基于不同面積比例的屋頂光伏光熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 茹,王海云,范添圓,張勝楠

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，烏魯木齊 830047)

能源危機(jī)和環(huán)境污染等問題日益嚴(yán)重，太陽能因?yàn)榍鍧崯o污染且分布普遍而受到越來越多的關(guān)注[1]。隨著光伏發(fā)電技術(shù)的不斷完善，光伏系統(tǒng)開始與建筑屋頂相結(jié)合[2]，該系統(tǒng)不占用額外場(chǎng)地，可以做到自發(fā)自用、余電上網(wǎng)。在進(jìn)行發(fā)電的同時(shí)，也可利用太陽能發(fā)熱，就近為用戶提供熱水，節(jié)能效益尤為明顯。在高校校園中，建筑能耗節(jié)能率為16%～58%，高校建筑能耗的節(jié)能有很大潛力[3]；在校大學(xué)生的能耗值是社會(huì)普通人員的4倍，學(xué)生宿舍人員密度高、用能時(shí)間長，已成為校園建筑能耗的主體[4]。結(jié)合校園建筑的特點(diǎn)，將屋頂光伏光熱系統(tǒng)引入到校園建筑的節(jié)能建設(shè)中，對(duì)降低能耗、推廣綠色新能源應(yīng)用和建設(shè)綠色低碳型校園等具有重要意義。

目前對(duì)利用太陽能的相關(guān)研究主要集中于與建筑相結(jié)合，Li等[5]提出將太陽能光伏發(fā)電與建筑有機(jī)結(jié)合，在利用太陽能光伏發(fā)電的同時(shí)有效利用建筑的外部結(jié)構(gòu)，最大限度地合理利用資源，從而降低能耗；隨著光伏發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，光伏組件與建筑相結(jié)合的形式也越來越多，如光伏幕墻[6]、光伏窗[7]、光伏屋頂[8]等。上述研究都是與建材結(jié)合，直接構(gòu)成建筑的一部分，但針對(duì)已建成的建筑，將光伏組件與建筑結(jié)合會(huì)破壞原有建筑的既有結(jié)構(gòu)，增大投資成本；因此對(duì)已建成的建筑，可在屋頂單獨(dú)安裝光伏組件，在不改變建筑結(jié)構(gòu)和外觀的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)發(fā)電。除光伏發(fā)電技術(shù)外，太陽能集熱技術(shù)在中國已較為成熟[9]，光熱技術(shù)將太陽能直接轉(zhuǎn)化為熱能，但集熱器主要依賴于輻照量，為改善集熱器在陰雨天、輻照量低情況下的制熱局限性，王林等[10]提出太陽能輔助式新型熱泵系統(tǒng)，將太陽能熱泵單元和空氣源熱泵單元互補(bǔ)協(xié)同運(yùn)行，有效解決傳統(tǒng)太陽能集熱系統(tǒng)所存在的間歇性問題，提高太陽能和空氣能的利用效率。光電光熱技術(shù)的綜合利用有利于熱、電網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同運(yùn)作，充分發(fā)揮系統(tǒng)內(nèi)多種能源互補(bǔ)的優(yōu)勢(shì)。李莉莉等[11]提出光伏光熱一體化系統(tǒng)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)光電利用和光熱利用，從而提高太陽能的綜合利用效率，但系統(tǒng)對(duì)組件材料要求較高且后期維護(hù)困難；王改葉[12]通過實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，對(duì)高校建筑光伏發(fā)電和太陽能熱水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，得出在系統(tǒng)壽命周期內(nèi)二氧化碳減排量約3.8 kt，但以上系統(tǒng)光伏和光熱系統(tǒng)是分別安裝在校園不同建筑上，無法獨(dú)立滿足一棟建筑的電和熱水需求。

在不改變?cè)薪ㄖ幕A(chǔ)上，現(xiàn)將光伏發(fā)電系統(tǒng)與空氣源熱泵輔助式太陽能集熱系統(tǒng)相結(jié)合，在高校建筑的屋頂上設(shè)計(jì)以太陽能為主要能源的光伏光熱系統(tǒng)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)供電、供熱需求，基于改進(jìn)的鯨魚算法對(duì)系統(tǒng)的安裝比例進(jìn)行優(yōu)化分析，將光伏板和集熱器的安裝面積作為優(yōu)化變量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。以烏魯木齊某高校內(nèi)一宿舍樓為例，在屋頂安裝光伏光熱系統(tǒng)，分析光伏光熱組件的安裝比例對(duì)系統(tǒng)綜合性能的影響，以及系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)及環(huán)境效益，以期為烏魯木齊地區(qū)高校節(jié)能提供理論依據(jù)。

1 太陽能光伏光熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

太陽能光伏光熱系統(tǒng)包括光伏發(fā)電機(jī)組、集熱器和空氣源熱泵幾個(gè)部分。輸入的能量包括太陽能發(fā)電、公共電網(wǎng)電力和集熱器集熱，系統(tǒng)運(yùn)行原理主要是通過太陽能發(fā)電設(shè)備進(jìn)行發(fā)電來滿足建筑的電負(fù)荷需求，太陽能集熱設(shè)備進(jìn)行集熱來實(shí)現(xiàn)建筑的生活熱水供應(yīng)，系統(tǒng)的能量流程如圖1所示。從圖1可以看出，光伏光熱系統(tǒng)由太陽能光伏發(fā)電、太陽能集熱器和空氣源熱泵組成，太陽能集熱器和光伏發(fā)電機(jī)組作為系統(tǒng)首要產(chǎn)熱、發(fā)電裝置；集熱器提供熱能Qth，以熱水的形式輸出給系統(tǒng)，若產(chǎn)生的熱量無法滿足系統(tǒng)需求，則啟動(dòng)空氣源熱泵作為補(bǔ)充供給Qa；太陽能光伏發(fā)電提供系統(tǒng)的電能Ppv，當(dāng)遇上光照強(qiáng)度不夠或者天氣原因，發(fā)電量無法滿足用戶需求時(shí)，就向電網(wǎng)購買電量Pbuy來補(bǔ)給供應(yīng)差；用戶的電負(fù)荷Pload和空氣源熱泵的耗能Pa由光伏發(fā)電和電網(wǎng)共同供給；用戶的熱負(fù)荷Qload由集熱器和空氣源熱泵供給。

圖1 系統(tǒng)能量流程圖Fig.1 System energy flow chart

1.2 系統(tǒng)模型

光伏光熱系統(tǒng)主要以太陽能為主要能量來源，輔助能源為大電網(wǎng)，盡可能減少二次能源的消耗；系統(tǒng)的設(shè)備主要有光伏組件、集熱器和空氣源熱泵。各設(shè)備的數(shù)學(xué)模型如下。

1.2.1 傾斜面太陽能輻照量

系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量和電能的大小主要由光伏板和集熱器吸收的太陽輻照量決定，傾斜面的太陽能輻照量主要由式(1)～式(4)決定[13]：

IT=Ib,T+Id,T+Ig,T

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：IT為傾斜面的太陽能輻照量；Ib,T、Id,T、Ig,T分別為直射、散射和反射輻照量；Ib、Id分別為水平面直射、散射輻照量；θ和θz分別為太陽的入射角和天頂角；ρ為地面反射率；β為組件安裝的傾斜角度；F1和F2分別為環(huán)繞太陽系數(shù)和水平亮度系數(shù)；a、b為太陽入射角的修正系數(shù)。

1.2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率[14]為

Ppv=ηpvIpvSpv

(5)

ηpv=0.15[1-0.004 5(Tpv-25)]

(6)

(7)

式中：Spv為光伏組件有效采光面積；ηpv為發(fā)電效率；Ipv為光伏組件獲得的太陽輻照量；Ta為環(huán)境溫度；TNOCT和Tpv分別為電池標(biāo)稱工作溫度和工作溫度。

1.2.3 真空管集熱系統(tǒng)

真空管集熱系統(tǒng)的集熱量[15]為

Qth=ηthIthSth

(8)

(9)

式中：Sth為集熱器有效采光面積；ηth為集熱器效率；Ith為集熱器獲得的太陽能輻照量；對(duì)于給定型號(hào)的集熱器，A、B為常量；tw為集熱器進(jìn)口水溫；ta為環(huán)境溫度；I為單位太陽輻照量。

1.2.4 空氣源熱泵系統(tǒng)

熱泵機(jī)組的供熱量為

(10)

式(10)中：Qah為小時(shí)供熱量；g為日用水量；k為安全系數(shù)；T為日工作時(shí)間；qr為熱水設(shè)計(jì)日用水量；ρr為水的密度；tr為熱水溫度；tl為冷水溫度；C為水的比熱。

2 不同面積比例的求解方法

2.1 系統(tǒng)控制策略

系統(tǒng)的控制策略如圖2所示，根據(jù)光伏板和集熱器的安裝面積來計(jì)算得出系統(tǒng)的發(fā)電量和集熱量。當(dāng)集熱器產(chǎn)生的熱量無法滿足建筑需求時(shí)，開啟空氣源熱泵來補(bǔ)充供給；當(dāng)光伏發(fā)電量無法滿足電負(fù)荷需求時(shí)，向電網(wǎng)購買電量來補(bǔ)充供應(yīng)差，達(dá)到電、熱負(fù)荷的供需平衡。若光伏組件和集熱器安裝比例不合理，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大量電和熱的浪費(fèi)，造成經(jīng)濟(jì)損失，所以影響系統(tǒng)發(fā)電量和集熱量的主要因素是組件的安裝面積比例。

圖2 系統(tǒng)運(yùn)行的控制策略Fig.2 Control strategy for system operation

所研究的太陽能光伏光熱系統(tǒng)在保證系統(tǒng)安全運(yùn)行的前提下，借助光電、光熱設(shè)備實(shí)現(xiàn)太陽能資源的最大化利用。針對(duì)已建成建筑，其屋頂?shù)目衫妹娣e是固定的，所以組件的安裝面積有限；為了兼顧綠色和節(jié)能的原則，有必要合理分配組件的安裝面積。

2.2 求解方法

在求解過程中，采用優(yōu)化算法進(jìn)行求解，算法由最基本的粒子群算法、遺傳算法等向新開發(fā)的算法轉(zhuǎn)化，例如，蟻群算法、鯨魚算法等，為目標(biāo)的優(yōu)化提供了快速的尋優(yōu)方法[16]。兩個(gè)優(yōu)化變量Spv和Sth涉及尋優(yōu)過程，相較于粒子群、遺傳算法等元啟發(fā)式算法，鯨魚優(yōu)化算法(whale optimization algorithm,WOA)[17]在求解精度和收斂速度上具有明顯優(yōu)勢(shì)，且具有參數(shù)設(shè)置少、尋優(yōu)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。但WOA無法平衡好局部和全局搜索能力，在迭代后期會(huì)造成多樣性喪失，導(dǎo)致收斂能力不足。故采取改進(jìn)的鯨魚算法[18]進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，在選擇個(gè)體時(shí)，可以利用擴(kuò)充濾子集的方式，以日運(yùn)行費(fèi)用作為目標(biāo)函數(shù)，盡可能多地利用太陽能進(jìn)行發(fā)電和集熱，通過調(diào)節(jié)光伏組件和集熱器的安裝面積來控制發(fā)電量和集熱量的大小，以滿足建筑的電、熱負(fù)荷需求，盡可能少地向電網(wǎng)購電，使系統(tǒng)的日運(yùn)行費(fèi)用最低。

2.3 算法模型

2.3.1 目標(biāo)函數(shù)

設(shè)Cpv、Cth分別為單位電量與熱水的售價(jià)，則最終收益的計(jì)算公式為

(11)

式(11)中：Cpv為單位電量的售價(jià)；Cth為單位熱水的售價(jià)；Ppv,t為t時(shí)刻光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電量；Qth,t為t時(shí)刻集熱系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量；Pbuy為購電量；Cbuy為市電價(jià)格；要實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大，應(yīng)盡可能多地利用太陽能。

2.3.2 約束條件

功率平衡是微網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提，其功率約束條件為

(12)

式(12)中：Pbuy,t為t時(shí)刻購電量；Pload,t為t時(shí)刻用戶負(fù)荷功率；Pah,t為t時(shí)刻空氣源熱泵消耗的功率。

(13)

式(13)中：Qah,t為t時(shí)刻空氣源熱泵產(chǎn)生的熱量；Qload,t為t時(shí)刻用戶所需熱量。

光伏組件和集熱器安裝在建筑物屋頂，其面積受建筑屋頂?shù)拿娣e約束：

Spv_min≤Spv≤Spv_max

(14)

Sth_min≤Sth≤Sth_max

(15)

Seff_min≤Sth+Spv≤Seff_max

(16)

式中：Spv_min為光伏組件實(shí)際可用最小面積；Spv_max為光伏組件實(shí)際可用最大面積；Sth_min為集熱器實(shí)際可用最小面積；Sth_max為集熱器實(shí)際可用最大面積；Seff_min為屋頂實(shí)際可用最小有效面積；Seff_max為屋頂實(shí)際可用最大有效面積。

3 算例分析

3.1 算例條件

為驗(yàn)證所提模型的正確性，找出系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。選取烏魯木齊某高校的一棟宿舍樓為研究對(duì)象，光伏發(fā)電機(jī)組和太陽能集熱器安裝在樓頂，該建筑物樓頂周圍無高大建筑物遮擋，屋頂表面平坦，有一天井，考慮到遮擋問題，組件實(shí)際可用的有效面積為956 m2。結(jié)合烏魯木齊地理信息和氣象數(shù)據(jù)，借助PVsyst軟件進(jìn)行分析計(jì)算，設(shè)置光伏組件的安裝傾角為36°，集熱器為35.2°[19]。

宿舍內(nèi)部用電設(shè)備情況如表1所示，公共活動(dòng)室、值班室、配電室等房間用燈的功率約為6 kW，應(yīng)急設(shè)備照明和疏散指示燈的功率共10 kW，所以整棟宿舍樓的負(fù)荷約210 kW。綜合家電正常同時(shí)使用情況及使用系數(shù)，整棟宿舍樓的負(fù)荷為126～147 kW。

表1 宿舍內(nèi)部設(shè)備功率Table 1 Equipment power inside the dormitory

建筑共6層，宿舍內(nèi)部是由120間學(xué)生宿舍(每間宿舍4人)、公共活動(dòng)室、值班室、公共走廊、樓梯間等組成。規(guī)定固定的熱水使用時(shí)間，其時(shí)間段為8:00—22:00，共計(jì)14 h。根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》熱水用水定額[15]，集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)的小時(shí)耗熱量為

(17)

式(17)中：Qload為小時(shí)耗熱量；q為衛(wèi)生器具熱水小時(shí)用水定額；n為衛(wèi)生器具數(shù)，共120個(gè)；b為同時(shí)給水百分?jǐn)?shù)，70%～100%；tr為熱水溫度，取值55 ℃；tl為冷水溫度，取值8 ℃；C為水的比熱。計(jì)算得出該系統(tǒng)的小時(shí)供熱量為3 471.36 MJ/h。

3.2 不同面積比例下的結(jié)果

將太陽能光伏光熱系統(tǒng)應(yīng)用于該建筑，由上述數(shù)據(jù)和公式得到優(yōu)化結(jié)果。制約系統(tǒng)發(fā)電量和集熱量的主要因素是光伏組件和集熱器安裝面積，建筑的電、熱負(fù)荷和最大安裝面積會(huì)對(duì)組件的安裝比例造成影響。

通過對(duì)算例結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，光伏板的最優(yōu)安裝面積為500 m2，日發(fā)電量為351.69 kW；集熱器的最佳安裝面積為456 m2，日集熱量為3 502.72 MJ；光伏組件和集熱器不同安裝面積下的日運(yùn)行收益如圖3所示，在達(dá)到最優(yōu)比例的情況下，系統(tǒng)日運(yùn)行最高可獲益82.44元。

圖3 光伏組件和集熱器不同面積時(shí)所對(duì)應(yīng)的日運(yùn)行收益Fig.3 Daily operating income corresponding to different areas of photovoltaic modules and collectors

兩種負(fù)荷的優(yōu)化過程曲線如圖4所示。從圖4中可知，光伏組件的發(fā)電量和集熱器的集熱量隨著太陽輻照量的增加而增加；在1：00—7：00、20：00—24：00這兩個(gè)時(shí)間段，光照強(qiáng)度極弱，無法依靠太陽能提供電和熱，大大依賴電網(wǎng)和空氣源熱泵；此外，購電量和購熱量出現(xiàn)了負(fù)值，說明此時(shí)系統(tǒng)提供的能量大于用戶的需求，但出現(xiàn)的時(shí)間較短、電量及熱量較小，可忽略不計(jì)；集熱器提供的熱量與空氣源熱泵提供的熱量之和剛好與用戶的耗熱量相等；光伏提供的電量與從電網(wǎng)購入的電量剛好滿足用戶全天的負(fù)荷以及熱泵補(bǔ)充供給熱水所消耗的電量。

3.3 效益分析

3.3.1 光伏系統(tǒng)的效益分析

系統(tǒng)成本主要包括兩部分：系統(tǒng)投資成本和系統(tǒng)運(yùn)維成本，如表2所示。光伏發(fā)電系統(tǒng)的壽命周期為25 a，集熱系統(tǒng)的壽命周期為15 a。

光伏發(fā)電系統(tǒng)出全年平均發(fā)電量為128.4 MWh，再根據(jù)光伏系統(tǒng)在全壽命周期內(nèi)衰減不超過20%來計(jì)算每年的發(fā)電量及收益。目前國家對(duì)烏魯木齊地區(qū)自發(fā)自用、余電上網(wǎng)模式的電價(jià)補(bǔ)貼為0.42元/kWh，則自用電收益為0.9元/kWh(用電價(jià)格均以0.48元/kWh計(jì)算)。

圖4 日耗電耗熱量變化曲線圖Fig.4 Daily power consumption and heat consumption change curve

表2 系統(tǒng)成本Table 2 System cost

系統(tǒng)25 a的經(jīng)濟(jì)效益如表3所示，根據(jù)表3可得出太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)的總發(fā)電量為2 834.5 MWh，總收益為255.11萬元，總成本為81.6萬元，計(jì)算出凈收益為173.51萬元，且系統(tǒng)成本大約在7.29 a可以收回。

光伏發(fā)電過程中不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體和有害氣體，環(huán)境效益明顯。光伏建筑每發(fā)一度電相當(dāng)于少排放二氧化碳519 g[12]，則太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)25 a內(nèi)可減少二氧化碳排放量為1 471.11 t。

3.3.2 太陽能熱水系統(tǒng)的效益分析

太陽能集熱系統(tǒng)一年可以節(jié)約的能量為1.3×109kJ。1 kW/h電能轉(zhuǎn)化為熱能為3 600 kJ，每千瓦時(shí)電價(jià)為0.48元，則一年太陽能集熱系統(tǒng)可以節(jié)約17.05萬元，太陽能集熱系統(tǒng)的總成本為77.74萬元，全壽命周期內(nèi)可以節(jié)約255.75萬元。

太陽能熱水系統(tǒng)的不僅節(jié)約常規(guī)能源，而且減少了污染物(主要為二氧化碳)的排放量。

(18)

式(18)中：QCO2為系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)二氧化碳減排量；W為標(biāo)準(zhǔn)熱媒值，29.308 MJ/kg；Eff為常規(guī)能源水加熱裝置效率；n為系統(tǒng)壽命；F0為碳排放因子，如表4所示。

表4 碳排放因子Table 4 Carbon emission factor

上述系統(tǒng)在太陽能熱水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了空氣源熱泵輔助，因此初始投資要大于常規(guī)系統(tǒng)，但后期運(yùn)行費(fèi)用明顯低于簡單的太陽能熱水系統(tǒng)。該項(xiàng)目的熱水系統(tǒng)輔助能源為電，系統(tǒng)壽命周期內(nèi)二氧化碳減排量為2 597.18 t，集熱系統(tǒng)的回收期為4.56 a。

4 結(jié)論

構(gòu)建了一種耦合空氣源熱泵的屋頂太陽能光伏光熱綜合利用系統(tǒng)，基于用戶的熱電負(fù)荷特征，以日運(yùn)行費(fèi)用為優(yōu)化目標(biāo)建立優(yōu)化模型，對(duì)光伏組件和集熱器的安裝面積進(jìn)行優(yōu)化。以烏魯木齊市一高校宿舍樓為例搭建所提系統(tǒng)，從環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)進(jìn)行效益分析。得到以下結(jié)論。

(1)分析得出組件的安裝面積影響系統(tǒng)的發(fā)電量和集熱量。

(2)耦合空氣源熱泵的集熱系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)太陽能集熱系統(tǒng)所存在間歇性問題，提高了太陽能和空氣能利用效率以及保證全天候制熱要求。

(3)優(yōu)化后得到的光伏光熱系統(tǒng)可在使用壽命年限內(nèi)收回初投資。

(4)相較于以純電的方式消納太陽能，熱電綜合利用的形式更加提高了太陽能的利用水平，節(jié)能減排效果顯著，具有較好的綜合效益。

(5)通過算例分析驗(yàn)證了所提模型的有效性和正確性，為烏魯木齊高校的太陽能光伏光熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。