中国北方地区光伏/光热系统的技术与经济评价

【摘要】：为了解决环境破坏与自然资源短缺的问题,中国如今已正在大力促进了可再生能源的发展。近年来,太阳能热水器已在国内得了广泛应用,与太阳能光电池技术正在引起了越来越大的关注。太阳能光伏光热一体化系统整合了太阳能电池和集热器技术,为了能够同时产生电能和热量。与并排处境分列的太阳能电池和集热器相比,PVT系统有不少的优势,如更多有效利用单位面积的产生能量,较低的生产与安装成本,而且看来也有了整齐划一的外观等。考虑到最近城市化引起的空间限制,PVT技术在中国看来是一个很有潜力的技术。 本课题的目的就是研究PVT技术用于在中国北方地区的可能性。研究中利用一个无盖版管板式PVT集热器系统,于2009年11月-2010年8月进行了户外测试,在北京气候条件下探索了系统的热与电性能。为了避免在最冷温度的情况下结冰现象,用了丙二醇/水混合液当做冷却液。研究根据获得的实验结果,采用折扣现金流的方法对该技术进行了经济分析和影响因素的敏感度分析,研究了政府财政补贴,能源价格,光伏板成本,光电转换率等某些因素对PVT系统的经济性的影响。 实验结果表明,气候条件与冷却液的初始温度对系统性能有较大影响。系统的日平均热和电效率变化分别为27-75%和5-11%。在冷却液温度较低的情况下,冬季的热效率相对较高。电效率在电池板平均温度接近28°C时可以得到提高,但系统电性能在低温下并不稳定。如果用于家庭供热水,该PVT系统每年能大约产生790.66kWh热量与100.32kWh电。研究发现,该系统产生的电量比文献中的相应数值低。这主要是因为该系统的电池板转换率偏低造成的。 经济分析表明,如果用于家庭供热水,根据目前国内的市场与能源价格,该系统的投资回收期大约为一百多年,表明它在经济性上不会有吸引力。这一结果与以前研究PVT经济性的文献中的报道完全不同。这固然是因为北京的太阳能利用气候条件比其他低纬度地区差,如地中海地区,但主要原因是中国的能源价格比其他国家低很多,而且,其他研究中没有全面考虑系统部件如电池、水泵、丙二醇的未来取代成本,造成经济性分析过于乐观。敏感度分析表明,比系统全部现行成本相比,该系统通过节约能源所带来的收益对系统的经济性具有更大的影响。在能改善系统的经济性因素之中,天然气价格的影响最大。同时分析中也发现,没有一个因素能单独使得该系统成为经济可行,系统经济性的根本改变只能依靠一系列因素的共同作用。 考虑到能源价格的不断上涨和各级政府对太阳能项目的财政鼓励,包括财政补贴,税收减免,上网电价政策等,以及科技的进步使光伏电池和集热器的成本不断下降,在不远的将来,PVT光伏光热一体化系统在中国有可能成为一种经济上可行的技术。 【关键词】：太阳能 光伏光热一体化系统 经济分析
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TK511;F426.6
【目录】：

• Abstract3-4
• 摘要4-10
• 1. Introduction10-39
• 1.1. Context10-11
• 1.2. PV/T concepts and technology11-19
• 1.2.1. What is a PV/T system and why has it been designed?11-12
• 1.2.2. PV/T design concepts12-16
• 1.2.3. Applications16-19
• 1.3. State-of-the-art of PV/T technology19-37
• 1.3.1. History and statistics19-20
• 1.3.2. Purpose of the research20-21
• 1.3.3. Theoretical and numerical research21
• 1.3.4. Computational simulations21-22
• 1.3.5. Experimental work22-29
• 1.3.6. Economic studies29-34
• 1.3.7. Main conclusions34-36
• 1.3.8. Commercial development36
• 1.3.9. Further R&D aspects for PV/T systems36-37
• 1.4. Purpose of the present thesis37-39
• 2. Technical performance evaluation39-56
• 2.1. Description of the experimental rig and measurement system39-45
• 2.1.1. Description of the experimental rig39-40
• 2.1.2. Description of the data acquisition system40
• 2.1.3. Restoration work40-43
• 2.1.4. Modifications for freeze prevention43-45
• 2.2. Experimental conditions45-46
• 2.3. Issues encountered46-47
• 2.4. Experimental results and discussion47-55
• 2.4.1. Climatic conditions of Beijing47-48
• 2.4.2. Thermal performances48-49
• 2.4.3. Electrical performances49-52
• 2.4.4. Energy production for domestic hot water production52-55
• 2.5. Main conclusions55-56
• 3. Economic evaluation56-67
• 3.1. Method and formulas56-57
• 3.1.1. Present worth56
• 3.1.2. Equal-payment-series present worth factor56-57
• 3.1.3. Equivalence under inflation57
• 3.2. Economic evaluation of the system57-66
• 3.2.1. Reference case assumptions57-58
• 3.2.2. Estimation of the present costs of the system58-59
• 3.2.3. Estimation of the annual savings59-60
• 3.2.4. Calculation of the cost payback time and discussion60-61
• 3.2.5. Discussion and comparison with previous economic studies61-66
• 3.5. Main conclusions66-67
• 4. Sensitivity analysis67-74
• 4.1. Influence of the present costs67-70
• 4.1.1. Influence of the replacement costs67-68
• 4.1.2. Influence of government financial incentives68
• 4.1.3. Sensitivity to the PV module costs68-69
• 4.1.4. Sensitivity to the frequency of components replacements69-70
• 4.2. Influence of the annual savings70-72
• 4.2.1. Sensitivity to the energy prices70-71
• 4.2.2. Sensitivity to the PV cells efficiency71-72
• 4.3. Combination of parameters72
• 4.4. Main conclusions and suggestions72-74
• 5. Conclusions and recommendations74-76
• 5.1. Conclusions74
• 5.2. Recommendations for a future work74-76
• References76-81
• Acknowledgments81-82
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果82-83
• Appendix A: Calculation of the pumping power required to circulate the fluid through the system:83-85
• Appendix B: Uncertainties in the experimental measurements85-87
• Appendix C: Calculation of the batteries capacity87

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