秦漢時,趙黛青,蔡國田,王 樂(1.中國科學院廣州能源研究所,廣州 510640;2.中國科學院可再生能源重點實驗室,廣州 510640;3.廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應用重點實驗室,廣州 510640;4.中國科學院大學,北京 100049)
基于層次分析法的太陽能利用技術綜合評價*
秦漢時1,2,3,4,趙黛青1,2,3?,蔡國田1,2,3,王樂1,2,3,4
(1.中國科學院廣州能源研究所,廣州 510640;2.中國科學院可再生能源重點實驗室,廣州 510640;3.廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應用重點實驗室,廣州 510640;4.中國科學院大學,北京 100049)
本文首先利用一個非穩(wěn)態(tài)傳熱模型對同一環(huán)境條件下光伏光熱一體化(PV/T)系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)(PV)和太陽能熱水器的能效進行分析,然后采用層次分析法(AHP)對不同品質(zhì)終端能源輸出的太陽能利用系統(tǒng)的能效統(tǒng)一表征,并以北京、廣州和銀川為代表的不同城市自然環(huán)境及用電價格為條件的三種情景,對三種太陽能利用系統(tǒng)的綜合能源利用效率、累計凈收益和投資回收期進行分析。結果表明,太陽能利用系統(tǒng)的經(jīng)濟性不僅受到系統(tǒng)能源利用效率和成本的影響,系統(tǒng)所在地的自然環(huán)境和電價水平也會引起系統(tǒng)經(jīng)濟性發(fā)生變化,因此考慮多種因素的綜合評價可以為太陽能技術推廣提供更客觀和準確的參考。
太陽能;投資回收期;情景分析;層次分析法
太陽能利用技術發(fā)展迅速,光伏光熱一體化(PV/T)技術作為一種新的技術,被認為綜合了光伏發(fā)電和太陽能熱水器的優(yōu)點,可以有效提高太陽能利用率[1]。如徐寅等[2]制作的低倍聚光PV/T實驗裝置熱效率為39.4%,電效率為14.1%,總能源效率為53.5%。
對于PV/T技術和其他太陽能利用技術的經(jīng)濟性對比分析已有不少研究報道,如文獻[3]指出在塞浦路斯采用PV/T系統(tǒng)可以獲得比PV系統(tǒng)更高的經(jīng)濟效益。IBRAHIM等[4]認為太陽能利用隨著其技術進步有可能使投資回收期小于10年。ZHANG等[5]回顧了太陽能利用技術的發(fā)展,指出現(xiàn)有的經(jīng)濟性分析雖然表明PV/T系統(tǒng)能夠帶來比PV系統(tǒng)和太陽能熱水器更高的投資回報,但在考慮不同地區(qū)的自然條件和政策因素對經(jīng)濟性分析結果的影響方面,其研究還不夠充分。
現(xiàn)有研究很少將PV/T技術同PV技術與太陽能熱水器等其他太陽能技術置于同一外部條件下進行能效和經(jīng)濟性對比分析。難點在于太陽能熱利用和光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)化原理不同,運行方法上也存在很大區(qū)別。不同系統(tǒng)生產(chǎn)的熱價或電價也不相同[6]。因此,為了客觀合理地對不同太陽能利用技術進行能效和經(jīng)濟性評價,有必要建立一個納入太陽能技術使用地區(qū)的自然環(huán)境和能源價格作為條件,能同時分析多種太陽能系統(tǒng)的評價模型。鑒于太陽能PV/T技術面臨綜合能源效率提高但成本增加的問題,本研究將采用新構建的評價模型,對太陽能光伏發(fā)電、太陽能熱水器和太陽能PV/T系統(tǒng)進行綜合分析和評價,研究結果可為判斷不同太陽能利用技術在我國不同地區(qū)的商業(yè)推廣前景提供依據(jù)和參考。
1.1系統(tǒng)原理圖
整個系統(tǒng)主要由玻璃蓋板、光伏/集熱器、冷卻水流道、水箱以及連接管路組成(如圖1)。其中光伏模塊由多晶硅電池組成,光伏模塊輸出電力,其他未被光伏板吸收轉(zhuǎn)化的太陽能被銅管內(nèi)的冷卻水吸收產(chǎn)生熱水,水循環(huán)還起到降低光伏板溫度、減少因為光伏材料溫度上升導致光伏轉(zhuǎn)換效率降低的作用。在同樣占地面積下,PV/T系統(tǒng)的能源總效率得到了提高[4,7-9]。
圖1 太陽能PV/T利用系統(tǒng)示意圖(部分流道)Fig.1 Level section of PV/T system(partial channel)
1.2傳熱模型
本節(jié)采用文獻[10]中的PV/T物理模型,按照每個主要部件來逐層分析太陽能利用系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)時的傳熱過程。同時做以下假設:
(1)忽略部件之間的接觸熱阻;
(2)整個系統(tǒng)側(cè)面以及儲水箱近似絕熱;
(3)為了將3種系統(tǒng)置于同一條件下進行對比,假設PV/T系統(tǒng)中的電池覆蓋率近似為1;
(4)忽略流道內(nèi)的流動阻力。
1.2.1玻璃蓋板
玻璃蓋板的傳熱方程為:
式中:角標g、a、c指代玻璃、環(huán)境和集熱器,T為溫度,t為時間,c為比熱容,ρ為密度,δ為厚度,G為陽光輻照強度,γ為透過率,hw為空氣的對流換熱系數(shù),hrga為玻璃和環(huán)境的輻射換熱系數(shù),hcg為玻璃和集熱器的對流換熱系數(shù),hrcg為玻璃板與集熱器的輻射換熱系數(shù)。
1.2.2光伏/集熱模塊
光伏/集熱模塊傳熱方程為:
式中:角標f指代冷卻水,hcf為冷卻水的對流換熱系數(shù),Af為集熱器單位面積下冷卻水流道的內(nèi)表面積,α為吸收率,E為單位面積下的多晶硅光電轉(zhuǎn)化平均功率。
式中:ηe為光伏電池在基準條件下(293 K)的光電轉(zhuǎn)化效率,β為溫度系數(shù)。
公式(2)中Rin為系統(tǒng)的熱損,若假設該裝置四周絕緣良好,Rin可以被近似表示為[10]:
1.2.3冷卻水流道
冷卻水流道傳熱方程為:
式中:Az為系統(tǒng)冷卻水流道的總橫截面積,uf為冷卻水在流道中的流速,x為沿流道方向的長度,m為質(zhì)量流量。
1.2.4水箱
水箱的傳熱方程為:
式中:角標tk指代水箱,mtk為水箱容納水的總質(zhì)量,Ttk,i和Ttk,o分別代表水箱進口和出口溫度。
1.2.5相關參數(shù)
hw和hcg可以根據(jù)公式(8)和(9)求得[11]:
式中:u為環(huán)境風速,Lgc為玻璃蓋板和光伏面板之間的間隙。
hrga和hrcg則通過公式(10)和公式(11)計算:
式中:ε為發(fā)射率,σ為史蒂夫-玻爾茲曼常數(shù)。hcf通過式(12)和式(13)計算:
式中:Nuf為努塞爾數(shù),Nuf= 4.11[10];kw為水的熱導率;Dh為水利直徑;a1和c1為銅管橫截面的寬和高。
方程(1)、(2)、(5)和(7)構成的方程組描述了PV/T的傳熱及太陽能利用過程??紤]到非穩(wěn)態(tài)傳熱中冷卻水流道和水箱水溫在傳熱過程中互為邊界條件,計算機編程采用迭代法來計算和完成對系統(tǒng)熱效率的分析,流程如圖2所示,此時水箱傳熱方程由方程(7)轉(zhuǎn)換為方程(14)。
式中:n為換熱管個數(shù);T1f為水箱中水的溫度;L為太陽能吸熱裝置的長度;T1f-new為水箱受到加熱后的水溫;tΔ為迭代時間,在本文中tΔ = 1 s。N為計算總時長。
圖2 計算流程Fig.2 Computational flow chart
該模型不但能夠?qū)V/T系統(tǒng)的傳熱過程進行較精確的分析,而且還可以通過數(shù)學變換來計算太陽能光伏和平板式太陽能熱水器的傳熱過程:在不考慮玻璃蓋板、冷卻水和水箱的換熱時,模型即簡化為太陽能光伏系統(tǒng)的傳熱和效率模型;在不考慮光電轉(zhuǎn)換效率時,模型即為平板式太陽能熱水器的傳熱和效率模型。
2.1日輻照強度對系統(tǒng)熱效率的影響分析
利用圖2所示的計算方式,分析不同日輻照強度下三種太陽能系統(tǒng)的能源利用效率。
計算中所需要的系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。
表1 計算中所輸入的相關參數(shù)Table1 Input parameters of the simulation model
表2為計算得到的三種太陽能利用系統(tǒng)在不同陽光輻照條件下的太陽能轉(zhuǎn)換效率,表中ηse為太陽能光電轉(zhuǎn)換效率,ηsh為太陽能光熱轉(zhuǎn)換效率。
表2 三種系統(tǒng)在不同輻照強度下的太陽能轉(zhuǎn)化效率Table 2 The efficiency performance of the three systems under different radiation intensities
由表2可以看出,PV系統(tǒng)由于系統(tǒng)本身吸收轉(zhuǎn)化成電力之外的太陽光,導致光伏面板升溫,使得光電轉(zhuǎn)化效率隨太陽能輻照強度增加而減少;太陽能熱水器由于系統(tǒng)傳熱效率的穩(wěn)定,使其光熱效率基本不隨太陽輻照強度的不同而發(fā)生變化,維持在60%左右;PV/T系統(tǒng)由于其中的熱水系統(tǒng)除了可以將未被光伏系統(tǒng)轉(zhuǎn)化的太陽能利用起來產(chǎn)生熱水,還可以起到冷卻光伏板的作用,使得光伏面板的光電轉(zhuǎn)化效率能基本保持在12.5%左右,光熱效率維持在50%左右。
2.2考慮地區(qū)日照條件差異下的系統(tǒng)熱效率分析
在實際運用過程中,不同的地區(qū)輻照條件不同,環(huán)境溫度也不同,把兩者同時納入分析更能反映太陽能利用系統(tǒng)實際應用中的問題。選定北京、廣州、銀川為代表的三個不同地區(qū)的氣象環(huán)境為條件,利用表3和表4的數(shù)據(jù),進一步分析三種系統(tǒng)的太陽能轉(zhuǎn)化效率。表3的平均日總輻照強度Gt:
式中,Ra為年輻照總量。表3和表4均為2001年中國氣象資料年冊中的對應城市的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
表3 三個城市的平均輻照參數(shù)Table 3 Average radiation parameters of the three cities
表4 三個城市的平均氣溫Table 4 Average temperatures of the three cities
根據(jù)以上條件計算出的三種系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)化效率如表5,不同地區(qū)的同一系統(tǒng)、不同系統(tǒng)在同一地區(qū)的太陽能轉(zhuǎn)化效率以及轉(zhuǎn)化的二次能源在品質(zhì)和數(shù)量上都存在很大差異,而不同品質(zhì)的能源在不同地區(qū)的價格也不一樣,導致了如在廣州的PV/T系統(tǒng)與在北京的太陽能熱水器以及在銀川的PV系統(tǒng)的能效和經(jīng)濟性難以進行直接對比。
表5 三種系統(tǒng)在不同條件下的太陽能轉(zhuǎn)化效率Table 5 Efficiency of the three systems under different conditions per day
2.3基于能量綜合利用準則的能效分析
由于單獨光伏、光熱或者光伏光熱一體化這三種太陽能利用技術的不同能源轉(zhuǎn)化終端產(chǎn)品——電力以及不同溫度的熱水之間難以直接進行定量分析,本研究采用文獻[12]提出的能量聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的新評價準則,利用層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)將不同的能源轉(zhuǎn)換方式轉(zhuǎn)化的能源綜合利用率來對比分析不同的太陽能利用系統(tǒng)產(chǎn)出的能量利用率:
式中:η為系統(tǒng)的能源綜合利用率,qe和qh為基準點溫度(基準點溫度為確定的環(huán)境溫度)下的發(fā)電能量利用率和發(fā)熱量利用率的權重系數(shù),kh為熱能溫度修正系數(shù)。
建立AHP模型與判斷矩陣[13],判斷矩陣如表6所示。
表6 判斷矩陣Table 6 Judgement matrix
計算權重指標qe和qh如表7所示。
表7 各權重指標Table 7 Weight target
計算熱能溫度修正系數(shù)kh[13]:
式中,TΔ為基準點溫差,按照一般家用熱水適宜溫度325 K和環(huán)境基準溫度293 K計算,則TΔ=32 K。表8為按照能量綜合利用準則計算出來的三種太陽能系統(tǒng)在不同城市的綜合能源利用效率。
表8 三種系統(tǒng)的綜合能源利用效率Table 8 Equivalent efficiency of the three systems
由表8可知,轉(zhuǎn)化為綜合能源利用效率后,PV/T系統(tǒng)和太陽能熱水器在廣州的綜合能效最低,銀川最高;三個地區(qū)的PV系統(tǒng)綜合能效基本一致。
考慮到PV/T系統(tǒng)比PV和太陽能熱水器相對節(jié)約支架等成本,不同太陽能系統(tǒng)的成本和維護費用如表9所示。
表9 三種系統(tǒng)的成本Table 9 Costs of the three systems
以表8所示不同系統(tǒng)的綜合能源利用效率為基礎,將綜合能源利用效率折合為電力轉(zhuǎn)換效率以方便用電力價格來計算出北京、廣州和銀川三個地區(qū)氣候和電力價格條件下不同系統(tǒng)的年收益S。
式中:Pe為居民電價,北京為0.49元/(kW·h),廣州為0.61元/(kW·h),銀川為0.45元/(kW·h);λ為綜合能源利用效率與光電轉(zhuǎn)化效率的權重系數(shù)。
式中,角標i = 1、2、3分別指代三個城市;λ = 1.5。
表10 三種系統(tǒng)在不同地區(qū)的年收益Table 10 The income comparison of the three systems in different districts
按照年折舊率0.09來考慮,則在20年壽命期內(nèi),三種系統(tǒng)從開始投資到20年后壽命完結時在不同地區(qū)各自累計凈收益曲線如圖3,并由該曲線與X軸的交點可以知道各個設備的投資回收期。
圖3 不同城市中不同系統(tǒng)的收益Fig.3 Performance of accumulated net income and cost payback period of different systems in different cities
銀川在三個地區(qū)中太陽能資源最豐富,三種太陽能系統(tǒng)的累計凈收益和投資回收期都優(yōu)于其他兩個地區(qū);日輻照強度最低的廣州,雖然其三種系統(tǒng)的綜合能效最低,但由于其單位電價最高,使得這三種太陽能利用系統(tǒng)在廣州的累計凈收益和投資回收期反而優(yōu)于陽光輻照條件更好的北京。
本文基于非穩(wěn)態(tài)傳熱模型評價了不同地區(qū)自然條件下的PV系統(tǒng)、太陽能熱水器和PV/T 系統(tǒng)的能源利用效率,并在考慮地區(qū)不同電價條件下,利用層次分析法對比了3種系統(tǒng)的經(jīng)濟性,得到以下結論:
(1)在相同輻照條件下,三種不同太陽能利用系統(tǒng)中PV/T系統(tǒng)的能源利用效率最好,但小于PV和熱水器效率之和,而PV系統(tǒng)的能源利用效率最低。
(2)在考慮了三個被選取城市的自然條件后,發(fā)現(xiàn)3種系統(tǒng)在陽光資源最少,平均溫度最高的廣州具備最高的能源利用效率,而在陽光資源最多和平均氣溫最低的銀川能源利用效率反而最低。說明除陽光輻照強度這一被廣泛考慮的重要因素外,氣溫也是影響太陽能設備利用的重要因素。因此,評價太陽能利用系統(tǒng)的效率和經(jīng)濟性,必須考慮到設備所在地區(qū)的氣候條件。
(3)基于能量綜合利用理論,采用層次分析法,對比了三種系統(tǒng)的綜合能源效率和經(jīng)濟性后發(fā)現(xiàn),三種系統(tǒng)的經(jīng)濟性并不完全只受能源效率的影響,如綜合能源效率最高的PV/T系統(tǒng)在三種情景下,在其設備壽命內(nèi)并不一定經(jīng)濟性最好,而是會受到設備成本、當?shù)丨h(huán)境和電力價格的綜合影響。
綜上所述,在不同地區(qū)推廣太陽能利用技術時,不能單以技術的能效或成本的高低來進行判斷,還需綜合考慮所在地的自然環(huán)境和能源價格對該技術的經(jīng)濟性造成的影響。
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Economic Evaluation of Solar Technologies Based on Analytic Hierarchy Process
QIN Han-shi1,2,3,4, ZHAO Dai-qing1,2,3, CAI Guo-tian1,2,3, WANG Le1,2,3,4
(1.Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China;2.Key Laboratory of Renewable Energy, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China;3.Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development, Guangzhou 510640, China;4.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
In this paper, an unsteady heat transfer model was established to simulate the energy efficiency of different solar systems such as solar photovoltaic-thermal(PV/T)system, photovoltaic(PV)system and solar water heater system under different climate conditions.The Analytic Hierarchy Process(AHP)method was then used to make a comprehensive analysis about the accumulated net income and payback period of these solar systems on equal terms, by using the results of the heat transfer model under three different electricity price in Beijing, Guangzhou and Yinchuan.Results showed that the economy of solar systems is not only interacted by cost and efficiency, but also by natural environment and electricity price.Under consideration with multi-elements, the evaluation may provide reference for the solar technology application.Key words: solar energy; payback period; scenario analysis; Analytic Hierarchy Process(AHP)
TK519
A
10.3969/j.issn.2095-560X.2016.04.011
2095-560X(2016)04-0334-07
2015-12-30
2016-06-23
中國科學院戰(zhàn)略研究與決策支持系統(tǒng)建設專項項目(0707Y41001)
趙黛青,E-mail:zhaodq@ms.giec.ac.cn
秦漢時(1985-),男,博士研究生,主要從事可持續(xù)能源技術評價、能源戰(zhàn)略研究。
趙黛青(1958-),女,博士,研究員,主要從事可持續(xù)能源發(fā)展戰(zhàn)略、能源經(jīng)濟和能源政策研究。
蔡國田(1975-),男,博士,副研究員,主要從事能源戰(zhàn)略研究。
王樂(1984-),女,博士研究生,主要從事低碳政策與制度、碳排放交易體系研究。