基于光伏熱水模塊的天然氣加熱系統(tǒng)耦合分析

冉 豪，付金龍

（杭州華電半山發(fā)電有限公司，浙江杭州 310015）

0 引言

以燃機(jī)電廠為例，機(jī)組啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，天然氣溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于正常運(yùn)行所需溫度，需利用天然氣加熱器升溫，在消耗大量電能和高品位介質(zhì)的同時(shí)，增大了中壓省煤器熱水流量，降低了機(jī)組熱效率。針對這一問題，通過將天然氣加熱系統(tǒng)和光伏熱水模塊相結(jié)合，得到利用可再生能源的光—電—水加熱系統(tǒng)[1]。利用太陽能，通過光熱模塊產(chǎn)生熱水和電能對天然氣進(jìn)行加熱，經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效。

1 光—電—水加熱系統(tǒng)簡介

1.1 系統(tǒng)設(shè)備

光—電—水加熱系統(tǒng)主要由天然氣管道換熱設(shè)備和光伏熱水模塊組成。光伏熱水模塊通過管道和閥門與水箱連接，通過電導(dǎo)線和開關(guān)調(diào)節(jié)閥與蓄電池、控制器等形成閉合回路，管道換熱設(shè)備通過管道和閥門與水箱、水泵連接（圖1）。

圖1 天然氣進(jìn)氣加熱系統(tǒng)

1.1 天然氣管道換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)

天然氣管道換熱設(shè)備是與天然氣管道直接接觸的部件，內(nèi)部循環(huán)介質(zhì)通過強(qiáng)制對流換熱，為低溫天然氣升溫提供熱量，使其溫度升高，避免冬季天然氣管道發(fā)生凍脹現(xiàn)象。天然氣管道換熱設(shè)備采用套管式換熱結(jié)構(gòu)，天然氣和熱水采用逆流布置。其中，天然氣在內(nèi)管流動(dòng)，熱水在套管間的環(huán)形空間流動(dòng)。天然氣管道材料采用X70鋼，外徑為600 mm，套管內(nèi)徑為800 mm，套管外部有保溫材料。

1.1.2 光伏熱水模塊的結(jié)構(gòu)

光伏熱水模塊它能持續(xù)產(chǎn)生熱水和電能，為管道換熱設(shè)備提供熱源和電能。常見的平板式結(jié)構(gòu)即為本次光伏熱水模塊的結(jié)構(gòu)類型，模塊組件由內(nèi)向外依次設(shè)置保溫層、鋁板層、光伏電池和玻璃層。光伏電池在透明材料之間，整體布置在鋁合金板上，蛇形盤管布置在光伏電池間隙之間和光伏電池板下面，鋁合金板板面鋪設(shè)絕熱材料，在光伏電池板上方鋪設(shè)有透射率高的覆蓋玻璃層（圖2）。

圖2 光伏熱水模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.1.3 工作原理

水箱中的水首先進(jìn)入光伏熱水模塊的蛇形管中，在循環(huán)水泵的作用下可以通過強(qiáng)制對流方式間接吸收太陽能，成為高溫?zé)崴▓D3）。高溫?zé)崴?jīng)水箱、循環(huán)泵進(jìn)入天然氣管道換熱設(shè)備中，與低溫天然氣管道進(jìn)行強(qiáng)制對流換熱，加熱天然氣；熱水換熱后將會(huì)帶走天然氣中冷能溫度降低，經(jīng)水箱再次進(jìn)入光伏熱水模塊吸收熱量，實(shí)現(xiàn)了冷水的制熱循環(huán)。同時(shí)，光伏熱水模塊中的光伏電池吸收太陽能產(chǎn)生電能，并儲(chǔ)存在設(shè)置的蓄電裝置中，通過光伏控制設(shè)備，在夜晚或光照不足時(shí)，存儲(chǔ)的電能為水箱中的電加熱器提供能量從而加熱冷水，從而可以保證了天然氣進(jìn)氣加熱能夠得到穩(wěn)定持續(xù)的熱補(bǔ)償。

圖3 蛇形水管布置

1.2 系統(tǒng)模型

光—電—水加熱系統(tǒng)模型主要包括總輻射強(qiáng)度模型、光伏熱水模塊的光電模型、光熱模型、熱損失模型、天然氣管道換熱模型。這些系統(tǒng)模型通過能量轉(zhuǎn)移和能量守恒的關(guān)系建立起聯(lián)系，可以模擬在光照條件下、不同時(shí)刻太陽總輻射強(qiáng)度變化時(shí)，系統(tǒng)性能參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化。

1.2.1 總輻射強(qiáng)度模型

圖4為系統(tǒng)的太陽輻射能流圖。太陽輻射經(jīng)過部分損失后通過光伏熱水模塊被充分吸收，利用光熱原理將其轉(zhuǎn)化為熱能，除了小部分熱損失外其余通過蛇形管中的循環(huán)工質(zhì)水吸熱將其帶走用于天然氣加熱，或是生活熱水；利用光電原理將太陽能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存起來，可用于補(bǔ)充電加熱或者廠用電。

圖4 太陽輻射能流圖

太陽能輻射是系統(tǒng)的能量的來源，建立總輻射模型，計(jì)算出光伏熱水模塊可利用的輻射能是系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算的關(guān)鍵一步。太陽的總輻照強(qiáng)度計(jì)算見式（1）。

式中I——太陽的總輻照強(qiáng)度，W/m2

Isc——太陽輻照在水平面上的散射分量，W/m2

Idc——太陽輻照在水平面上的直射分量，W/m2

Xdc——直射分量的修正系數(shù)

1.2.2 光電模型

太陽能光伏電池受到太陽輻射能后開始發(fā)生光電效應(yīng)產(chǎn)生電能，單位面積光伏電池上凈吸收的太陽能產(chǎn)生的電能為qp，其產(chǎn)出電能 qe的計(jì)算方法見式（2）～（4）[2-3]。

式中 ηe——光伏電池轉(zhuǎn)化效率，%

γc——覆蓋層的反射率，%

τc——玻璃蓋板的透射率，%

αe——光伏電池的吸收率，%

ηrc——光伏電池在基準(zhǔn)條件下的光電轉(zhuǎn)換效率，%

βp——光伏電池在基準(zhǔn)條件下的溫度系數(shù)，1/℃

trc——環(huán)境溫度，℃

tp——光伏電池溫度，℃

1.2.3 光熱模型

系統(tǒng)采用較常見的平板式結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)整體有較高的熱效率和光伏轉(zhuǎn)化效率。通過模塊中蛇形管的循環(huán)介質(zhì)的進(jìn)、出口溫度可以求取蛇形管循環(huán)工質(zhì)帶走的總熱量，通過能量平衡方程可知，蛇形管工質(zhì)所帶走的熱量即為光伏熱水模塊所吸收的熱量，從而建立起光伏熱水模塊的光熱模型[3]。

蛇形管循環(huán)工質(zhì)獲得的總熱量qL見式（5）。

式中cL——工質(zhì)的比熱容，J/(kg·K)

mL——工質(zhì)的質(zhì)量，kg

——蛇形管中工質(zhì)出口溫度，℃

——蛇形管中工質(zhì)進(jìn)口溫度，℃

由于換熱管道的長度相對天然氣管道總長較短，且管道保溫層較厚，所以忽略管道的散熱損失，認(rèn)為光伏熱水模塊的進(jìn)口水溫即為管道換熱設(shè)備的出口水溫度，即。光伏熱水模塊獲得的總熱量qr見式（6）。

式中——分別為循環(huán)介質(zhì)水流過管道換熱設(shè)備的進(jìn)出溫，℃

qs——光伏熱水模塊的熱損失量，J/m2

Ac——光伏熱水模塊的有效面積，m2

循環(huán)水在光伏熱水模塊中滿足能量平衡，即qr=qL。則光伏熱水模塊光熱效率

1.2.4 光伏熱水模塊的熱損失模型

在光伏熱水模塊將太陽輻射轉(zhuǎn)化為熱能后，依然存在著較大的熱損失。熱能損失的方式一般有3種，包括發(fā)生在覆蓋材料的兩側(cè)的對流換熱損失、光伏電池層到覆蓋層和覆蓋層到外部空氣環(huán)境的輻射散熱損失。通過建立熱損失模型可以準(zhǔn)確地計(jì)算出熱損失量。

光伏熱水模塊的熱損失qs=Uz（tp-ta）[4]。其中，Uz為熱損失系數(shù)，由對流損失因子Ufront和Uback組成。相關(guān)計(jì)算見式（7）～（12）。

式中tair——環(huán)境溫度，K；

N——璃板層數(shù)

σ——斯蒂芬·玻爾茲曼常數(shù)，σ=5.67×10-8

θ——光伏熱水模塊的傾角，°

εp——光伏電池板發(fā)射率，%

εc——玻璃板發(fā)射率，%

hW——空氣對流換熱系數(shù)，W/（m2·K）

vW——風(fēng)速，m/s

Dback——保溫材料厚度，m

Kback——保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m2·K）

所以，系統(tǒng)綜合效率

1.2.5 天然氣管道換熱設(shè)備的換熱器模型

天然氣側(cè)的加熱模型，單位質(zhì)量流量的天然氣回溫吸熱量為q2；循環(huán)水側(cè)的數(shù)學(xué)模型，單位質(zhì)量流量的介質(zhì)水與天然氣發(fā)生熱交換時(shí)放熱量為q1；由管道換熱設(shè)備所組成的換熱器模型中換熱量為 q3。計(jì)算公式見式（13）～（15）。

式中c1，c2——分別為水和天然氣的比熱容，J（/kg·K）

m1，m2——分別為水和天然氣的質(zhì)量流量，kg/s

——分別為循環(huán)介質(zhì)水流過管道換熱設(shè)備的進(jìn)出溫，℃；

——分別為循環(huán)天然氣流過管道換熱設(shè)備的進(jìn)出溫，℃；

l——管道換熱設(shè)備的換熱長度，m

λ——天然氣管道設(shè)備X70鋼導(dǎo)熱系數(shù)

由能量守恒定律，q1=q2=q3。

1.3 典型天然氣電廠加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)耦合計(jì)算

以當(dāng)?shù)亟?年的6～8月份的氣象參數(shù)為基礎(chǔ)，取全天太陽輻射強(qiáng)度取值為700 W/m2。根據(jù)當(dāng)?shù)氐墓庹諚l件并假設(shè)進(jìn)氣加熱20℃，進(jìn)行系統(tǒng)尺寸設(shè)計(jì)。選用參數(shù)如下。

天然氣管道外徑為600 mm內(nèi)徑587 mm，ηrc=16%，αe=0.9。

蛇形銅管導(dǎo)熱系數(shù)為401 W/（m·K），βp=0.004，trc=25℃。

導(dǎo)熱鋁板導(dǎo)熱系數(shù)為237 W/（m·K），τc=0.81，εp=0.95。

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

天然氣比熱c1=2.07kJ/(kg·k），D=8 mm，Kback=0.058 W/（m·K）。

進(jìn)水初溫度tin=19℃，εc=0.88。

經(jīng)過計(jì)算可知，為使體積流量為20 000 m3/h的天然氣升溫20℃，忽略管道熱損失，天然氣管道換熱設(shè)備須要鋪設(shè)23.21 m，循環(huán)水流量為2.224 m3/h，光伏熱水模塊的有效吸熱面積為78.76 m2。

2 加熱系統(tǒng)效率及影響因素分析

通過編輯MATLAB程序，進(jìn)一步模擬研究太陽輻射強(qiáng)度變化對本系統(tǒng)效率的影響及其相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律，并探究變化原因。

2.1 MATLAB程序模擬過程

為了建立光伏電池表面溫度、蛇形水管出口水溫、光伏熱水模塊的光熱、光電效率參數(shù)隨時(shí)間變化，更加客觀有效地研究和模擬測試本系統(tǒng)對天然氣進(jìn)氣加熱的實(shí)際效果，采用迭代法編制MATLAB程序，進(jìn)行性能參數(shù)求解及性能曲線繪制。程序流程見圖5。

以2017年4月5日的氣象參數(shù)為模擬氣象數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，環(huán)境平均風(fēng)速為4.0 m/s，平均溫度14.7℃。通過medpha軟件可以生成當(dāng)?shù)?4 月 18 日 8：00～16：00 的氣象數(shù)據(jù)（圖 6、表 1）。

圖5 MATLAB程序流程

圖6 太陽總輻射強(qiáng)度隨時(shí)間變化

表1 當(dāng)?shù)靥柨傒椛鋸?qiáng)度逐時(shí)數(shù)據(jù)

2.2 光伏熱水模塊用于進(jìn)氣加熱

對本系統(tǒng)用于進(jìn)氣加熱時(shí)的光電光熱效率進(jìn)行模擬分析，得到數(shù)據(jù)和圖像如表2和圖7～圖9所示。

在太陽能光伏熱水模塊用于進(jìn)氣加熱時(shí)，光伏電池表面溫度為（18.0～48.2）℃，而蛇形水管出口水溫為（32.3～45.1）℃，在正午12：00時(shí)達(dá)到最大值；光伏電池表面溫度的變化趨勢與太陽總輻射強(qiáng)度和環(huán)境溫度風(fēng)速等有關(guān)，太陽總輻射強(qiáng)度越大，環(huán)境溫度越高，電池表面溫度和蛇形水管出口水溫也越高；光伏熱水模塊的光熱效率為40.3%～44.8%，光電效率為 14.5%～16.4%；平均光電/光熱綜合效率為 58.6% 。

光伏電池表面溫度的變化趨勢與太陽總輻射強(qiáng)度和環(huán)境溫度有關(guān)，太陽總輻射強(qiáng)度越大，環(huán)境溫度越高，電池表面溫度和蛇形水管出口水溫也越高。光電效率圖與光伏熱水模塊的溫度圖是相反方向，主要是因?yàn)楣怆娹D(zhuǎn)換效率與電池自身溫度的變化成反比，光伏溫度升高、效率降低，12：00后蛇形管出口水溫更高，降低光伏電池表面溫度，提高光電效率。

表2 光伏熱水模塊用于進(jìn)氣加熱逐時(shí)數(shù)據(jù)

圖7 光伏熱水模塊用于進(jìn)氣加熱時(shí)的光熱效率

圖8 光伏熱水模塊用于進(jìn)氣加熱時(shí)的光電效率

圖9 光伏電池表面溫度和蛇形水管出口水溫隨時(shí)間的變化

3 光伏熱水模塊進(jìn)氣加熱和傳統(tǒng)的電加熱法的節(jié)能比較

為了模擬分析本系統(tǒng)的性能指標(biāo)和節(jié)能數(shù)據(jù)，計(jì)算對比和分析傳統(tǒng)電加熱和本系統(tǒng)的耗電功率，每天光照時(shí)間按8 h計(jì)算，進(jìn)氣溫度升高20℃，全年取冬季溫度最低的3個(gè)月90 d進(jìn)行計(jì)算得到表3天然氣防凍脹回溫處理采用電加熱器和光伏熱水模塊的兩者耗電量數(shù)據(jù)表。

表3 天然氣進(jìn)氣加熱采用電加熱器和光伏熱水模塊兩者耗電量數(shù)據(jù)表

從表中可以看出，在09：00～16：00之間光伏熱水模塊產(chǎn)生的熱能和電能滿足進(jìn)氣加熱需求，另有很大余量可以減少性能加熱器熱水流量。光伏熱水模塊共產(chǎn)生電能22.187 kW·h，通過本系統(tǒng)連接的電路可將電能儲(chǔ)存在蓄電池中，在沒有光照時(shí)通過供給電加熱器的運(yùn)行持續(xù)給天然氣進(jìn)氣加熱，或者用于補(bǔ)充白天光照不足進(jìn)氣加熱所需的額外能量。由數(shù)據(jù)推算出，本系統(tǒng)在白天有光照的8 h內(nèi)，不消耗電能即可實(shí)現(xiàn)對天然氣進(jìn)氣加熱20℃，節(jié)省能源157.273 kW·h。

傳統(tǒng)的電加熱法消耗一次能源為代價(jià)進(jìn)行進(jìn)氣加熱，同時(shí)由于在加熱過程中最小能耗不確定的不確定性，采用固定式加熱方式會(huì)造成高品位的電能的較大浪費(fèi)。本文中基于太陽能光伏熱水模塊對光—電—水加熱系統(tǒng)，能有效降低高品位電能的投入，節(jié)能環(huán)保。

4 總結(jié)

通過對結(jié)合光伏熱水模塊的光—電—水天然氣加熱系統(tǒng)的模型計(jì)算和分析，認(rèn)為系統(tǒng)穩(wěn)定性好，能有效提高太陽能光電光熱轉(zhuǎn)化效率，部分替代傳統(tǒng)電加熱，降低了高品位電能的消耗，同時(shí)在一定程度上減少中壓省煤器熱水流量，提高機(jī)組熱效率。冬季可有效避免天然氣管道凍脹的發(fā)生，夏季產(chǎn)生的熱水可用于生活熱水，提高了系統(tǒng)的利用率。光—電—水加熱系統(tǒng)是太陽能利用技術(shù)的工程應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，是節(jié)能技術(shù)的集成創(chuàng)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]梁曉雨，李琦芬，候宗欽，等.基于太陽能利用的天然氣地埋管防凍脹系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能分析[J].可再生能源，2016，34（3）：339-346.

[3]繆焯綿.烴類氣體和液體的管道設(shè)計(jì)[M].北京：石油工業(yè)出版社，1980.

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