《2023长沙地区太阳能光伏光热复合家用热水系统经》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2023长沙地区太阳能光伏光热复合家用热水系统经（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、长沙地区太阳能光伏/光热复合家用热水系统经济性分析1. 引言太阳能集热热水器拥有很长的应用和研究历史，然而能同时产生电能和热能的太阳能光伏/光热复合集热系统(简称 PV/T 系统)直到近 30 年1才被提出并引起诸多研究者的关注2-4。太阳能光伏/光热复合集热器(简称 PV/T 集热器)为 PV/T 系统的核心部件，它将太阳能集热组件与光伏组件合二为一，能同时产生电能和热能并提高太阳能的利用率。目前国内外对 PV/T 热水系统的经济性研究主要包括：文献5 采用电子表格的方法分析太阳能热水系统的寿命周期、寿命周期成本。文献6根据印度的气象数据对主动式和被动式 PV/T 太阳能蒸发器进行经济性分析
2、。文献7根据希腊的气象数据对 PV/T 系统的单位面积投资成本、投资回收期等方面进行分析，得出多晶硅 PV/T 系统的投资回收期小于 10 a。文献8运用SimaPro 5.1 软件，用生命周期法分析不同温度下的投资回收期，得出 PV/T 系统的投资成本效益高。以上的经济性研究不足之处均是对集热器的年产热量或者发电量进行估算，以此计算太阳能集热器年收益值。本文在动态系统模拟软件 TRNSYS (Transient System Simulation Program) 9的平台上建立太阳能光伏/光热复合家用热水系统模型，对全年发电和产热量进行全年逐时模拟，并进行经济性评价，为我国太 阳能光伏/光
3、热复合家用热水系统的应用提供参考。2. 系统模型本文建立的太阳能光伏/光热复合家用热水系统为典型的家庭热水系统，如图 1 所示，包括 PV/T 复合集热器(光伏电池组、管板式热水通道)、保温水箱、上下循环管，蓄电池、控制器和逆变器等部件。用热水人数为 4 人，24 小时供生活热水，生活热水的使用水温为 40 10，日热水用水量小时变化与家庭成员结构、作息规律、生活习惯等因素有关，热水用水量小时变化曲线如图 2 所示11，若生活热水的出水温度达不到使用要求，则开启辅助电加热器进行补偿。光伏组件发电不并网，光伏组件的采光面积依据满足热水需求的设计采光面积而定，配备蓄电池，用于日常家用电器供电，不足
4、部分由市电供给。根据中国标准气象数据12，以长沙地区为例经过计算10，太阳能集热器采光面积取 2 m2，外形尺寸为Figure 1. Schematic of PV/T hybrid domestic hot water system图 1. PV/T 复合家用热水系统示意图25热水平均小时流 （L/h）201510500 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24Figure 2. Daily change curve of hot water consump- tion图 2. 日热水用水量小时变化曲线时刻（h）2000 1000 mm2，2 台集热器并联。光伏组件采用
5、多晶硅电池片，单片面积为 156 156 mm2，72 片(6 12)，单台集热器的电池有效采光面积为 1.752 m2，最大功率为 250 w。水箱容积取 200 L，辅助电功率为1500 W。PV/T 复合家用热水系统模型在 TRNSYS 中的模块连接示意图如图 3，主要包括 PV/T 复合集热器模块、气象数据处理模块 Type15-3、用于参数计算的运算器、能量计算的积分模块 Type24、保温水箱 Type4c、温控分流及合流三通 Type11、控制模块 Type2b、循环泵模块 Type3b 和用水模式 Type14b，其中 PV/T 复合集热器模块为 TRNSYS 自编模块，其数学
6、模型及其计算流程见文献13所示。气象数据处理模块Type15-3 采用的气象数据来自于 EnergyPlus 14根据中国标准气象数据12整理成的数据格式，输出长沙地区冷水月平均温度和月总辐射分布如图 4。3. 经济性分析3.1. 系统能耗分析太阳能光伏/光热复合家用热水系统的能耗主要包括全年辅助电加热能耗和循环泵能耗，能量收益包括全年热水产热量和发电量。通过模拟计算，系统运行 1 a 的热水产热量为 1296 KWh，电辅助加热耗热Figure 3. TRNSYS information flow diagram for the PV/T hybrid do- mestic hot wate
7、r system图 3. PV/T 复合家用热水系统的 TRNSYS 模块连接示意图月均水温月总辐射30600月总辐射 (MJ/m2)25500月均水温 ()2040015300102005100001 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12时间 (月)Figure 4. Mean monthly temperature of cold water and total radiation图 4. 冷水月平均温度和月总辐射量为 1361 KWh，发电量为 292 KWh，循环水泵功耗为 24 KWh，热水需热量为 2411 KWh。图 5 为产热量、电辅助耗热量、发电量和热水需热量的月
8、平均值。由图 5 得出，系统热水产热量月均值最大值出现在 7 月份，热水需热量最小值的月份同时也是 7 月，7 月电辅助能耗值最小，12 月至 3 月电辅助能耗相对较大，系统全年使用热水的太阳能保证率约为 0.44。3.2. 综合能源价格现值综合能源价格是一个将初投资考虑在内的全面反映经济分析对象相对于提供单位能量所需费用的参数。基于李军15提出的太阳能热水器综合能源价格现值的表达式，本文研究的太阳能光伏/光热复合家产热量 热水需热量 电辅助耗热量 发电量300能耗（产能） /KWh250200内部收益率为净现值为零时的折现率，是所有的经济评价指标中最重要的评价指标之一，被认为是1501005
9、00123456789101112Figure 5. Monthly average energy consumption and power genera- tion of the system图 5. 系统各项能耗及发电量月平均值时间 /月用热水系统的寿命周期内综合能源价格现值可以表示为：(aunV +Et+ E - Epvt)P (1+ d )t(1+ i )tp0ntM =t =1 Ett =1(1)tt式中，M综合能源价格现值，元/KWh；V将安装等费用计入的热水系统初投资，元/台；t计算年数，a；n热水器寿命周期，a； Eau 、 Ep 和 Epvt 第 t 年电辅助加热耗热量、循
10、环泵功耗和发电量，KWh/a； P0 第 0 年电价，元/KWh；i基准折现率。系统的寿命取值为 20 a，系统设备投资成本如表 1 所示，其中蓄电池寿命为 5 a，每年用于与太阳能热水系统有关的维修费用(包括太阳集热器维护、集热系统管道维护和保温等费用)占总增投资的百分率取0.5%，安装费用约占设备费用的 4.5%，基准折现率取 10%。电价年上涨率分别取 1%和 3%，不考虑阶梯电价，假设第 0 年电价为市电价格 0.6 元/KWh。图6 为光伏/光热复合家用热水系统全生命周期的初投资费用现值，可得出当电价年上涨率分别取 1% 和 3%时，系统运行 20 a 的投资费用现值分别为 1.31
11、6 万元和 1.413 万元，由 TRNSYS 模拟计算所得系统运行 20 a 所需热水加热量为 48,223 KWh，由此得出系统的寿命周期内综合能源价格现值分别为 0.273 元/KWh 和 0.293 元/KWh。3.3. 动态投资回收期太阳能光伏/光热复合家用热水系统设计使用寿命为 20 a，为了克服静态投资回收期未考虑资金时间价值的缺点，PV/T 系统的动态投资回收期方程为：p-tT *(CI - CO)t (1+ i ) = 0(2)t =0式中， T * 动态投资回收期； CI 、CO 第t 年的现金流入、流出额；i基准折现率；t计算ptt年数，a；n热水器有效使用年限，a。以电
12、价增长率 d = 3%为例，动态投资回收期计算表如表 2 所示，寿命周期内各年净现金累积折现值如图 7，可得出当电价年上涨率分别取 1%和 3%时，动态投资回收期分别为 13.2 a 和 11.06 a。3.4. 内部收益率104项目投资的盈利率， PV/T 系统的内部收益率为：tIRR = n (CI - CO) (1+ IRR)-t(3)t =0式中， IRR 内部收益率；其他符号同式(2)。根据现金流量计算表，可得出当电价年上涨率分别取 1%和 3%时，寿命周期内太阳能光伏/光热复合家用热水系统的内部收益率分别 12.8%和 15.4%。3.5. 敏感性分析通过改变电价的年增长率和基准折
13、现率，对太阳能光伏/光热复合家用热水系统进行全生命周期内综合能源价格、动态回周期和内部收益率进行敏感性分析，结果如表 3 所示。表 3 结果表明，当电价增长率变化范围为 0%10%，电价增长率对太阳能光伏/光热复合家用热水系统的经济性影响较大，当能源紧张，电价持续上涨时，电价增长率对内部收益率影响很大，内部收益率与电价上涨率正相关，随着电价上涨率增加而趋于上涨，同时，项目的动态投资回收期随着电价增长率增加而缩短，使项目取得较好的收益。基准折现率不影响内部收益率，但是会对投资回收期影响较大，当基准折现率变化范围为 0%15%， 项目的投资动态回收期变化范围为 7.6916.04 a，在项目的寿命
14、周期之内。综合能源价格现值在寿命周期内随基准折现率与电价增长率变化比较小，在分析范围之内均保持较低，小于 0.3 元/KWh。d=1%d=3%1.51.4投资费用现值 /万元1.31.21.11.00.90.80.70.60.502468 10 12 14 16 18 20Figure 6. Present value of life cycle investment cost图 6. 寿命周期内投资费用现值时间 /年40003000净现金流累积折现值 /元200010000-1000-2000-3000-4000-5000-6000-70000246810 12 14 16 18 20d=1%d=3%时间 /年Figure 7. Cumulative discounted values of life cycle net cash flow图 7. 寿命周期内净现金流量累积折现值年份投资支出其他支出收入净现金流量折现值累积折现值Table 1. System equipment investment cost表
