槽式太阳能辅助生物质热电联产系统热力学性能分析

2021-12-22薛凯王义函陈衡徐钢雷兢

发电技术 2021年6期

薛凯，王义函，陈衡，徐钢，雷兢

薛凯，王义函，陈衡*，徐钢，雷兢

（热电生产过程污染物监测与控制北京市重点实验室(华北电力大学)，北京市昌平区 102206）

可再生能源互补热电联产系统在区域综合能源利用领域具有广阔的应用前景。提出了一种槽式太阳能辅助生物质热电联产系统，利用中低温槽式太阳能加热导热油，驱动吸收式热泵给热网水预加热，在生物质燃料与供热量保持恒定的条件下节省采暖抽汽、增加功率输出。采用EBSILON Professional软件对案例机组和集成系统进行建模仿真，在此基础上分析了系统能流与㶲损等热力学特性。结果表明：设计工况下可产生1.78MW·h的太阳能发电量，光电效率为20.06%，光电转换㶲效率可达到21.60%。选取5个典型日探讨不同辐照条件下的系统性能，结果发现3月21日的太阳辐射与系统性能均为最优。对整个供热季进行逐时仿真分析，可知供热期5个月产生太阳能发电量共计1124.30MW·h，平均光电效率为16.49%。

槽式太阳能；生物质热电联产；吸收式热泵；系统集成；热力学分析

0 引言

由于化石燃料的大量开采和使用，能源短缺和环境污染问题日益严峻，开发清洁低碳的先进供能系统已迫在眉睫[1]。习近平总书记在第75届联合国大会上郑重提出“碳达峰、碳中和”目标，发展可再生能源多能互补热电联产是实现能源结构转型的重要举措[2-3]。可再生能源包括太阳能、风能、水能、生物质能及其他非化石燃料[4]，因其清洁可再生、资源分布广泛、可分散开发利用等特点[5-6]，适合用作化石燃料的替代能源。

现有国内外诸多团队致力于可再生能源系统集成研究[7]，普遍认为光伏与集中式太阳能是最具发展与利用前景的可再生能源之一[8-9]。目前已有4种集中式太阳能发电技术趋于成熟，其中抛物槽式已得到广泛应用[10-12]。为改善太阳能热发电低效率、高成本的问题，太阳能辅助发电技术引起相关学者的关注[13]。利用太阳能加热导热流体，代替部分抽汽来加热给水，节省的抽汽在汽轮机中继续膨胀做功[14-17]，带来的额外发电可被视为太阳能发电量[18]。

生物质约占地球可再生能源的50%，被认为是另一种极具潜力的可再生能源[19]。生物质产品以电、热为主，欧洲的生物质发电量已达到所有可再生能源发电量的70%[20]。多种转化技术已被用来获取生物质能，如燃烧、气化和热解等[21]。其中，直接燃烧是生物质转化利用最广泛的途径，占世界能源生产中生物质利用量的97%以上[19]。由于生物质机组具有较高的效率和较低的单位投资成本，在过去十年中受到了广泛关注，基于生物质燃烧的大中型热电联产技术已达到很高的成熟度[22]。

太阳能和生物质的不同性质与优势为系统集成提供了可能[23]。迄今为止，关于太阳能和生物质的耦合利用已有大量研究。Morais等[24]设计了由太阳能场、生物质燃烧器、有机朗肯循环和吸收式冷却系统组成的集成系统，以满足小型工厂的能源需求。Oyekale等[25]对太阳能–生物质热电联产机组进行了基于改进㶲成本计算方法的能效经济分析。Morrone等[26]研究了基于跨临界有机朗肯循环的可再生微混合热电联产系统的性能，该系统由常规生物质锅炉和集中式太阳能提供能量。Zhang等[27]提出了太阳能–生物质空间供热系统，结合了微通道太阳能热板阵列、生物质锅炉和专用控制算法。李雪如[28]分析了太阳能集热系统、蓄热系统、生物质辅助锅炉的顺序启动与逆序停止策略，以保证多能源间能量的合理分配。Wu等[29]开发了一种新型的蒸汽/空气生物质气化冷热电联产系统，利用太阳能产生的高温蒸汽作为气化剂来驱动生物质气化。

太阳能和生物质的耦合利用已得到广泛研究，但关于太阳能热利用和具有朗肯循环的生物质热电联产系统的集成研究很少。此外，尽管已经有了大量的太阳能与燃煤电站耦合发电的解决方案，但关于太阳能辅助发电技术在生物质电厂的应用研究鲜见报道。由于生物质的独特性，生物质机组的蒸汽循环不同于燃煤发电机组，因此，有必要探讨太阳能辅助发电技术应用于生物质机组的可行性。

基于以上背景，本文提出了一种槽式太阳能辅助生物质热电联产系统，从太阳辐射中收集热量，用于驱动吸收式热泵给热网水预热，节省供热抽汽以得到更多发电量。通过能量分析和㶲分析，揭示了提高系统性能的根本原因。此外，还探讨了集成系统的日性能和年性能，可为太阳能与生物质能在热电联产集成系统中的研究和实际应用提供理论指导。

1 案例机组介绍

本文选取我国西北地区某典型生物质热电联产机组为参考案例，系统流程如图1所示。生物质锅炉产生的高温高压蒸汽经汽轮机做功，在凝汽器中冷凝后依次进入三级低压加热器、除氧器、两级高压加热器。在当地供暖期(从11月1日至次年3月31日，共151天)，部分3#抽汽在热网加热器中加热热网水，用于给当地居民供热。

图1 案例生物质机组示意图

表1、2分别列出了案例机组及其回热系统的基本参数。在供热期间采用5.56kg/s的3#抽汽进行区域供热，将74.91kg/s的热网回水从50.0℃加热至99.0℃，向热用户提供15.39MW·h的热量。同时产生的净发电量为29.98MW·h，生物质消耗量为11.82kg/s。生物质锅炉的主要原料是玉米秸秆、玉米芯、稻草和稻壳，燃料的平均低位发热量为9.435MJ/kg。

表1 案例生物质机组基本热力学参数

表2 案例生物质机组回热系统基本参数

2 系统建模与仿真

2.1 系统建模

本文采用EBSILON Professional软件对案例机组和集成系统进行建模仿真，这是一个用于发电领域热力学建模的软件。它在保证质量和能量守恒的基础上使各组件、子系统和全系统保持平衡[30]。在此软件中，由非线性方程组构建热力学循环，通过一系列线性方程迭代求解，使用上一步迭代值形成可变系数，当基本变量不再更改时迭代停止。经验证，该软件为一种可靠的热力学建模软件[31]。根据案例机组的边界条件，使用EBSILON Professional的内置模块建立模型，并将计算结果与案例机组的设计数据进行比较分析，结果表明仿真模型准确可靠。

2.2 系统集成

为提高太阳能利用率，利用更多可再生能源来发电和供热，本文提出一种槽式太阳能辅助生物质热电联产系统，流程如图2所示。

图2 太阳能辅助生物质热电联产系统示意图

首先，离开太阳能集热器的导热油作为驱动热源在吸收式热泵的发生器中放热，循环工质吸热并蒸发，所产生的蒸汽在热泵的冷凝器中冷凝，节流后流入蒸发器。其次，蒸发器中的低位热源采用部分已换热的循环冷却水，蒸汽从循环冷却水中吸热并蒸发。最后，将低温低压下的饱和蒸汽送至吸收器被溴化锂溶液吸收。因此，可以利用吸收式热泵在吸收器和冷凝器中排出的热量对热网供水进行预加热，此后，热网供水在热网加热器中进一步被3#抽汽加热至要求值。由于热网水在热网加热器之前先在吸收式热泵中获得能量，所以需要热网加热器提供的热量变少，进入热网加热器的3#抽汽量减少。节省的抽汽可以在汽轮机中继续膨胀做功，在供热量保持不变的同时提高系统总发电量，实现太阳能和生物质2种可再生能源的有机整合，从而使太阳能得到更有效的利用。当太阳辐射不足时，可以绕开太阳能热系统，生物质机组将会单独运行。因此，在该集成方案中不需要用于常规单一太阳能发电系统的储热装置。

2.3 太阳能热系统参数

太阳能热系统采用了Eurotrough ET-150型商用抛物槽式集热器，其选用12个集热器组件，循环工质采用Therminol VP-1导热油，通过导热油泵升压后送至吸收式热泵。表3给出了镜场的基本参数[32]。

表3 镜场基本参数

3 评价指标

3.1 基于热力学第一定律的能量评价指标

由于集成系统和案例机组的供热量恒定，因此在引入太阳能之后系统多发的电量可视为太阳能发电。对于集成系统，太阳能发电量可以表示为

3.2 基于热力学第二定律的㶲评价指标

4 结果与讨论

4.1 集成系统参数

通过EBSILON Professional软件对集成系统进行仿真，设计方案中太阳能热系统的基本参数如表4所示。选择3月21日15:00作为集成系统的设计点，此时DNI为908.67W/m2，镜场效率为52.18%。导热油在集热器中吸收热量从 123.0℃升温至153.0℃后用于驱动吸收式热泵，进入吸收式热泵的循环冷却水从27.5℃冷却至25.5℃。热网供水从导热油和循环冷却水中共获得8.23MW·h的热量，温度从50.0℃升高至76.3℃，吸收式热泵性能系数(coefficient of performance，COP)达到1.776。吸收式热泵基本参数如表5所示。

表4 太阳能热系统基本参数

表5 吸收式热泵基本参数

由于采用太阳能热系统在采暖季节辅助供热，因此集成系统中热网加热器的参数较之前有所变化，表6列出了案例机组和集成系统中热网加热器的参数对比。在集成系统中，热网供水在进入热网加热器前，先在吸收式热泵中预热，水温从50.0℃升高至76.3℃。因此，进入热网加热器的3#抽汽量显著减少，从5.56kg/s降低至2.69 kg/s，热网加热器的热负荷降低8.23MW·h，较之前下降了53.49%。

表6 案例机组和集成系统中热网加热器的参数对比

4.2 能量分析

案例机组和集成系统的能量参数对比如表7所示。可以看出，与案例机组相比，集成系统在生物质燃料量保持一致的前提下，机组性能有较大提升，集成系统的供热量仍然是15.39MW·h，而净发电量增加了5.94%，由于太阳能的引入，总能量转换效率降低了1.52%，光电效率可达到20.06%。

表7 案例机组和集成系统的能量参数对比

能流图可以清晰直观地表示系统中能量的流动，案例机组、集成系统能量流动分别如图3、4所示。由于生物质的能量输入固定，将其设定为基准值100%。此外，集成前后的热网回水与热网供水的流量和温度均不变，所以供热量保持恒定。相比于案例机组仅通过3#抽汽在热网加热器中加热热网水的设计，在集成系统中，通过吸收式热泵和热网加热器2个步骤来实现热网水加热。导热油从太阳辐射中获得4.63MW·h的能量，并利用该能量来驱动吸收式热泵，循环冷却水作为低位热源，在吸收式热泵中释放出3.60MW·h的能量。因此，热网供水在吸收式热泵中共吸收8.23MW·h的热量，则在热网加热器中吸收的能量减少8.23MW·h，使所需3#抽汽量减少2.87kg/s。于是，在供热量保持不变的条件下，总发电量提高2.02MW·h，净发电量提高1.78 MW·h。

图3 案例机组能量流动

图4 集成系统能量流动

4.3 㶲分析

为进一步探讨集成方案导致机组性能提升的根本原因，对案例机组和集成系统进行了㶲分析，结果列于表8。集成前后，生物质燃料输入㶲保持恒定(视为100%)，生物质锅炉㶲损不变。8.25 MW·h的太阳能㶲被输入集成系统，排汽量随着供热抽汽量的减少而增加，汽轮机、凝汽器与发电机的㶲损均有所增加。此外，由于太阳能热系统的辅助加热，热网加热器的㶲损减少1.76 MW·h，太阳能热系统的㶲损为7.34MW·h。总的来看，整个系统的㶲损增加了6.48MW·h。同时，总输出㶲提高了1.78MW·h。尽管总㶲效率下降了0.22%，但是光电转换㶲效率可以达到21.60%。

表8 案例机组与集成系统的㶲参数

4.4 敏感性分析

案例机组位于中国宁夏回族自治区银川市(38.5°N，106.2°E，1111m)，当地为温带大陆性气候，纬度适中，地势较高，太阳辐射强，是全国日照资源丰富地区。银川典型年供热季气象数据如图5、6所示。供热季总DNI为695.46kW·h/m2，供热期太阳辐照持续时间为1106 h，3月的太阳辐照相对更为有利，DNI最大可达1001.00W/m2。

图5 典型年供热季环境温度分布

图6 典型年供热季DNI分布

图7为典型年供热季月总DNI分布，可见12月份太阳辐照条件最差，月总DNI为129 kW·h/m2；3月份太阳辐照条件最好，月总DNI为154kW·h/m2，相比于12月份提高了19.38%。

图7 典型年供热季月总DNI分布

选择11月21日、12月21日、1月21日、2月21日和3月21日为典型日，图8、9分别为典型日的DNI分布与镜场效率变化。由图8可见，3月21日太阳辐照条件最好，日照时间长达11h，最大DNI为944.12 W/m2。而12月21日的太阳辐照条件最差，日照时间仅为9 h，最大DNI为821.02 W/m2。此外，由于受太阳入射角的影响，虽然DNI通常在北京时间13:00左右达到峰值，但镜场效率一般在09:00—10:00或16:00—17:00更高，这也导致太阳能热系统在相应时间拥有更多的有效能，如图10所示。

图8 典型日DNI分布

图9 典型日镜场效率

图10 典型日太阳有效能

图11、12分别为典型日太阳能发电量及光电效率，可见集成系统在09:00—10:00或16:00—17:00达到一天中的最高性能。在3月21日可以产生最多的太阳能发电量，达到17.25 MW·h，是12月21日(5.72MW·h)的3.02倍；并具有最高的光电效率(将近24%)，日均光电效率可达到19.89%。但是，在12月21日的最高光电效率仅为15.01%，日均光电效率仅为9.86%。

图11 典型日太阳能发电量

图12 典型日光电效率

基于图5—7所示的典型年供热期气象数据，对集成系统的月性能进行评估，结果如图13所示。可见，月总太阳能发电量与月均光电效率呈现相同的变化趋势。3月份太阳辐照条件良好，太阳能发电量相对充足，采用太阳能热系统后发电量增加了327.01MW·h，月均光电效率高达21.65%。12月份太阳辐照条件最差，太阳能发电量较少，采用太阳能热系统后发电量增加了158.03 MW·h，月均光电效率仅为12.49%。在整个供暖季，太阳能发电总量可达1 124.30 MW·h，供热季平均光电效率为16.49%。

图13 典型年供热期太阳能热系统月性能

5 非供热期运行情况

当地非供热期为每年的4月1日至10月31日，吸收式热泵和热网加热器停止工作，该系统采用传统的太阳能辅助加热给水的纯凝发电模式运行。此时，导热油进入给水加热器，将一部分给水加热至RH1出口水温。因此，1#和2#抽汽减少，节省的抽汽可以在汽轮机中继续膨胀做功，总发电量得以增加。非供热期运行系统示意图如图14所示。

对典型气象年非供热期性能进行评估，其月性能分析结果如图15所示。可见，在非供热期，系统性能最好的是5月份，采用太阳能热系统后发电量增加了190.80MW·h，月均光电效率为10.63%。综合整个非供热期来看，太阳能发电总量可达到995.87MW·h，平均光电效率为9.24%。相比于供热期而言，非供热期的系统性能较差，这与太阳入射角和导热油利用温度有关，从而也彰显出本文所提出的供热期太阳能辅助发电技术的优越性。

图14 非供热期运行系统示意图

图15 典型年非供热季太阳能热系统月性能

6 经济性分析

对上述太阳能热系统开展经济性分析，生物质机组部分的成本与收益在集成前后保持一致。新增收入为太阳能辅助发电带来的效益，新增支出包括初始投资和运维成本。其中，增加的设备主要有太阳能集热器、吸收式热泵、给水加热器。集热器总面积为10368m2，总占地面积近似为集热器总面积的3.5倍[37]。本文所采用的主要经济性参数[38]见表9。

表9 太阳能热系统经济性参数

根据以上计算，太阳能热系统的总初始投资为1997.90万元，其中，太阳能集热器投资为1 451.52万元，占总投资的72.65%。全年共新增发电量2120.17MW·h，可带来254.42万元的额外效益，动态投资回收期为12.3a。

7 结论

针对槽式太阳能辅助生物质热电联产系统搭建热力学模型，在供热季内选择11月21日、12月21日、1月21日、2月21日、3月21日作为典型日进行逐时仿真，并进行热力学和敏感性分析以探讨集成系统的性能。利用太阳能加热导热油作为高位热源，驱动吸收式热泵预加热热网供水，节省汽轮机采暖抽汽以增加净发电量。主要结论如下：

1）系统集成后，尽管生物质燃料量和供热量保持不变，但在设计工况下可产生1.78MW·h的太阳能发电量，光电效率为20.06%，光电转换㶲效率达到21.60%。

2）光电效率与太阳能发电量有相似的变化规律，在09:00—10:00或16:00—17:00时段系统性能最佳，5个典型日的日太阳能发电量为5.72～ 17.25MW·h。

3）通过敏感性分析，供热季5个月的月总太阳能发电量为158.03～327.01MW·h，集成系统在供热季产生太阳能发电量共计1124.30MW·h，平均光电效率为16.49%。

4）该系统在非供热季采用太阳能辅助加热给水的纯凝发电模式运行，太阳能发电总量可达到995.87MW·h，平均光电效率为9.24%。

5）太阳能热系统的总初始投资为1997.90万元，每年可带来254.42万元的额外效益，动态投资回收期为12.3a。

[1] 金红光，何雅玲，杨勇平，等．分布式能源中的基础科学问题[J]．中国科学基金，2020，34(3)：266-271．

JIN H G，HE Y L，YANG Y P，et al．Basic scientific issues in distributed energy system[J]．China Science Foundation，2020，34(3)：266-271．

[2] 李海玲，吕芳，王一波，等．以可再生能源为主的多能互补集成应用现状及发展研究[J]．太阳能，2020(9)：14-24．

LI H L，LÜ F，WANG Y B，et al. Status and development research of integrated application of multi-energy complementary system based on renewable energy[J]．Solar Energy，2020(9)：14-24．

[3] 王庆刚，杨谋存，朱跃钊，等．可再生能源多能互补热电气联产系统评价方法综述[J]．电网技术，2021，45(3)：937-950．

WANG Q G，YANG M C，ZHU Y Z，et al．Review on evaluation methods of a combined heating, power and biogas system coupled with renewable energy [J]．Power System Technology，2021，45(3)：937-950．

[4] SHAO M，HAN Z，SUN J，et al．A review of multi-criteria decision making applications for renewable energy site selection[J]．Renewable Energy，2020，157：377-403．

[5] 吕薇．我国可再生能源发展现状与政策取向[J]．发展研究，2009(1)：4-8．

LÜ W．Renewable energy development status and policy orientation in China[J]．Development and Research，2009(1)：4-8．

[6] 鲁延辉．我国可再生能源发电产业技术创新模式研究[D]．北京：华北电力大学，2019．

LU Y H．Research on the technological innovation model of my country’s renewable energy power generation industry[D]．Beijing：North China Electric Power University，2019．

[7] YDRISSI M E，GHENNIOUI H，BENNOUNA E G，et al．A review of optical errors and available applications of deflectometry technique in solar thermal power applications[J]．Renewable and Sustainable Energy Reviews，2019，116：109438．

[8] 张哲旸，巨星，潘信宇，等．太阳能光伏–光热复合发电技术及其商业化应用[J]．发电技术，2020，41(3)：220-330．

ZHANG Z Y，JU X，PAN X Y，et al．Photovoltaic/concentrated solar power hybrid technology and its commercial application[J]．Power Generation Technology，2020，41(3)：220-330．

[9] LEE J，WI S，YANG S，et al．Experimental study and assessment of high-tech thermal energy storing radiant floor heating system with latent heat storage materials [J]．International Journal of Thermal Sciences，2020，155：106410．

[10] OGUNMODIMU O，OKOROIGWE E C．Concentrating solar power technologies for solar thermal grid electricity in Nigeria：A review [J]．Renewable and Sustainable Energy Reviews，2018，90：104-119．

[11] 佟锴，杨立军，宋记锋，等．聚光太阳能集热场先进技术综述[J]．发电技术，2019，40(5)：413-425．

TONG K，YANG L J，SONG J F，et al．Review on advanced technology of concentrated solar power concentrators[J]．Power Generation Technology，2019，40(5)：413-425．

[12] 刘尧东，张燕平，万亮，等．基于Al2O3纳米流体的槽式太阳能热发电集热器传热建模及性能分析[J]．发电技术，2021，42(2)：230-237．

LIU Y D，ZHANG Y P，WAN L，et al．Heat transfer modelling and performance analysis of trough solar thermal power collector based on Al2O3nanofluid[J]．Power Generation Technology，2021，42(2)：230-237．

[13] 翟融融，刘洪涛．基于有限时间热力学的太阳能辅助燃煤发电系统集成理论分析[J]．发电技术，2019，40(4)：316-322．

ZHAI R R，LIU H T．Theoretical analysis of solar-aided coal-fired power generation system based on finite time thermodynamics[J]．Power Generation Technology，2019，40(4)：316-322．

[14] QIN J，HU E，LI X．Solar aided power generation：a review[J]．Energy and Built Environment，2020，1(1)：11-26．

[15] QIN J，HU E，NATHAN G J．Impact of the operation of non-displaced feedwater heaters on the performance of solar aided power generation plants[J]．Energy Conversion and Management，2017，135：1-8．

[16] 侯宏娟，王学伟，宋红，等．太阳能辅助330 MW燃煤机组互补发电系统动态特性及年性能分析[J]．太阳能学报，2018，39(12)：3331-3338．

HOU H，WANG X，SONG H，et al．Dynamic characteristic and annual performance analysis of solar assisted 330 MW coal-fired unit hybrid power generation system[J]．Acta Energiae Solaris Sinica，2018，39(12)：3331-3338．

[17] 郭民臣，安广然，纪执琴，等．定功率下太阳能辅助燃煤发电系统的热经济性分析[J]．中国电机工程学报，2016，36(9)：2444-2451．

GUO M C，AN G R，JI Z Q，et al．Thermal economic analyses of a solar aided coal-fired power unit for constant power output[J]．Proceedings of the CSEE，2016，36(9)：2444-2451．

[18] 宋嘉．槽式太阳能与燃煤空冷机组的集成发电系统热力特性研究[D]．北京：华北电力大学，2018．

SONG J．Research on thermal characteristics of integrated power generation system of trough solar energy and coal-fired air-cooled unit[D]．Beijing：North China Electric Power University，2018．

[19] SITUMORANG Y A，ZHAO Z，YOSHIDA A，et al．Small-scale biomass gasification systems for power generation(<200  kW class)：a review[J]．Renewable and Sustainable Energy Reviews，2020，117：109486．

[20] WANG X，ZHU Y，HU Z，et al．Characteristics of ash and slag from four biomass-fired power plants：ash/slag ratio，unburned carbon，leaching of major and trace elements[J]．Energy Conversion and Management，2020，214：112897．

[21] PERKINS G．Techno-economic comparison of the levelised cost of electricity generation from solar PV and battery storage with solar PV and combustion of bio-crude using fast pyrolysis of biomass[J]．Energy Conversion and Management，2018，171：1573-1588．

[22] QIU G，SHAO Y，LI J，et al．Experimental investigation of a biomass-fired ORC-based micro- CHP for domestic applications[J]．Fuel，2012，96：374-382．

[23] BAI Z，LIU Q，LEI J，et al．Thermodynamic evaluation of a novel solar-biomass hybrid power generation system[J]．Energy Conversion and Management，2017，142：296-306．

[24] MORAIS P H D S，LODI A，AOKI A C，et al．Energy，exergetic and economic analyses of a combined solar-biomass-ORC cooling cogeneration systems for a Brazilian small plant[J]．Renewable Energy，2020，157：1131-1147．

[25] OYEKALE J，PETROLLESE M，CAU G．Modified auxiliary exergy costing in advanced exergoeconomic analysis applied to a hybrid solar-biomass organic Rankine cycle plant[J]．Applied Energy，2020，268：114888．

[26] MORRONE P，ALGIERI A，CASTIGLIONE T．

Hybridisation of biomass and concentrated solar power systems in transcritical organic Rankine cycles：A micro combined heat and power application[J]．Energy Conversion and Management，2019，180：757-768．

[27] ZHANG X H，YANG J J，FAN Y，et al．Experimental and analytic study of a hybrid solar/biomass rural heating system[J]．Energy，2020，190：116392．

[28] 李雪如．生物质能辅助太阳能热发电控制研究[D]．北京：华北电力大学，2015．

LI X R．Research on the control of biomass-assisted solar thermal power generation[D]．Beijing：North China Electric Power University，2015．

[29] WU H F，LIU Q B，ZHANG B，et al．Thermodynamics analysis of a novel steam/air biomass gasification combined cooling, heating and power system with solar energy[J]．Applied Thermal Engineering，2020，164：114494．

[30] 麻国倩．基于EBSILON二次再热百万机组机炉耦合建模仿真及热经济性研究[D]．济南：山东大学，2020．

MA G Q．Based on EBSILON secondary reheat million units turbine-boiler coupling modeling simulation and thermal economy[D]．Jinan：Shandong University，2020．

[31] 赵世飞，王为术，刘军．1000 MW超临界二氧化碳燃煤发电系统热力学性能分析[J]．热力发电，2020，49(12)：9-16．

ZHAO S F，WANG W S，LIU J．Thermodynamic performance analysis for a 1000 MW coal-fired supercritical CO2power plant[J]．Thermal Power Generation，2020，49(12)：9-16．

[32] MONTES M J，ABÁNADES A，MARTÍNEZ-VAL J M，et al．Solar multiple optimization for a solar-only thermal power plant, using oil as heat transfer fluid in the parabolic trough collectors[J]．Solar Energy，2009，83(12)：2165-2176．

[33] WU J，HOU H，YANG Y，et al．Annual performance of a solar aided coal-fired power generation system (SACPG) with various solar field areas and thermal energy storage capacity[J]．Applied Energy，2015，157：123-133．

[34] 宋淑英．电厂热力循环的㶲分析[J]．天津电力技术，1997(4)：1-6．

SONG S Y．Exergy analysis of power plant thermal cycle[J]．Tianjin Electric Power Technology，1997(4)：1-6．

[35] ZHU Y，LI W，LI J，et al．Thermodynamic analysis and economic assessment of biomass-fired organic Rankine cycle combined heat and power system integrated with CO2capture[J]．Energy Conversion and Management，2020，204：112310．

[36] ZHANG C，LIU C，WANG S，et al．Thermo-economic comparison of subcritical organic Rankine cycle based on different heat exchanger configurations[J]．Energy，2017，123：728-741．

[37] BAI Z，SUN J，LIU Q．Comprehensive assessment of lin-/point-focus combined scheme for concentrating solar power system[J]．International Journal of Energy Research，2018(5)：1983-1998．

[38] 侯宏娟，崔浩，黄畅，等．直接空冷型槽式太阳能发热电系统技术经济分析[J]．太阳能学报，2021，42(1)：90-95．

HOU H J，CUI H，HUANG C，et al．Technical and economic analysis of parabolic trough solar thermal power generation system with direct air-cooling [J]．Acta Energiae Solaris Sinica，2021，42(1)：90-95．

Thermodynamic Performance Analysis of a Parabolic Trough Solar-assisted Biomass-fired Cogeneration System

XUE Kai, WANG Yihan, CHEN Heng*, XU Gang, LEI Jing

(Beijing Key Laboratory of Emission Surveillance and Control for Thermal Power Generation (North China Electric Power University), Changping District, Beijing 102206, China)

The integration of renewable energy combined heat and power system has broad application prospects in the field of regional comprehensive energy utilization. This paper proposed a parabolic trough solar-assisted biomass-fired cogeneration system. The system uses medium and low temperature trough solar energy to heat the thermal oil that drives the absorption heat pump to preheat the supply-water, while the biomass fuel and heat output keep constant. The extraction steam for heating is decreased while power generation is increased. The EBSILON professional software was used to model and simulate the case plant and integrated system, and on this basis, the thermodynamic characteristics of energy flow and exergy loss of the system were analyzed. The results show that, under the design conditions, 1.78MW·h of solar power can be generated, the solar-to-electricity efficiency is 20.06%, and the solar-to-electricity exergy efficiency can reach 21.60%. Five typical days were selected to explore the performance under different radiation conditions. We found that the solar radiation and system performance on March 21st are both the best. A time-by-hour simulation analysis was conducted for the entire heating season. A total of 1124.30MW·h of solar power is produced in the five-month heating period with an average solar-to-electricity efficiency of 16.49%.

trough solar energy; biomass-fired cogeneration; absorption heat pump; system integration; thermodynamic analysis

10.12096/j.2096-4528.pgt.21044

TK 519

2021-04-27。