薛凱，王義函，陳衡，徐鋼，雷兢

槽式太陽能輔助生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)熱力學(xué)性能分析

薛凱，王義函，陳衡*，徐鋼，雷兢

（熱電生產(chǎn)過程污染物監(jiān)測與控制北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京市 昌平區(qū) 102206）

可再生能源互補(bǔ)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在區(qū)域綜合能源利用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。提出了一種槽式太陽能輔助生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，利用中低溫槽式太陽能加熱導(dǎo)熱油，驅(qū)動吸收式熱泵給熱網(wǎng)水預(yù)加熱，在生物質(zhì)燃料與供熱量保持恒定的條件下節(jié)省采暖抽汽、增加功率輸出。采用EBSILON Professional軟件對案例機(jī)組和集成系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，在此基礎(chǔ)上分析了系統(tǒng)能流與?損等熱力學(xué)特性。結(jié)果表明：設(shè)計(jì)工況下可產(chǎn)生1.78MW·h的太陽能發(fā)電量，光電效率為20.06%，光電轉(zhuǎn)換?效率可達(dá)到21.60%。選取5個典型日探討不同輻照條件下的系統(tǒng)性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)3月21日的太陽輻射與系統(tǒng)性能均為最優(yōu)。對整個供熱季進(jìn)行逐時仿真分析，可知供熱期5個月產(chǎn)生太陽能發(fā)電量共計(jì)1124.30MW·h，平均光電效率為16.49%。

槽式太陽能；生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)；吸收式熱泵；系統(tǒng)集成；熱力學(xué)分析

0 引言

由于化石燃料的大量開采和使用，能源短缺和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，開發(fā)清潔低碳的先進(jìn)供能系統(tǒng)已迫在眉睫[1]。習(xí)近平總書記在第75屆聯(lián)合國大會上鄭重提出“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，發(fā)展可再生能源多能互補(bǔ)熱電聯(lián)產(chǎn)是實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要舉措[2-3]?？稍偕茉窗ㄌ柲?、風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能及其他非化石燃料[4]，因其清潔可再生、資源分布廣泛、可分散開發(fā)利用等特點(diǎn)[5-6]，適合用作化石燃料的替代能源。

現(xiàn)有國內(nèi)外諸多團(tuán)隊(duì)致力于可再生能源系統(tǒng)集成研究[7]，普遍認(rèn)為光伏與集中式太陽能是最具發(fā)展與利用前景的可再生能源之一[8-9]。目前已有4種集中式太陽能發(fā)電技術(shù)趨于成熟，其中拋物槽式已得到廣泛應(yīng)用[10-12]。為改善太陽能熱發(fā)電低效率、高成本的問題，太陽能輔助發(fā)電技術(shù)引起相關(guān)學(xué)者的關(guān)注[13]。利用太陽能加熱導(dǎo)熱流體，代替部分抽汽來加熱給水，節(jié)省的抽汽在汽輪機(jī)中繼續(xù)膨脹做功[14-17]，帶來的額外發(fā)電可被視為太陽能發(fā)電量[18]。

生物質(zhì)約占地球可再生能源的50%，被認(rèn)為是另一種極具潛力的可再生能源[19]。生物質(zhì)產(chǎn)品以電、熱為主，歐洲的生物質(zhì)發(fā)電量已達(dá)到所有可再生能源發(fā)電量的70%[20]。多種轉(zhuǎn)化技術(shù)已被用來獲取生物質(zhì)能，如燃燒、氣化和熱解等[21]。其中，直接燃燒是生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用最廣泛的途徑，占世界能源生產(chǎn)中生物質(zhì)利用量的97%以上[19]。由于生物質(zhì)機(jī)組具有較高的效率和較低的單位投資成本，在過去十年中受到了廣泛關(guān)注，基于生物質(zhì)燃燒的大中型熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)已達(dá)到很高的成熟度[22]。

太陽能和生物質(zhì)的不同性質(zhì)與優(yōu)勢為系統(tǒng)集成提供了可能[23]。迄今為止，關(guān)于太陽能和生物質(zhì)的耦合利用已有大量研究。Morais等[24]設(shè)計(jì)了由太陽能場、生物質(zhì)燃燒器、有機(jī)朗肯循環(huán)和吸收式冷卻系統(tǒng)組成的集成系統(tǒng)，以滿足小型工廠的能源需求。Oyekale等[25]對太陽能–生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組進(jìn)行了基于改進(jìn)?成本計(jì)算方法的能效經(jīng)濟(jì)分析。Morrone等[26]研究了基于跨臨界有機(jī)朗肯循環(huán)的可再生微混合熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能，該系統(tǒng)由常規(guī)生物質(zhì)鍋爐和集中式太陽能提供能量。Zhang等[27]提出了太陽能–生物質(zhì)空間供熱系統(tǒng)，結(jié)合了微通道太陽能熱板陣列、生物質(zhì)鍋爐和專用控制算法。李雪如[28]分析了太陽能集熱系統(tǒng)、蓄熱系統(tǒng)、生物質(zhì)輔助鍋爐的順序啟動與逆序停止策略，以保證多能源間能量的合理分配。Wu等[29]開發(fā)了一種新型的蒸汽/空氣生物質(zhì)氣化冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，利用太陽能產(chǎn)生的高溫蒸汽作為氣化劑來驅(qū)動生物質(zhì)氣化。

太陽能和生物質(zhì)的耦合利用已得到廣泛研究，但關(guān)于太陽能熱利用和具有朗肯循環(huán)的生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的集成研究很少。此外，盡管已經(jīng)有了大量的太陽能與燃煤電站耦合發(fā)電的解決方案，但關(guān)于太陽能輔助發(fā)電技術(shù)在生物質(zhì)電廠的應(yīng)用研究鮮見報(bào)道。由于生物質(zhì)的獨(dú)特性，生物質(zhì)機(jī)組的蒸汽循環(huán)不同于燃煤發(fā)電機(jī)組，因此，有必要探討太陽能輔助發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于生物質(zhì)機(jī)組的可行性。

基于以上背景，本文提出了一種槽式太陽能輔助生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，從太陽輻射中收集熱量，用于驅(qū)動吸收式熱泵給熱網(wǎng)水預(yù)熱，節(jié)省供熱抽汽以得到更多發(fā)電量。通過能量分析和?分析，揭示了提高系統(tǒng)性能的根本原因。此外，還探討了集成系統(tǒng)的日性能和年性能，可為太陽能與生物質(zhì)能在熱電聯(lián)產(chǎn)集成系統(tǒng)中的研究和實(shí)際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 案例機(jī)組介紹

本文選取我國西北地區(qū)某典型生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為參考案例，系統(tǒng)流程如圖1所示。生物質(zhì)鍋爐產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽經(jīng)汽輪機(jī)做功，在凝汽器中冷凝后依次進(jìn)入三級低壓加熱器、除氧器、兩級高壓加熱器。在當(dāng)?shù)毓┡?從11月1日至次年3月31日，共151天)，部分3#抽汽在熱網(wǎng)加熱器中加熱熱網(wǎng)水，用于給當(dāng)?shù)鼐用窆帷?/p>

圖1 案例生物質(zhì)機(jī)組示意圖

表1、2分別列出了案例機(jī)組及其回?zé)嵯到y(tǒng)的基本參數(shù)。在供熱期間采用5.56kg/s的3#抽汽進(jìn)行區(qū)域供熱，將74.91kg/s的熱網(wǎng)回水從50.0℃加熱至99.0℃，向熱用戶提供15.39MW·h的熱量。同時產(chǎn)生的凈發(fā)電量為29.98MW·h，生物質(zhì)消耗量為11.82kg/s。生物質(zhì)鍋爐的主要原料是玉米秸稈、玉米芯、稻草和稻殼，燃料的平均低位發(fā)熱量為9.435MJ/kg。

表1 案例生物質(zhì)機(jī)組基本熱力學(xué)參數(shù)

表2 案例生物質(zhì)機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)基本參數(shù)

2 系統(tǒng)建模與仿真

2.1 系統(tǒng)建模

本文采用EBSILON Professional軟件對案例機(jī)組和集成系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，這是一個用于發(fā)電領(lǐng)域熱力學(xué)建模的軟件。它在保證質(zhì)量和能量守恒的基礎(chǔ)上使各組件、子系統(tǒng)和全系統(tǒng)保持平衡[30]。在此軟件中，由非線性方程組構(gòu)建熱力學(xué)循環(huán)，通過一系列線性方程迭代求解，使用上一步迭代值形成可變系數(shù)，當(dāng)基本變量不再更改時迭代停止。經(jīng)驗(yàn)證，該軟件為一種可靠的熱力學(xué)建模軟件[31]。根據(jù)案例機(jī)組的邊界條件，使用EBSILON Professional的內(nèi)置模塊建立模型，并將計(jì)算結(jié)果與案例機(jī)組的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明仿真模型準(zhǔn)確可靠。

2.2 系統(tǒng)集成

為提高太陽能利用率，利用更多可再生能源來發(fā)電和供熱，本文提出一種槽式太陽能輔助生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，流程如圖2所示。

圖2 太陽能輔助生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)示意圖

首先，離開太陽能集熱器的導(dǎo)熱油作為驅(qū)動熱源在吸收式熱泵的發(fā)生器中放熱，循環(huán)工質(zhì)吸熱并蒸發(fā)，所產(chǎn)生的蒸汽在熱泵的冷凝器中冷凝，節(jié)流后流入蒸發(fā)器。其次，蒸發(fā)器中的低位熱源采用部分已換熱的循環(huán)冷卻水，蒸汽從循環(huán)冷卻水中吸熱并蒸發(fā)。最后，將低溫低壓下的飽和蒸汽送至吸收器被溴化鋰溶液吸收。因此，可以利用吸收式熱泵在吸收器和冷凝器中排出的熱量對熱網(wǎng)供水進(jìn)行預(yù)加熱，此后，熱網(wǎng)供水在熱網(wǎng)加熱器中進(jìn)一步被3#抽汽加熱至要求值。由于熱網(wǎng)水在熱網(wǎng)加熱器之前先在吸收式熱泵中獲得能量，所以需要熱網(wǎng)加熱器提供的熱量變少，進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器的3#抽汽量減少。節(jié)省的抽汽可以在汽輪機(jī)中繼續(xù)膨脹做功，在供熱量保持不變的同時提高系統(tǒng)總發(fā)電量，實(shí)現(xiàn)太陽能和生物質(zhì)2種可再生能源的有機(jī)整合，從而使太陽能得到更有效的利用。當(dāng)太陽輻射不足時，可以繞開太陽能熱系統(tǒng)，生物質(zhì)機(jī)組將會單獨(dú)運(yùn)行。因此，在該集成方案中不需要用于常規(guī)單一太陽能發(fā)電系統(tǒng)的儲熱裝置。

2.3 太陽能熱系統(tǒng)參數(shù)

太陽能熱系統(tǒng)采用了Eurotrough ET-150型商用拋物槽式集熱器，其選用12個集熱器組件，循環(huán)工質(zhì)采用Therminol VP-1導(dǎo)熱油，通過導(dǎo)熱油泵升壓后送至吸收式熱泵。表3給出了鏡場的基本參數(shù)[32]。

表3 鏡場基本參數(shù)

3 評價指標(biāo)

3.1 基于熱力學(xué)第一定律的能量評價指標(biāo)

由于集成系統(tǒng)和案例機(jī)組的供熱量恒定，因此在引入太陽能之后系統(tǒng)多發(fā)的電量可視為太陽能發(fā)電。對于集成系統(tǒng)，太陽能發(fā)電量可以表示為

3.2 基于熱力學(xué)第二定律的?評價指標(biāo)

4 結(jié)果與討論

4.1 集成系統(tǒng)參數(shù)

通過EBSILON Professional軟件對集成系統(tǒng)進(jìn)行仿真，設(shè)計(jì)方案中太陽能熱系統(tǒng)的基本參數(shù)如表4所示。選擇3月21日15:00作為集成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)點(diǎn)，此時DNI為908.67W/m2，鏡場效率為52.18%。導(dǎo)熱油在集熱器中吸收熱量從 123.0℃升溫至153.0℃后用于驅(qū)動吸收式熱泵，進(jìn)入吸收式熱泵的循環(huán)冷卻水從27.5℃冷卻至25.5℃。熱網(wǎng)供水從導(dǎo)熱油和循環(huán)冷卻水中共獲得8.23MW·h的熱量，溫度從50.0℃升高至76.3℃，吸收式熱泵性能系數(shù)(coefficient of performance，COP)達(dá)到1.776。吸收式熱泵基本參數(shù)如表5所示。

表4 太陽能熱系統(tǒng)基本參數(shù)

表5 吸收式熱泵基本參數(shù)

由于采用太陽能熱系統(tǒng)在采暖季節(jié)輔助供熱，因此集成系統(tǒng)中熱網(wǎng)加熱器的參數(shù)較之前有所變化，表6列出了案例機(jī)組和集成系統(tǒng)中熱網(wǎng)加熱器的參數(shù)對比。在集成系統(tǒng)中，熱網(wǎng)供水在進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器前，先在吸收式熱泵中預(yù)熱，水溫從50.0℃升高至76.3℃。因此，進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器的3#抽汽量顯著減少，從5.56kg/s降低至2.69 kg/s，熱網(wǎng)加熱器的熱負(fù)荷降低8.23MW·h，較之前下降了53.49%。

表6 案例機(jī)組和集成系統(tǒng)中熱網(wǎng)加熱器的參數(shù)對比

4.2 能量分析

案例機(jī)組和集成系統(tǒng)的能量參數(shù)對比如表7所示。可以看出，與案例機(jī)組相比，集成系統(tǒng)在生物質(zhì)燃料量保持一致的前提下，機(jī)組性能有較大提升，集成系統(tǒng)的供熱量仍然是15.39MW·h，而凈發(fā)電量增加了5.94%，由于太陽能的引入，總能量轉(zhuǎn)換效率降低了1.52%，光電效率可達(dá)到20.06%。

表7 案例機(jī)組和集成系統(tǒng)的能量參數(shù)對比

能流圖可以清晰直觀地表示系統(tǒng)中能量的流動，案例機(jī)組、集成系統(tǒng)能量流動分別如圖3、4所示。由于生物質(zhì)的能量輸入固定，將其設(shè)定為基準(zhǔn)值100%。此外，集成前后的熱網(wǎng)回水與熱網(wǎng)供水的流量和溫度均不變，所以供熱量保持恒定。相比于案例機(jī)組僅通過3#抽汽在熱網(wǎng)加熱器中加熱熱網(wǎng)水的設(shè)計(jì)，在集成系統(tǒng)中，通過吸收式熱泵和熱網(wǎng)加熱器2個步驟來實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)水加熱。導(dǎo)熱油從太陽輻射中獲得4.63MW·h的能量，并利用該能量來驅(qū)動吸收式熱泵，循環(huán)冷卻水作為低位熱源，在吸收式熱泵中釋放出3.60MW·h的能量。因此，熱網(wǎng)供水在吸收式熱泵中共吸收8.23MW·h的熱量，則在熱網(wǎng)加熱器中吸收的能量減少8.23MW·h，使所需3#抽汽量減少2.87kg/s。于是，在供熱量保持不變的條件下，總發(fā)電量提高2.02MW·h，凈發(fā)電量提高1.78 MW·h。

圖3 案例機(jī)組能量流動

圖4 集成系統(tǒng)能量流動

4.3 ?分析

為進(jìn)一步探討集成方案導(dǎo)致機(jī)組性能提升的根本原因，對案例機(jī)組和集成系統(tǒng)進(jìn)行了?分析，結(jié)果列于表8。集成前后，生物質(zhì)燃料輸入?保持恒定(視為100%)，生物質(zhì)鍋爐?損不變。8.25 MW·h的太陽能?被輸入集成系統(tǒng)，排汽量隨著供熱抽汽量的減少而增加，汽輪機(jī)、凝汽器與發(fā)電機(jī)的?損均有所增加。此外，由于太陽能熱系統(tǒng)的輔助加熱，熱網(wǎng)加熱器的?損減少1.76 MW·h，太陽能熱系統(tǒng)的?損為7.34MW·h?？偟膩砜?，整個系統(tǒng)的?損增加了6.48MW·h。同時，總輸出?提高了1.78MW·h。盡管總?效率下降了0.22%，但是光電轉(zhuǎn)換?效率可以達(dá)到21.60%。

表8 案例機(jī)組與集成系統(tǒng)的?參數(shù)

4.4 敏感性分析

案例機(jī)組位于中國寧夏回族自治區(qū)銀川市(38.5°N，106.2°E，1111m)，當(dāng)?shù)貫闇貛Т箨懶詺夂?，緯度適中，地勢較高，太陽輻射強(qiáng)，是全國日照資源豐富地區(qū)。銀川典型年供熱季氣象數(shù)據(jù)如圖5、6所示。供熱季總DNI為695.46kW·h/m2，供熱期太陽輻照持續(xù)時間為1106 h，3月的太陽輻照相對更為有利，DNI最大可達(dá)1001.00W/m2。

圖5 典型年供熱季環(huán)境溫度分布

圖6 典型年供熱季DNI分布

圖7為典型年供熱季月總DNI分布，可見12月份太陽輻照條件最差，月總DNI為129 kW·h/m2；3月份太陽輻照條件最好，月總DNI為154kW·h/m2，相比于12月份提高了19.38%。

圖7 典型年供熱季月總DNI分布

選擇11月21日、12月21日、1月21日、2月21日和3月21日為典型日，圖8、9分別為典型日的DNI分布與鏡場效率變化。由圖8可見，3月21日太陽輻照條件最好，日照時間長達(dá)11h，最大DNI為944.12 W/m2。而12月21日的太陽輻照條件最差，日照時間僅為9 h，最大DNI為821.02 W/m2。此外，由于受太陽入射角的影響，雖然DNI通常在北京時間13:00左右達(dá)到峰值，但鏡場效率一般在09:00—10:00或16:00—17:00更高，這也導(dǎo)致太陽能熱系統(tǒng)在相應(yīng)時間擁有更多的有效能，如圖10所示。

圖8 典型日DNI分布

圖9 典型日鏡場效率

圖10 典型日太陽有效能

圖11、12分別為典型日太陽能發(fā)電量及光電效率，可見集成系統(tǒng)在09:00—10:00或16:00—17:00達(dá)到一天中的最高性能。在3月21日可以產(chǎn)生最多的太陽能發(fā)電量，達(dá)到17.25 MW·h，是12月21日(5.72MW·h)的3.02倍；并具有最高的光電效率(將近24%)，日均光電效率可達(dá)到19.89%。但是，在12月21日的最高光電效率僅為15.01%，日均光電效率僅為9.86%。

圖11 典型日太陽能發(fā)電量

圖12 典型日光電效率

基于圖5—7所示的典型年供熱期氣象數(shù)據(jù)，對集成系統(tǒng)的月性能進(jìn)行評估，結(jié)果如圖13所示?？梢?，月總太陽能發(fā)電量與月均光電效率呈現(xiàn)相同的變化趨勢。3月份太陽輻照條件良好，太陽能發(fā)電量相對充足，采用太陽能熱系統(tǒng)后發(fā)電量增加了327.01MW·h，月均光電效率高達(dá)21.65%。12月份太陽輻照條件最差，太陽能發(fā)電量較少，采用太陽能熱系統(tǒng)后發(fā)電量增加了158.03 MW·h，月均光電效率僅為12.49%。在整個供暖季，太陽能發(fā)電總量可達(dá)1 124.30 MW·h，供熱季平均光電效率為16.49%。

圖13 典型年供熱期太陽能熱系統(tǒng)月性能

5 非供熱期運(yùn)行情況

當(dāng)?shù)胤枪崞跒槊磕甑?月1日至10月31日，吸收式熱泵和熱網(wǎng)加熱器停止工作，該系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的太陽能輔助加熱給水的純凝發(fā)電模式運(yùn)行。此時，導(dǎo)熱油進(jìn)入給水加熱器，將一部分給水加熱至RH1出口水溫。因此，1#和2#抽汽減少，節(jié)省的抽汽可以在汽輪機(jī)中繼續(xù)膨脹做功，總發(fā)電量得以增加。非供熱期運(yùn)行系統(tǒng)示意圖如圖14所示。

對典型氣象年非供熱期性能進(jìn)行評估，其月性能分析結(jié)果如圖15所示?？梢?，在非供熱期，系統(tǒng)性能最好的是5月份，采用太陽能熱系統(tǒng)后發(fā)電量增加了190.80MW·h，月均光電效率為10.63%。綜合整個非供熱期來看，太陽能發(fā)電總量可達(dá)到995.87MW·h，平均光電效率為9.24%。相比于供熱期而言，非供熱期的系統(tǒng)性能較差，這與太陽入射角和導(dǎo)熱油利用溫度有關(guān)，從而也彰顯出本文所提出的供熱期太陽能輔助發(fā)電技術(shù)的優(yōu)越性。

圖14 非供熱期運(yùn)行系統(tǒng)示意圖

圖15 典型年非供熱季太陽能熱系統(tǒng)月性能

6 經(jīng)濟(jì)性分析

對上述太陽能熱系統(tǒng)開展經(jīng)濟(jì)性分析，生物質(zhì)機(jī)組部分的成本與收益在集成前后保持一致。新增收入為太陽能輔助發(fā)電帶來的效益，新增支出包括初始投資和運(yùn)維成本。其中，增加的設(shè)備主要有太陽能集熱器、吸收式熱泵、給水加熱器。集熱器總面積為10368m2，總占地面積近似為集熱器總面積的3.5倍[37]。本文所采用的主要經(jīng)濟(jì)性參數(shù)[38]見表9。

表9 太陽能熱系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性參數(shù)

根據(jù)以上計(jì)算，太陽能熱系統(tǒng)的總初始投資為1997.90萬元，其中，太陽能集熱器投資為1 451.52萬元，占總投資的72.65%。全年共新增發(fā)電量2120.17MW·h，可帶來254.42萬元的額外效益，動態(tài)投資回收期為12.3a。

7 結(jié)論

針對槽式太陽能輔助生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)搭建熱力學(xué)模型，在供熱季內(nèi)選擇11月21日、12月21日、1月21日、2月21日、3月21日作為典型日進(jìn)行逐時仿真，并進(jìn)行熱力學(xué)和敏感性分析以探討集成系統(tǒng)的性能。利用太陽能加熱導(dǎo)熱油作為高位熱源，驅(qū)動吸收式熱泵預(yù)加熱熱網(wǎng)供水，節(jié)省汽輪機(jī)采暖抽汽以增加凈發(fā)電量。主要結(jié)論如下：

1）系統(tǒng)集成后，盡管生物質(zhì)燃料量和供熱量保持不變，但在設(shè)計(jì)工況下可產(chǎn)生1.78MW·h的太陽能發(fā)電量，光電效率為20.06%，光電轉(zhuǎn)換?效率達(dá)到21.60%。

2）光電效率與太陽能發(fā)電量有相似的變化規(guī)律，在09:00—10:00或16:00—17:00時段系統(tǒng)性能最佳，5個典型日的日太陽能發(fā)電量為5.72～ 17.25MW·h。

3）通過敏感性分析，供熱季5個月的月總太陽能發(fā)電量為158.03～327.01MW·h，集成系統(tǒng)在供熱季產(chǎn)生太陽能發(fā)電量共計(jì)1124.30MW·h，平均光電效率為16.49%。

4）該系統(tǒng)在非供熱季采用太陽能輔助加熱給水的純凝發(fā)電模式運(yùn)行，太陽能發(fā)電總量可達(dá)到995.87MW·h，平均光電效率為9.24%。

5）太陽能熱系統(tǒng)的總初始投資為1997.90萬元，每年可帶來254.42萬元的額外效益，動態(tài)投資回收期為12.3a。

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Thermodynamic Performance Analysis of a Parabolic Trough Solar-assisted Biomass-fired Cogeneration System

XUE Kai, WANG Yihan, CHEN Heng*, XU Gang, LEI Jing

(Beijing Key Laboratory of Emission Surveillance and Control for Thermal Power Generation (North China Electric Power University), Changping District, Beijing 102206, China)

The integration of renewable energy combined heat and power system has broad application prospects in the field of regional comprehensive energy utilization. This paper proposed a parabolic trough solar-assisted biomass-fired cogeneration system. The system uses medium and low temperature trough solar energy to heat the thermal oil that drives the absorption heat pump to preheat the supply-water, while the biomass fuel and heat output keep constant. The extraction steam for heating is decreased while power generation is increased. The EBSILON professional software was used to model and simulate the case plant and integrated system, and on this basis, the thermodynamic characteristics of energy flow and exergy loss of the system were analyzed. The results show that, under the design conditions, 1.78MW·h of solar power can be generated, the solar-to-electricity efficiency is 20.06%, and the solar-to-electricity exergy efficiency can reach 21.60%. Five typical days were selected to explore the performance under different radiation conditions. We found that the solar radiation and system performance on March 21st are both the best. A time-by-hour simulation analysis was conducted for the entire heating season. A total of 1124.30MW·h of solar power is produced in the five-month heating period with an average solar-to-electricity efficiency of 16.49%.

trough solar energy; biomass-fired cogeneration; absorption heat pump; system integration; thermodynamic analysis

10.12096/j.2096-4528.pgt.21044

TK 519

2021-04-27。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51806062)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)(2020MS006)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51806062); Fundamental Research Funds for the Central Universities (2020MS006).

(責(zé)任編輯 尚彩娟)