.5 a;而PV/T系统则均大于10 a.

[1] 向平.太阳能热水系统在住宅中的应用[J].建筑节能,2014(4):26-29.

[2] 何小军.太阳能热水系统在高层建筑中的推广应用研究[J].建筑知识,2016(7):155-183.

[3] 何伟,季杰.光伏光热建筑一体化对建筑节能影响的理论研究[J].暖通空调,2003,33(6):8-11.

[4] 季杰,陆剑平,何伟,等.一种新型全铝扁盒式PV/T热水系统[J].太阳能学报,2006(8):765-773.

[5] 李光明,刘祖明,李景天,等.新型PV/T太阳能利用复合系统的实验研究[J].中国电机工程学报,2013,33(17):83-89.

[6] 邱国全,夏艳君,杨鸿毅.晴天太阳辐射模型的优化计算[J].太阳能学报,2001,22(4):456-460.

[7] 王玲,王兆国.上海地区太阳能热水系统集热器总面积计算参数探讨[J].给水排水,2008,34(12):124-126.

[8] 全国能源基础与管理标准化技术委员会新能源和可再生能源分技术委员会.GB/T 19141—2003 家用太阳热水系统技术条件[S].北京:中国标准出版社,2011.

[9] HUANG B J,DU S C.A Performance test method of solar thermosyphon systems[J].Journal of Solar Energy Engineering,1991,113(3):172-179.

[10] CHANG J M,LEU J S,SHEN M C,etal.A proposed modified efficiency for thermosyphon solar heating systems[J].Solar Energy,2004,76(6):693-701.

[11] 孙大明,田慧峰,张欢,等.长江上游水温监测及水温和气温关系研究[J].建筑节能,2010,38(12):74-77.

[12] FU H D,PEI G,ZHANG T,etal.Experimental study on a heat-pipe photovoltaic/thermal system[J].Iet Renewable Power Generation,2012,6(3):129-136.

[13] 王宝群,姚强,宋蔷,等.光伏/光热(PVT)系统概况与评价[J].太阳能学报,2009,30(2):193-200.

[14] HUANG B J,LIN T H,HUNG W C,etal.Performance evaluation of solar photovoltaic/thermal systems[J].Solar Energy,2001,70(5):443-448.

(编辑 桂金星)

Study on the Performance of Solar Water Heating System and Solar Photovoltaic/Thermal System in Shanghai

YAO Bowei, ZHANG Tao, ZHU Qunzhi

(SchoolofEnergyandMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

Based on the yearly meteorological data of Shanghai,analysis and calculation of annual operation performance of solar water heating system and photovoltaic/thermal system is carried out in the case of ignoring the night loss,taking into account the effects of solar radiation,water temperature and ambient temperature.It is aimed at researching the application potential and energy saving characteristics of the two systems in Shanghai.The results show that solar water heating system has a high mean annual comprehensive efficiency,and has a shorter static payback period.Photovoltaic/thermal system has a higher comprehensive efficiency only in July and September.

solar energy; water heating system; photovoltaic/thermal system; economic benefits

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.02.001

2016-10-18

张涛(1986-),男,博士,山东临沂人.主要研究方向为太阳能光电光热综合利用,热泵节能,传热传质等.E-mail:zhtyn86@163.com.

上海高校青年教师培养资助计划(ZZsdl15076).

TU822.1;TM615.1

A

1006-4729(2017)02-0107-06