民居建筑光热光伏供能系统运行特性分析及匹配优化研究

作     者：全梦晨 

作者单位：西安建筑科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘艳峰

授予年度：2023年

学科分类：080702[工学-热能工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：光热光伏联合供能系统 设计方法 民居建筑 能量和?分析 平准化均能成本 

摘      要：我国建筑全寿命周期的碳排放量占全国碳排放总量的40%以上,建筑的运行碳排放占建筑总碳排放50%以上。降低建筑运行碳排放对于降低总碳排放量,如期落实“双碳目标具有重要意义。利用太阳能等可再生能源满足建筑用能,是降低建筑能耗重要技术措施。我国西部及高原地区太阳辐射资源丰富,供暖需求较大,当地民居建筑广泛应用光热供暖系统,但该系统在冬季系统利用率较高,夏季则相反,季节性供需矛盾突出,引发系统过热和太阳能资源严重浪费等问题。而采用光伏系统供能时,由于光电效率低,往往难以满足冬季强度大、持续时间长的供暖负荷。太阳能系统供能与建筑用能变化的不同步会造成供需矛盾,化解供需矛盾是高效利用太阳能,实现建筑用能系统低能耗、低碳排运行的关键。本课题将光伏系统和光热系统联合起来对建筑进行供能,以解决当下太阳能系统供能与建筑用能的不匹配与能量效率低等问题。光伏光热联合供能系统在设计时,由于建筑热负荷由光伏系统和光热系统共同承担,光伏系统承担的电负荷亦随着光热系统的容量变化而改变,因此传统单一的光伏和光热系统设计不再适用于联合供能系统,联合供能系统具体的容量配置设计方法有待研究。针对以上问题,本研究提出光热光伏联合供能系统设计方法,具体的工作内容如下:首先,建立光热光伏联合供能系统理论分析的模型。在此基础上,在西部和高原地区选择典型城市,探究设备容量对太阳能保证率和系统?效率的影响,并进行联合供能系统运行性能分析,并与单一的光伏系统和光热系统进行对比。其次,建立以最小平准化均能成本为目标函数,以光伏面积、光热面积、蓄热水箱容积和蓄电池额定功率为决策变量的优化模型,针对光伏余电上网和不上网两种模式进行优化,并进行了经济性参数对优化结果的敏感性分析。最后,在经济性最优为目标的优化模型基础上,补充了节能性为约束条件,分析了热损失与?效率约束对优化结果的影响。建立了系统?效率和太阳能保证率的拟合关系式,进一步得到光热光伏联合供能系统设计方法,并通过工程案例对设计方法应用进一步阐述。通过以上研究内容的开展,得到如下主要结论:(1)对光热光伏联合供能系统能量流动和?量流动的分析表明,光伏电池能量损失最大,其次为集热器。但集热器的?效率小于光伏电池,集热器的低?效使得光热子系统的?效率较低。(2)单纯以经济性最优为目标优化时,余电不上网模式下优化得到的容量,系统热损失较大,电损失较小。余电上网模式优化得到的容量,光伏子系统的电损失较大,但主要是由于设备能量转换效率有限,难以通过调整设备容量来避免。(3)在设计系统?效率时,将设计?效率分为三种类别,分别是系统经济性较优、节能性较优以及兼顾经济与节能性,并给出相应类别的?效率推荐取值范围。那曲总?效率的推荐取值范围为6.90%～9.50%。(4)基于系统?效率设计太阳能保证率进一步得到联合供能系统设计方法,与仿真模拟相比,设计方法得到均能成本较大,典型工程案例中均能成本为0.57元/k Wh,增大了约3.27%。在西北及高原地区采用光热光伏联合供能系统对民居建筑全年供能,解决当下太阳能系统供能与建筑用能的不匹配与能量效率低等问题。本研究提出以经济性最优为目标,以节能性为约束条件的光热光伏联合供能系统设计方法,为工程中太阳能供能系统设计提供一定参考价值。