光伏/光熱與光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能及節(jié)能對(duì)比分析

馮仕霖, 蔡靖雍, 張 濤

(上海電力大學(xué) 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

光伏發(fā)電 (Photovoltaic,PV) 是最可靠的發(fā)電技術(shù)之一,已被廣大學(xué)者研究證實(shí)光伏電池在壽命周期內(nèi)所生產(chǎn)的電能可及時(shí)補(bǔ)償制造過程中所消耗的能量,是值得大力推廣的清潔綠色能源技術(shù)[1]。但光伏組件的光電效率通常只有15%～18%,其余大部分太陽(yáng)輻照轉(zhuǎn)化為熱能導(dǎo)致電池溫度升高,從而降低了光電效率[2]。

KEN JR E C和RUSSELL M C提出了光伏發(fā)電與廢熱回收為一體的新型集熱器概念,稱為光伏/光熱(Photovoltaic/Thermal,PV/T)技術(shù)[3]。為驗(yàn)證PV/T系統(tǒng)的應(yīng)用潛力和節(jié)能性,不少學(xué)者將該系統(tǒng)與已商業(yè)化的PV系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比。FU H D等人[4]比較了PV系統(tǒng)、太陽(yáng)能熱水器和PV/T系統(tǒng)在香港、拉薩、北京和上海4個(gè)城市不同氣象條件下的運(yùn)行情況,研究表明:在有限的房屋面積內(nèi),采用PV/T系統(tǒng)獲得的光電光熱收益比采用PV系統(tǒng)和太陽(yáng)能熱水器組合的總收益多。PANG W等人[5]對(duì)比了不同結(jié)構(gòu)的PV和PV/T模塊,研究得出PV/T系統(tǒng)的成本低于傳統(tǒng)的PV系統(tǒng),并可在3年內(nèi)回收成本。姚博偉等人[6]以上海市的年氣象數(shù)據(jù)為計(jì)算依據(jù),對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)及PV/T系統(tǒng)的年運(yùn)行性能進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)具有較高的年平均綜合效率,同時(shí)具有較短的靜態(tài)回收周期,而PV/T系統(tǒng)一年中僅在7月和9月具有較高的綜合效率。

以上研究表明PV/T系統(tǒng)具有較好的光電光熱綜合收益,但均未考慮PV/T系統(tǒng)生產(chǎn)能耗遠(yuǎn)高于PV系統(tǒng)這一環(huán)境性因素,而且對(duì)PV/T系統(tǒng)與PV系統(tǒng)在能量?jī)斶€時(shí)間和二氧化碳減排量?jī)蓚€(gè)方面的對(duì)比研究較少。本文以北京、上海、廣州、昆明和哈爾濱5個(gè)城市的氣象數(shù)據(jù)為依據(jù),對(duì)比分析了PV/T系統(tǒng)和PV系統(tǒng)的年收益,并從能量?jī)斶€時(shí)間和生命周期內(nèi)減少的碳排放量?jī)蓚€(gè)方面,分析得出兩套系統(tǒng)在不同氣象條件下的節(jié)能特性。

1 模型建立

1.1 傾斜表面太陽(yáng)輻照的計(jì)算

PV組件和PV/T集熱器通常采取傾斜放置,需要將所在地區(qū)水平面上的直射輻照、散射輻照和地面反射轉(zhuǎn)換為傾斜面上的總輻照,計(jì)算公式為[7]

(1)

式中:GT——傾斜面上的太陽(yáng)總輻照量,W/m2;

G——水平面上的太陽(yáng)總輻照量,W/m2;

Gd——水平面上太陽(yáng)散射輻照量,W/m2;

Rb——傾斜面與水平面上太陽(yáng)直射輻照量的比值;

β——傾斜面與水平面之間的夾角,(°);

σ——地面反射率,取σ=0.2。

Rb=

(2)

φ——當(dāng)?shù)鼐暥?(°);

δ——太陽(yáng)赤緯角,(°);

ωs——水平面太陽(yáng)日出日落的時(shí)角,(°)。

1.2 PV系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

本文借鑒文獻(xiàn)[4]中PV系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,主要由玻璃封裝層和光伏電池層的熱平衡方程組成。方程分別為

(3)

(4)

式中:d,ρ,c——材料厚度、密度和比熱容,單位分別為m,kg/m3,J/kg·K;

下標(biāo)g,pv,b——光伏電池封裝玻璃、光伏電池和基板;

T——溫度,K;

h,R——不同介質(zhì)間的換熱系數(shù)和熱阻,單位分別為W/(m2·K),K·m2/W;

下標(biāo)e，a——等效環(huán)境和周圍環(huán)境;

αg——光伏電池封裝玻璃對(duì)太陽(yáng)輻照的有效吸收率;

γ——光伏電池的覆蓋率;

Qpv——光伏電池對(duì)太陽(yáng)輻照的吸收量W/m2;

Ppv——光伏組件的實(shí)時(shí)發(fā)電功率,W/m2。

其中:光伏電池對(duì)太陽(yáng)輻照的吸收量公式為

(5)

式中:ξg——玻璃蓋板反射率;

τg——玻璃蓋板透光率;

αpv——光伏電池對(duì)太陽(yáng)輻照的有效吸收率。

本文借助五參數(shù)法建立了光伏組件及PV/T集熱器的光電輸出模型,具體如下:

Ppv=U·I

(6)

(7)

式中:U,I——電壓和電流;

Iph——光生電流;

Io——反向飽和電流;

Rs,Rsh——串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻;

α——理想因子修正系數(shù)。

式(7)中的各變量均隨光伏電池溫度的變化而變化。另外,可根據(jù)牛頓法求得標(biāo)準(zhǔn)工況下的其他參數(shù),方程如下:

Isc,ref=Iph,ref-

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式中:下標(biāo)ref——標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的參數(shù);

Isc——短路電流;

αref——標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的理想因子修正系數(shù);

Uoc——開路電壓;

Im,Um——最大功率點(diǎn)電流和電壓;

Vsi——硅材料能隙值,J;

k——波爾茲曼常數(shù)。

1.3 PV/T系統(tǒng)模型

典型水冷型PV/T集熱器(以下簡(jiǎn)稱“PV/T集熱器”)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。PV/T的控制方程參考文獻(xiàn)[8]。該模型由玻璃蓋板、層壓光伏電池、銅管、銅管內(nèi)冷卻水和保溫水箱的能量方程組成。

圖1 水冷3d型PV/T系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

由于存在空氣夾層,故相對(duì)常規(guī)光伏組件,PV/T集熱器的玻璃蓋板的能量平衡方程為

Tg)+hg,pv(Tpv-Tg)+Gαg

(13)

光伏電池層由PV單元、膠膜(Ethylene Vinyl Acetate,EVA)和吸熱層3部分組成。其熱傳導(dǎo)公式為

(14)

式中:下標(biāo)ab——PV/T集熱器的吸收層;

Q——光伏電池層與銅管接觸部分熱傳導(dǎo)。

光伏電池層與銅管接觸部分的熱傳導(dǎo)為

(15)

式中:下標(biāo)t——銅管;

A——材質(zhì)面積,m2。

銅管的熱平衡方程式為

(16)

式中:D——直徑,m;

下標(biāo)in,w——銅管內(nèi)徑和銅管內(nèi)冷卻水。

銅管內(nèi)冷卻水的熱平衡公式為

(17)

y——水流方向的計(jì)算步長(zhǎng)。

保溫水箱內(nèi)的能量方程為

(18)

式中:Mwt——水箱內(nèi)冷卻水質(zhì)量,kg;

下標(biāo)wt,wout,win——水箱內(nèi)冷卻水,集熱器的出口和進(jìn)口;

j——銅管數(shù)目。

1.4 能量?jī)斶€和碳減排潛力

能量?jī)斶€時(shí)間(Energy Pay Back Time,EPBT)是評(píng)判能源系統(tǒng)是否有效的指標(biāo)之一,能量?jī)斶€時(shí)間越短則越有效。其公式為

(19)

式中:YEBPT——能量?jī)斶€時(shí)間,a;

Ein——能源系統(tǒng)壽命周期內(nèi)輸入的總能量,kWh;

Eout——能源系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)每年輸出的能量,kWh/a。

光伏系統(tǒng)減排CO2潛力是衡量光伏系統(tǒng)建筑節(jié)能的另一個(gè)重要指標(biāo)?？紤]PV系統(tǒng)和PV/T系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中的耗能,其減排CO2潛力的計(jì)算公式如下。

PV系統(tǒng)和PV/T系統(tǒng)的減排公式分別為

Mpv,PM=(Etotal-Ein)ψ

(20)

Mpvt,PM=(Etotal+Htotal-Ein)ψ

(21)

式中:Mpv,PM,Mpvt,PM——PV系統(tǒng)和PV/T系統(tǒng)在產(chǎn)品壽命周期內(nèi)的減碳排量,kg;

Etotal——PV系統(tǒng)在產(chǎn)品壽命周期內(nèi)產(chǎn)生的總電量,kWh;

Htotal——PV/T系統(tǒng)在產(chǎn)品壽命周期內(nèi)產(chǎn)生的總熱量,kWh;

ψ——CO2排放因子,取0.6 kg/kWh[9]。

因?yàn)镻V/T系統(tǒng)同時(shí)輸出光電和光熱兩種能源,為了便于計(jì)算,將PV/T系統(tǒng)在壽命周期內(nèi)產(chǎn)生的熱量折算成提供相同熱量時(shí)需要的耗電量。

2 典型城市的年性能對(duì)比

本文選取北京、上海、廣州、昆明和哈爾濱5個(gè)城市,分別代表了寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)、溫和地區(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)的氣象特征[10]?；诘湫湍隁庀髷?shù)據(jù),利用C++程序?qū)V系統(tǒng)和PV/T系統(tǒng)的年收益情況進(jìn)行數(shù)值分析。兩套系統(tǒng)的光伏組件均采用250 W多晶硅組件,總面積為1.64 m2,光伏電池面積為1.46 m2,標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下光電效率為17.2%。根據(jù)我國(guó)建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),PV/T系統(tǒng)中的水箱容積設(shè)為100 L。兩套系統(tǒng)每天運(yùn)行時(shí)間為7∶00～17∶00。若日終水箱溫度大于或等于40 ℃,則認(rèn)為其滿足了熱水的使用條件[11],第2天系統(tǒng)將重新注入冷卻水。冷卻水水溫假設(shè)與當(dāng)日7∶00的環(huán)境溫度一致。若第2天7∶00的環(huán)境溫度小于5 ℃,則水溫默認(rèn)設(shè)為5 ℃。這是因?yàn)楫?dāng)水溫低于4 ℃時(shí),水的異常膨脹特性使水的結(jié)構(gòu)更接近冰,容易發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象[12]。

兩套系統(tǒng)均按5個(gè)城市的最佳傾角,正南方向安裝。北京、上海、廣州、昆明和哈爾濱的最佳安裝傾角分別為33°,22°,18°,25°,38°。5個(gè)城市最佳傾角表面上獲得的光伏板單位面積內(nèi)月輻照強(qiáng)度和月平均溫度如圖2所示。

圖2 5個(gè)城市最佳傾角表面上的光伏板單位面積內(nèi)月輻照強(qiáng)度和月平均溫度

2.1 光電性能對(duì)比

兩套系統(tǒng)在5個(gè)城市的月發(fā)電量如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可以看出,兩套系統(tǒng)的發(fā)電量主要取決于所在城市的輻照強(qiáng)度;光伏板在北方城市獲取的年輻照量均高于南方城市,因此兩套系統(tǒng)在北京和哈爾濱的年發(fā)電量均高于其他3個(gè)南方城市。兩套系統(tǒng)在9月～12月時(shí)各個(gè)城市的發(fā)電量相近,而5月～8月時(shí)各城市的月發(fā)電量差距較大,其中北京和哈爾濱的月發(fā)電量較高。

圖3 PV系統(tǒng)在5個(gè)城市的月發(fā)電量

圖4 PV/T系統(tǒng)在5個(gè)城市的月發(fā)電量

計(jì)算對(duì)比兩套系統(tǒng)的年發(fā)電量可知,PV/T系統(tǒng)在5個(gè)城市的月發(fā)電量均小于PV系統(tǒng)。其原因是,為了增大光熱輸出,PV/T系統(tǒng)的玻璃蓋板與光伏電池之間通常設(shè)有空氣夾層,使得入射光在光疏與光密介質(zhì)之間多次折射和反射,大幅降低了太陽(yáng)輻照的有效吸收率[13]。實(shí)際運(yùn)行時(shí),PV/T系統(tǒng)中光伏組件的工作溫度沿流動(dòng)方向逐漸升高,并隨著水溫的升高而升高,光伏組件的工作溫度遠(yuǎn)高于PV系統(tǒng)中光伏組件的工作溫度[14]。因此,PV/T系統(tǒng)的光電收益低于常規(guī)PV系統(tǒng)。

2.2 PV/T系統(tǒng)的光電光熱綜合效率

PV/T系統(tǒng)在5個(gè)城市的月有效供熱天數(shù)如圖5所示。PV/T系統(tǒng)在5個(gè)城市的月產(chǎn)熱量和月平均光熱效率如圖6所示。由圖5中數(shù)據(jù)分析可知,廣州和昆明分別地處夏熱冬暖地區(qū)和溫和地區(qū),可滿足用戶需求的年有效供熱天數(shù)較多,分別為134 d和126 d;北京在4月～8月內(nèi),每月均可獲得較多的有效供熱天數(shù),年有效供熱天數(shù)為131 d;上海和哈爾濱分別為120 d和97 d。

圖5 PV/T系統(tǒng)在5個(gè)城市的月有效供熱天數(shù)

圖6 PV/T系統(tǒng)在5個(gè)城市的月產(chǎn)熱量和平均光熱效率

由圖2可知,廣州和昆明的太陽(yáng)輻照強(qiáng)度分別集中在7月～10月和2月～5月,其他3個(gè)城市則集中在5月～8月,上述時(shí)段滿足用戶供熱需求的天數(shù)較多。在太陽(yáng)輻照強(qiáng)度集中的時(shí)段內(nèi),室外環(huán)境溫度高,集熱器熱損小,發(fā)電量大,PV/T系統(tǒng)更容易獲得熱能和電能,因此能極大地滿足用戶供熱和用電需求。根據(jù)圖4和圖6中的數(shù)據(jù)計(jì)算可得,在上述時(shí)段內(nèi),太陽(yáng)輻照強(qiáng)度最低的是廣州,其平均月產(chǎn)熱量為250.5 MJ,平均月發(fā)電量為19.6 kWh;輻照量較高的北京和哈爾濱,上述時(shí)段的平均月產(chǎn)熱量分別為370.6 MJ和399.0 MJ,而月發(fā)電量分別介于25.8 ～31.5 kWh,28.6～33.2 kWh。

隨著各地太陽(yáng)輻照強(qiáng)度的下降,系統(tǒng)發(fā)電量也隨之減少,環(huán)境溫度對(duì)PV/T系統(tǒng)光熱效率的影響逐漸顯現(xiàn)。室外環(huán)境溫度與初始水溫的溫差越大,則光熱效率越高,產(chǎn)熱量越大。反之,當(dāng)初始水溫遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度,在熱傳導(dǎo)過程中導(dǎo)致熱量損失,光熱效率下降,導(dǎo)致產(chǎn)熱量不足。以冬季為例,北京和哈爾濱兩地的PV/T系統(tǒng)設(shè)定初始水溫為5 ℃,遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度,導(dǎo)致系統(tǒng)在循環(huán)時(shí)熱損較高,兩地在冬季的產(chǎn)熱量遠(yuǎn)低于南方城市。尤其是哈爾濱地處嚴(yán)寒地區(qū),冬季寒冷且時(shí)間跨度長(zhǎng),其中有5個(gè)月的時(shí)間不能向用戶提供有效供熱,年產(chǎn)熱量和有效供熱天數(shù)最少,年平均光熱效率只有28.79%,遠(yuǎn)低于其他城市。與之相反的是昆明地區(qū),由于地理環(huán)境和氣候的優(yōu)勢(shì),日照長(zhǎng)、年平均氣溫適中,冬季月平均產(chǎn)熱量均在200 MJ以上,因此,昆明集熱持續(xù)時(shí)間段較長(zhǎng),年平均光熱效率最高,達(dá)到了39.54%。

考慮到PV/T系統(tǒng)輸出電和熱兩種能量的品位不均等,本文利用文獻(xiàn)[15]提出的評(píng)價(jià)方法對(duì)PV/T系統(tǒng)的綜合效率進(jìn)行評(píng)價(jià),其公式為

(22)

式中:η0——PV/T系統(tǒng)的綜合效率;

ηt——PV/T系統(tǒng)的光熱效率;

ηpv——PV/T系統(tǒng)光電效率;

ηpower——當(dāng)?shù)鼗痣姀S的發(fā)電效率,取0.38。

PV系統(tǒng)的綜合效率也可以根據(jù)式(22)計(jì)算得到,其中光熱效率為零。PV/T系統(tǒng)在5個(gè)城市的年綜合效率如圖7所示。

圖7 PV/T系統(tǒng)在5個(gè)城市的年綜合效率

由圖7可以看出,北京和上海的年綜合效率相近,分別為66.63%和66.16%。昆明的年綜合效率最高,達(dá)到了69.91%,其次為廣州,年綜合效率為68.82%。而哈爾濱的年綜合效率則為58.89%。計(jì)算PV系統(tǒng)的年綜合效率后比較得知,PV/T系統(tǒng)的年綜合效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的PV系統(tǒng)。

3 節(jié)能性分析

3.1 能量?jī)斶€時(shí)間

中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的《關(guān)于光伏行業(yè)所謂的“高耗能”問題分析》一文中指出,光伏組件能耗為1.52 kWh/W。文獻(xiàn)[16]分析了PV/T系統(tǒng)和光伏建筑一體式PV/T系統(tǒng)的生產(chǎn)能耗,指出PV/T系統(tǒng)的生產(chǎn)能耗主要由玻璃、隔熱層、熱吸收層、框架、光伏電板和配件系統(tǒng)構(gòu)成,并給出了具體數(shù)值。由上述研究計(jì)算可知,常規(guī)PV系統(tǒng)的生產(chǎn)能耗約為722.9 kWh,PV/T系統(tǒng)的生產(chǎn)能耗約為2 295.7 kWh。結(jié)合兩套系統(tǒng)的年收益,得到系統(tǒng)的能量?jī)斶€時(shí)間如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)能量?jī)斶€時(shí)間

對(duì)于PV系統(tǒng),發(fā)電量最多的北京和哈爾濱,兩地的能量?jī)斶€時(shí)間最短,約為2.4 a,而發(fā)電量最低的廣州的能量?jī)斶€時(shí)間最長(zhǎng),約為3.5 a。對(duì)于PV/T系統(tǒng),綜合收益較高的昆明和北京具有較短的能量?jī)斶€時(shí)間,均為1.9 a;上海和哈爾濱的時(shí)間長(zhǎng)于昆明和北京,約為2.4 a;綜合收益最差的廣州則需要2.7 a。綜合對(duì)比兩套系統(tǒng),除哈爾濱以外,PV/T系統(tǒng)的能量?jī)斶€時(shí)間均比PV系統(tǒng)短。

3.2 CO2減排量

系統(tǒng)的CO2減排量取決于在產(chǎn)品壽命周期內(nèi)所得獲得的能量?？紤]系統(tǒng)組件衰減因素和時(shí)間價(jià)值問題,兩套系統(tǒng)在產(chǎn)品壽命周期內(nèi)的收益公式需分別計(jì)算。

PV系統(tǒng)在產(chǎn)品壽命周期內(nèi)產(chǎn)生的總電量為

(23)

式中:Epv,E——PV系統(tǒng)的年發(fā)電量,kWh/a;

fE——光伏組件的電衰減率,取0.8%;

r——貼現(xiàn)率,取2%。

PV/T系統(tǒng)的光電成本和常規(guī)光伏發(fā)電成本一致。增加的熱能效益為系統(tǒng)產(chǎn)生的總熱量Htotal,可將PV/T系統(tǒng)每年產(chǎn)生的總熱量折算成提供相同熱量時(shí)需要的耗電量,具體公式為

Epvt,total=Etotal+Htotal=

(24)

式中:Epvt,E——PV/T系統(tǒng)的年發(fā)電量,kWh/a;

Epvt,H——PV/T系統(tǒng)每年產(chǎn)生的總熱量折算成相同的電能,kWh/a;

fH——光伏組件的熱衰減率,取0.3%。

兩套系統(tǒng)在產(chǎn)品壽命周期內(nèi)的CO2減排量如圖9所示。

圖9 兩套系統(tǒng)在產(chǎn)品壽命周期內(nèi)的CO2減排量

由圖9可知,PV/T系統(tǒng)的CO2減排量介于6.33～9.23 t,其中綜合效益最好的兩個(gè)城市北京和昆明減排量最多;PV系統(tǒng)的CO2減排量介于1.33～2.17 t;PV/T系統(tǒng)的CO2減排量約為PV系統(tǒng)的3～5倍,具有更好的建筑減排能力。

4 結(jié) 論

本文以北京、上海、廣州、昆明、哈爾濱5個(gè)典型城市的氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),從能量?jī)斶€時(shí)間和CO2減排量?jī)蓚€(gè)方面,對(duì)比分析了PV系統(tǒng)與PV/T系統(tǒng)的節(jié)能特性和環(huán)保性。主要結(jié)論如下。

(1)PV/T系統(tǒng)的月發(fā)電量均小于PV系統(tǒng)。

(2)PV/T系統(tǒng)具有可觀的光熱收益,其光電光熱綜合效率遠(yuǎn)高于常規(guī)PV系統(tǒng),介于58.89%～69.91%。

(3)PV/T系統(tǒng)的生產(chǎn)能耗高于PV系統(tǒng),但其能量?jī)斶€時(shí)間短于PV系統(tǒng)。PV/T系統(tǒng)的CO2減排量約為PV系統(tǒng)的3～5倍。年有效收益和經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果均表明,PV/T系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的PV系統(tǒng)具有更好的應(yīng)用潛力。