菲涅尔太阳能集热器驱动的冷热电联供系统热力性能分析_王江江.pdf

第 卷第 期 年 月热能动力工程 ，收稿日期：；修订日期：基金项目：国家自然科学基金（）：（）作者简介：王江江（），男，华北电力大学教授文章编号：（）菲涅尔太阳能集热器驱动的冷热电联供系统热力性能分析王江江，陈海悦，韩泽鹏，邓洪达（华北电力大学 河北省低碳高效发电技术重点实验室，河北 保定）摘 要：为了提高冷热电联供系统的灵活性和热力学性能，将线性菲涅尔集热器、吸收式热泵、有机朗肯循环、地源热泵相结合，提出了一种基于线性菲涅尔太阳能集热器的新型冷热电联供系统。在 软件中建立了提议系统和参考系统的热力学模型，将提议冷热电联供系统和参考系统的性能进行比较，并分析了一些关键参数对系统性能的影响。结果表明：该系统在设计工况下，一次能源利用率可达到 ，太阳能发电效率为 ，热电比为；与参考系统相比，节约了一次能源 ，提高了系统满足用户负荷的灵活性；夏季辐照强度每增加 ，一次能源利用率约增加 ，太阳能发电效率增加 ；在热分配比为 时，系统一次能源利用率最大为 ；热电比随着辐照强度和热分配比的增大而减小，当热分配比增大 时，夏季系统热电比下降了，冬季热电比下降了 。关 键 词：冷热电联供系统；热电比可调；热力性能；线性菲涅尔集热器；热泵中图分类号：文献标识码：引用本文格式王江江，陈海悦，韩泽鹏，等 菲涅尔太阳能集热器驱动的冷热电联供系统热力性能分析 热能动力工程，（）：，（）：，（，：）：，（），热能动力工程 年 ，：，（），引 言冷热电联供系统因其灵活性好、效率高、可靠性强、污染少，可同时满足冷热电负荷的需求而广泛应用于全球商业和住宅建筑。传统的冷热电联供系统多以内燃机为发电子系统，用吸收式制冷机回收余热。但用天然气等化石能源作为燃料，污染环境的同时加快不可再生能源的消耗。有机朗肯循环采用低沸点的有机物作为工质回收低品位热能并产生电能，具有更强的环保性。而太阳能作为一种洁净和可再生能源，被引入到冷热电联供系统中作为低温热源，成为减轻对化石燃料依赖的一个重要解决方案。目前，国内外针对太阳能驱动的冷热电联供系统的研究较多。等人利用太阳辐照时间长的地理优势，通过太阳能集热器驱动朗肯循环发电，使得该系统能高效运行 个月，提升了系统的可靠性。陈曦等人提出了一种基于太阳能和朗肯循环的热电氢联供系统，将太阳能通过固体氧化物电解槽转化为氢气进行存储，实现能源的高效利用。郭宏伟等人将太阳能和空气源热泵相结合，研究不同气候区的系统运行性能。王恩宇等人将太阳能系统和地源热泵系统的地埋管互联，使得两个系统的储热效率均上升，可以更好地满足用户的热需求。综上所述，虽然目前太阳能驱动的冷热电系统研究较多，但大多数都是关注系统的热力学性能或对系统进行优化，而很少关注系统的灵活性。因此，本文将线性菲涅尔集热器、有机朗肯循环发电系统、吸收式热泵和地源热泵相结合，提出了一种线性菲涅尔集热器驱动的冷热电联供系统，分析了系统的热力学性能和灵活性，为太阳能与冷热电联供系统的集成提供了一种灵活性较高的结合方式。系统构建本文提出的冷热电联供系统如图 所示。系统主要包括线性菲涅尔集热器、双效吸收式热泵、有机朗肯循环和地源热泵。图中状态点 及?25，?26为导热油；?I2为有机朗肯循环工质环己烷；状态点?I3?24为水。具体工作流程如下：在太阳能子系统中，由集热器流出的高温导热油一部分进入吸收式热泵的发生器，驱动吸收式热泵制冷，剩余部分进入有机朗肯循环的蒸发器，驱动有机朗肯循环发电。有机朗肯循环子系统中，来自冷凝器的有机工质?I1被泵加压后进入换热器?I2，吸收来自透平的高温高压有机工质的热量后进入蒸发器。在蒸发器中有机工质吸收导热油的热量后又进入透平，工质的热能转化为机械能驱动发电机发电?27。由于工质在冷凝器中的过程为放热过程，因此 的自来水?20被输送到冷凝器，吸收热量后变为 生活热水?I9供用户使用。吸收式热泵子系统在夏季制冷模式下，阀门、打开，冷却塔被用来吸收冷凝器和吸收器中工质释放的热量，蒸发器吸收热量来产生 的冷冻水?I8；在冬季制热模式下，阀门、打开，通入发生器的导热油部分被传输到换热器，产生 的水作为蒸发器的低温热源?I3。的热水?I6被输送到冷凝器和吸收器，吸收热量后变为 的热水?I5供用户取暖使用。当系统吸收式热泵输出的冷量 热量不能满足用户的需求时，地源热泵消耗部分电量来驱动压缩机和泵做功，为用户提供热量?21 冷量?24。此外，为了突出系统的优越性，选取线性菲涅尔集热器、吸收式热泵和有机朗肯循环相结合的冷热电联供系统作为参考系统，与本文提出的系统相比，参考系统没有地源热泵，其余流程完全相同。第 期王江江，等：菲涅尔太阳能集热器驱动的冷热电联供系统热力性能分析图 太阳能驱动的冷热电联供系统的能流图 ，设备热力学模型 模型假设为了便于建立冷热电联供系统的数学模型，作如下假设：（）忽略各部件的散热以及部件连接管路中的压力损失；（）模拟和分析均是在稳态状况下进行；（）忽略泵功的影响，各换热单元均采取逆流换热，其传热计算采用对数平均温差法；（）认为蒸发器出口为饱和蒸汽，冷凝器出口为饱和水；吸收器和高、低压发生器出口溶液均为饱和溶液。线性菲涅尔集热器模型线性菲涅尔集热器中的工作流体为导热油，集热器的热效率是根据 的商业模型数据得到的拟合公式：（）（）根据工作流体能量平衡计算有效产热量：（）（）有效太阳辐射量：（）考虑纵向和横向上的太阳入射角投影来计算入射角修正量：（）式中：集热器热效率；、导热油进、出口温度，；环境温度，；太阳直射辐照强度，；入射角修正系数；、纵向、横向入射角修正因子；集热器面积，；导热油比定压热容，（）；有效太阳能，；集热器产热量，；导热油总质量流量，。双效吸收式热泵模型双效吸收式热泵采用溴化锂水溶液为工质。热泵的夏季性能系数 和冬季 可表示为：（夏季）（）热能动力工程 年 （）（冬季）（）（）式中：热泵蒸发器吸热量，；热泵吸收器的放热量，；热泵冷凝器的放热量，；热泵发生器的吸热量，；热泵制热量，。有机朗肯循环子系统模型有机朗肯循环子系统采用环己烷为有机工质，设置冷凝温度为，蒸发器进出口温差为。蒸发器、冷凝器和换热器的能量平衡方程为：（）（）（）（）（）式中：有机工质的质量流量，；经过有机朗肯循环的导热油的质量流量，；生活热水的热量，；导热油传递给有机朗肯循环的热量，；冷凝器的传热效率；、状态点的温度，；、状态点、?I1、?I9和?20的比焓，；状态点?20即生活热水的质量流量，。有机朗肯循环子系统的发电量为发电机产生的电量与泵所消耗电量之差，计算为：（）（）有机朗肯循环子系统的发电效率为：（）式中：有机朗肯循环的发电量，；泵消耗的电量，；发电机的发电效率；泵的电机效率；经过有机朗肯循环的导热油的质量流量，。，状态点和的焓值，。地源热泵模型地源热泵子系统包括压缩机、节流阀、蒸发器、冷凝器和热交换器。地源热泵的性能系数为：，（冬季）（），（夏季）（）式中：，地源热泵制冷量，；，地源热泵产热量，；压缩机耗电量，。评价指标为了评估所提出的冷热电联供系统的性能，将系统一次能源利用率、太阳能发电效率、一次能源节约率以及热电比作为评价指标。一次能源利用率定义为系统输出能量与输入能量之间的比值。（，）（夏季）（）（，）（冬季）（）太阳能发电效率是评价太阳能利用率的指标，可表示为：（）一次能源节约率可表示为：（）式中：参考系统所需太阳能，。冷热电联供系统的可调节性是满足可变建筑需求的基本特征。热电比定义为：，（）结果和分析 模型验证所有热力学模型均在 软件中建立，相关模型验证如下：将线性菲涅尔集热器模型与文献进行对比，对比结果如表 所示，集热器热效率相对误差均小于 ，体现了模型的可靠性。表 线性菲涅尔集热器与文献的误差 （）热效率实验值 热效率模拟值 误差 有机朗肯循环模型与文献中的实验数据对比，误差如表 所示。第 期王江江，等：菲涅尔太阳能集热器驱动的冷热电联供系统热力性能分析表 有机朗肯循环与文献的误差 状态点温度 焓值 实验值模拟值误差 实验值模拟值误差 表 显示了双效吸收式热泵与参考文献的误差。与文献的实验数据相比，误差均小于，验证了模型的准确性。表 双效吸收式热泵与文献误差 制冷量（实验值）（模拟值）误差 地源热泵的模拟值与文献中实验数据的误差如表 所示，模拟值与实验值的误差均小于。表 地源热泵与文献误差 参 数实验值模拟值误差 冬季制冷量 冬季功率 冬季吸热量 冬季 夏季制冷量夏季功率 夏季吸热量夏季 设计工况性能分析表 为系统设计参数，令导热油产热量的 分别供给吸收式热泵和有机朗肯循环子系统，有机朗肯循环子系统发电量的 供给地源热泵为设计工况。表 和表 分别为系统在夏季和冬季设计工况下的输出参数。可以看出系统在设计工况下能满足的冷、热、电负荷以及生活热水的能量分别为，和 。夏季系统的一次能源利用率为 ，冬季系统的一次能源利用率为.，太阳能发电效率为 。表 系统设计参数 子系统参数数值线性菲涅尔集热器聚光比集热器面积 工作流体 环境温度 太阳直射辐照强度 纵向太阳角（）横向太阳角（）质量流量 吸收式热泵夏季蒸发器进、出口温度 冬季蒸发器进、出口温度 夏季冷凝器进、出口温度 冬季冷凝器进、出口温度 夏季吸收器进、出口温度 冬季吸收器进、出口温度 发生器进、出口温度 地源热泵夏季蒸发器进、出口温度 冬季蒸发器进、出口温度 夏季冷凝器进、出口温度 冬季冷凝器进、出口温度 有机朗肯循环蒸发器进、出口温度 冷凝器进、出口温度 表 系统夏季设计工况输出参数 参 数数 值集热器产热量 吸收式热泵制冷量 地源热泵制冷量 有机朗肯循环发电量 生活热水量 集热器效率 吸收式热泵 地源热泵 太阳能发电效率 系统热电比系统一次能源利用率 热能动力工程 年表 系统冬季设计工况输出参数 参 数数 值吸收式热泵供热量 地源热泵供热量 有机朗肯循环发电量 生活热水量 集热器效率 吸收式热泵 地源热泵 太阳能发电效率 系统热电比系统一次能源利用率 图 是北京地区年逐时太阳直射辐照强度。在有直射辐照的 内，系统可运行时间是 ，计算得出系统的年运行效率为 。在满足相同的冷热电负荷下，参考系统所需太阳能为 ，一次能源利用率为 ，太阳能发电效率为 。与参考系统相比，提议的冷热电联供系统一次能源利用率提高了 ，太阳能发电效率提高了 ，节约了 的一次能源。综上所述，提议的冷热电联供系统有着较好的热力学和灵活性能，能够更好地满足建筑负荷需求。图 年逐时直射辐照强度 变工况性能分析 太阳辐照强度的影响图 给出了太阳辐照强度对集热器特性的影响。从图 中可以看出，当辐照强度从 上升到 时，集热器的产热量从 增加到 。这是因为随着太阳辐照强度增加，热效率从 上升至 ，集热器产热量增加。图 太阳辐照强度对线性菲涅尔集热器的影响 太阳辐照强度对吸收式热泵和有机朗肯循环子系统的影响如图 所示。图 太阳辐照强度对吸收式热泵、有机朗肯循环子系统的影响 如图（）所示，当辐照强度每增加 时，夏季冷冻水输出量平均增加 ，系统 第 期王江江，等：菲涅尔太阳能集热器驱动的冷热电联供系统热力性能分析 提高 ；冬季用户房间供热量平均增加了 。如图（）所示，当太阳辐照强度增大 时，有机朗肯循环子系统的生活热水和电力输出分别增加了 和 ，发电效率提高了 。这是由于当导热油进口温度和质量流量不变时，导热油出口温度随着辐照强度增大而升高，即驱动吸收式热泵和有机朗肯循环的热源温度升高，机组、发电效率增大，输出量增加。根据式（），在冬季部分导热油进入换热器来给蒸发器提供热量，因此冬季 保持不变且低于夏季。太阳辐照强度对系统效率的影响如图 所示。当辐照强度从 增加到 时，夏季系统热电比从 下降到 ，冬季热电比从.下降到 。系统一次能源利用率上升，太阳能发电效率增大。夏季系统一次能源利用率增加了，冬季增加了 。辐照强度增大使得集热器热效率升高，在相同集热面积和导热油质量流量下，导热油温度升高，吸收式热泵和有机朗肯循环效率增大，且有机朗肯循环效率提升更快，系统发电量增加，因此热电比随辐照强度增大而减小。图 太阳辐照强度对系统效率的影响 热分配