风热机组与太阳能热发电耦合系统的性能分析

比年来，化石动力枯窘与玷污物排放题目日趋超过。稀有据显示，在发财国度，开辟能耗占社会动力总耗损的40%以上，欧美一些发财国度乃至能够抵达52%；而在我国，开辟能耗占寰宇动力总耗损的21.11%。在人们用能延长的同时，处境玷污的题目也日趋超过。因而，节能降耗、爱护处境火烧眉毛。

做为国度鼎力推行的动力行使方法，太阳能微风能等纯洁动力在爱护生态处境、调度动力布局等方面具备特殊的优势。《新动力财产复兴和进展计划》指出，截止年，我国在纯洁动力周围的总投资将超越3万亿元；此中风能和太阳能将是他日进展的重中之重。因而，开辟行使风能和太阳能具备宽广的前程，也是节能环保的首要举措。但是，由于风能和太阳能都具备能流密度小、停止性和不稳固性等毛病，独自行使风能或太阳能在动力行使方面都存在严峻弊病。但风能和太阳能之间具备较强的互补性，白日太阳能较强而风能较弱，晚优势能又强于太阳能，因而，风能与太阳能互补行使技能是一种多能互补、经济高效的动力行使方法[1]。余华扬即是年提议了一种风能和太阳能互补发电的能量调动安装，开启了我国对风能与太阳能互补行使技能的协商[2]。对于边防哨所、游牧民区平分开、偏僻区域的供暖、供电题目而言，风能与太阳能互补行使技能具备较高的协商价格，很多学者也对此举行了洪量协商。

凭借能量梯级行使规则，本文提议了一种新式的风能与太阳能热发电互补动力行使方法——风热机组与太阳能热发电耦合系统。该耦合系统由太阳能热发电系统微风热机组[3]构成，并添加了响应的储能安装；由太阳能热发电系统形成的废热过程风热机组提升热能档次后，能够给用户供暖，增大系统动力行使率的同时，系统稳固性也获得了大幅提升。

1风热机组与太阳能热发电耦合系统的构成

风热机组与太阳能热发电耦合系统首要由风热机组和太阳能热发电系统构成，此中，风热机组包含风能搜聚系统和热泵系统，太阳能热发电系统包含太阳能搜聚系统、储热系统和发电系统。风热机组与太阳能热发电耦合系统的布局示企图如图1所示。

风热机组与太阳能热发电耦合系统的处事道理及其优势为：风能过程风力机和齿轮箱调动成板滞能后直接启动收缩机处事，将低温低压工质蒸汽收缩成高温高压的过热蒸汽。由于采纳了风力直接启动，比拟采纳风能发电而后启动收缩机处事，该耦合系统缩小了风能-电能调动枢纽，提升了动力行使效率。过程槽式太阳能集热镜场将太阳能变化成蒸汽热能，从而鞭策汽轮机发电，汽轮机出口乏汽可做为风热机组中热泵系统的低温热源，过程热泵系统将乏汽中的废热搜聚起来，提升了热能档次，从而给用户供暖。此过程既缩小了太阳能热发电系统对处境的热玷污，又能提升风热机组热泵系统的制热功用系数(COP)。

风热机组与太阳能热发电耦合系统的轮回道理如图2所示，其由太阳能启动的朗肯轮回微风能启动的逆卡诺轮回构成，此中，朗肯轮回的冷凝温度稍高于逆卡诺轮回的挥发温度，以便于终了传热。图中，T为温度，S为熵。

图2所示的轮回道理中，在太阳能启动的朗肯轮回中，7→8为轮回水泵内的绝热加压过程，轮回水泵给管内工质起伏供应动力；8→5为发电系统中工质的挥发吸热过程，太阳能将工质由不饱和状况加热到过热蒸汽状况；5→6为汽轮机内工质的绝热膨胀过程，蒸汽热能动弹为板滞能，启动汽轮机发电，工质由高温高压过饱和蒸汽变为低温低压乏汽；6→7为凝汽器内的冷却过程，轮回工质由气态冷却成饱和液态，释放冷凝热，而后冷凝热被热泵系统中的工质汲取。

在风能启动的逆卡诺轮回中，4→1为挥发器内的定温吸热过程，热泵系统中的工质汲取了来自凝汽器中的冷凝热，由不饱和液体挥发成饱和蒸汽；1→2为收缩机内弗成逆的绝热收缩过程，收缩机汲取过程风力机变化的板滞能，工质由低温低压的饱和蒸汽变为中温中压蒸汽；2→3为冷凝器的放热过程，工质由中温中压蒸汽冷凝成饱和液体，放出洪量冷凝热，从而给用户供热；3→4为膨胀阀内的节俭膨胀过程，工质由常温高压饱和液态变为低温低压湿蒸汽，节俭前、后焓值稳固[4]。

2风热机组与太阳能热发电耦合系统的模子

对风热机组与太阳能热发电耦合系统的各部件创造数学模子，凭借耦合系统的布局，需创造风能搜聚系统数学模子、热泵系统数学模子、太阳能搜聚系统数学模子、储热系统数学模子，以及发电系统数学模子；而后凭借数学模子，行使Simulink软件对上述各部件模块化建模，过程不同模块的组合建设出风热机组与太阳能热发电耦合系统的仿真平台。

2.1风能搜聚系统的数学模子

风能搜聚系统的数学模子由风力机和齿轮箱构成，风力机将风能调动成板滞能，而后过程齿轮箱将低转速的板滞能调动成高转速的轴功，启动收缩机做功。风力机的输出功率PW可提醒为：

式中，ρ为空气密度，kg/m3；A为风轮的扫拂面积，m2；v为风速，m/s；Cp为风能行使系数。风能行使系数是表征风力机调动效率的目标，其界说为风力机调动的板滞能与过程风轮扫拂面积的风能的比值[5]。风能行使系数是对于叶尖速比和桨距角的函数，用公式可提醒为：

式中，β为桨距角，(?)；λ为叶尖速比。齿轮箱的效用是将低转速的轴功调动成切合收缩机转速的高转速轴功。由于齿轮箱的加工精度等题目，一部份能量会在调动过程中被耗损掉。齿轮箱的传动效率用板滞效率提醒，本打算的板滞效率设为0.95。齿轮箱的输出功率Pg可提醒为：

2.2热泵系统的数学模子

热泵系统首要由收缩机、冷凝器、膨胀阀和挥发器构成。热泵系统的供热量Qc可提醒为：

式中，mwp为热泵系统的工质流量，kg/s；h2act为收缩机出口的焓，kJ/kg；h3为冷凝器出口的焓，kJ/kg。热泵从低温热源汲取的热量Qe可提醒为：式中，h4为挥发器进口的焓，kJ/kg；h1为挥发器出口的焓，kJ/kg。

由于采纳风力机启动收缩机，因而，收缩机的输出功率P即是齿轮箱的输出功率，其可提醒为：

热泵系统的功用目标用制热功用系数COP提醒，即：

2.3太阳能搜聚系统的数学模子

集热镜场是用来搜聚太阳能，提升太阳能能流密度并加热工质的安装。槽式太阳能集热镜场的光热变化效率ηsh是集热镜场的首要评估目标，其是集热管出口的热量与落入集热镜场的热量之比，用公式可提醒为：

式中，Qcol为集热管出口的热量，J；Qon为落入集热镜场的热量，J。Qon用公式可提醒为：

式中，Ebn为太阳直射辐射强度，W/m2；θ为太阳入射角，(?)；Ac为集热镜场的采光面积，m2。若将影响光热调动化率的要素用损失因子提醒，则集热镜场的光热变化效率还可提醒为[6]：

式中，K为入射角修改系数；ηm为抛物面镜的光学损失因子；ηh为集热管的光学损失因子；ηend为集热管端部的损失因子；ηsha为集热镜场的掩藏因子；ηc为集热管的热损失因子。

2.4储热系统的数学模子

由于太阳辐射的停止性和不稳固性，为了使发电系统能够安稳运转，需求添加响应的储热系统。储热系统容量的巨细由集热镜场的集热量、太阳倍数和储热时长决议[7]。本打算中储热系统的储热罐采纳双罐打算，此中，热罐的打算温度为℃，冷罐的打算温度为℃。储热工质为HitecXL，其成份为7%NaNO3、45%KNO3和48%Ca(NO3)2。储热罐罐体的总散热损失Φ包含储热罐罐体外壁面与外部处境的对流换热损失，以及罐体外壁面与大气的辐射散热损失。其用公式可提醒为：

式中，Φ1为罐体外壁面与大气的辐射散热损失，W；Φ2为罐体外壁面与外部处境的对流换热损失，W。此中，Φ1的策画公式为：

式中，χ为采纳储热罐表面面均匀温度策画时的修改系数；ε为储热罐外壁的发射率；Aw为储热罐的表面面面积，m2；ε0为黑体辐射常数，W/(m2?K-4)，本文取5.67×10-8；tw为储热罐的表面面温度，K；ta为大气温度，K。Φ2的策画公式为：

式中，h为罐体外壁面与外部处境的对流换热系数，W/(m2?K)。

2.5发电系统的数学模子

工质汲取来自储热系统的热量后，变化成高温高压蒸汽，鞭策汽轮机晃动发电，终究终了从工质内能到板滞能，再到电能的调动。发电系统的首要部件包含汽轮机、凝汽器和轮回水泵等[8]。发电热效率ηlk是评估发电系统功用的首要目标，其公式为：

式中，E为发电系统的输出净功，W；Qu为发电系统的输入热量，W；Wt为汽轮机的轴功，W；Wp为轮回水泵的耗功，W。此中，忽视传热管路的热损失，发电系统的输入热量Qu与导热油的热量(即集热管出口的热量)Qcol相等，即：

式中，h5为汽轮机进口工质的焓，kJ/kg；h8为换热器进口工质的焓，kJ/kg；mlk为汽轮机的原料流量，kg/s。汽轮机的轴功Wt的公式为：

式中，h6为绝热前提下汽轮机出口的理论焓值，kJ/kg；ηt为汽轮机的热效率。汽轮机热效率是评估汽轮机功用的首要目标，本打算中将汽轮机热效率定为0.9。汽轮机热效率的界说为蒸汽理论焓变与理论焓变之比，可提醒为：

式中，h6act为发电系统运转时，汽轮机出口的理论焓值，kJ/kg。轮回水泵耗功Wp的公式为：

式中，h7为轮回水泵进口的焓值。

3风热机组与太阳能热发电耦合系统的功用解析

本文从能量变化效率和?效率2方面临风热机组与太阳能热发电耦合系统的功用举行解析。在对风热机组与太阳能热发电耦合系统的功用举行解析时，由于该耦合系统有风能和太阳能2个能量输入，因而需求别离对风热机组和太阳能热发电系统举行解析，并凭借耦合前提断定风热机组与太阳能热发电耦合系统的总能量。

本打算采选Ra做为风热机组的制冷剂，导热油为槽式太阳能集热镜场轮回工质，水蒸汽做为太阳能热发电系统中发电系统的轮回工质。风热机组的打算参数如表1所示，太阳能热发电系统的打算参数如表2所示。

当风热机组与太阳能热发电耦合系统处于稳固工况时，设定风速为6m/s、太阳直射辐射强度为W/m2、室外温度为15℃。凭借这些设定参数，行使Simulink软件搭建风热机组与太阳能热发电耦合系统的仿真平台，并对该耦合系统举行模仿运转，获得的风热机组与太阳能热发电耦合系统各部件的能量变化成效如表3所示。

由表3可知，形成?损失和能量变化损失最大的部件是集热镜场；风热机组的COP为6.，而当室外温度为-10℃时独自的风热机组的COP为2.76，与之比拟，该耦合系统使风热机组的COP提升了.83%；耦合系统中太阳能热发电系统的?效率为42.04%，而独自采纳太阳能热发电系统时的?效率为29.94%，两者比拟，耦合系统使太阳能热发电系统的?效率提升了12.10%。以上解析是创造在稳固工况的前提下，而理论风速和太阳辐射强度会随光阴的改变而产生改变。本文采选北京市延庆区域举行考证，该区域年1月1日的太阳能微风能资本处境如图3所示。

贯串风热机组与太阳能热发电耦合系统的仿真平台，能够获得该耦合系统发电功率和供热量随光阴改变的弧线，如图4所示。

由图3和图4可知，风能在光阴上具备较大的随机性，而太阳能只在白日存在。因而，为了缓和风能和太阳能在光阴上的不般配性，使风热机组与太阳能热发电耦合系统能够稳固运转，本打算中设置了储能安装。

凭借表3可知，影响风热机组与太阳能热发电耦合系统功效的首要部件为槽式太阳能集热镜场。由于槽式太阳能集热镜场仅能汲取太阳直射辐射能量，因而需求先将太阳辐射分解成直射辐射和散射辐射。凭借仿真模子，能够获得1年中正午时候风热机组与太阳能热发电耦合系统的集热镜场功用的改变弧线，如图5所示。

由图5可知，直射辐射占比在夏令最低，冬天最高；但入射角在夏令最小，冬天最大。在两者的归纳影响下，风热机组与太阳能热发电耦合系统的发电功率显露先增大后减小的改变趋向。

4论断

本文贯串能量梯级行使规则，提议了一种新式动力行使方法，即风热机组与太阳能热发电耦合系统；并行使Simulink软件搭建了该耦合系统的仿真平台举行模仿解析。模仿成效说明，相较于独自采纳风热机组时的COP，风热机组与太阳能热发电耦合统使风热机组的COP提升了.83%；相较于独自采纳太阳能热发电系统时的?效率，耦合系统使太阳能热发电系统的?效率提升了12.10%。风热机组与太阳能热发电耦合系统的能量变化损失和?损失最大的部件为集热镜场，因而，提升该耦合系统功效的关键在于提升集热镜场的效率。

做家

勾昱君，孔凡钊，刘雨江

单元

华北理工大学冶金与动力学院

起因

《太阳能》杂志年第11期(总第期)

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