高寒高原地區(qū)風(fēng)光儲(chǔ)智能微電網(wǎng)多聯(lián)供系統(tǒng)的集成

趙 斌，武熠杰，靳姍姍，盧大為，吳玉瑩，馮 放

(1. 華北理工大學(xué)，唐山 063210；2. 西藏自治區(qū)能源研究示范中心，拉薩 850000；3. 中國(guó)電建集團(tuán)河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，石家莊 050031； 4. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150038)

西藏自治區(qū)那曲地區(qū)的平均海拔為4450 m，個(gè)別地區(qū)的海拔高達(dá)5000 m，當(dāng)?shù)馗吆毖?、生態(tài)脆弱、生活條件極其艱苦[1]。但該地區(qū)的風(fēng)能和太陽(yáng)能資源極為豐富，因地制宜地開(kāi)發(fā)利用風(fēng)能和太陽(yáng)能資源具有十分廣闊的前景[2]。由于太陽(yáng)能與風(fēng)能存在間歇性和時(shí)段上的互補(bǔ)性[3]，因此在那曲地區(qū)采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電，可有效改善當(dāng)?shù)鼐用竦纳瞽h(huán)境。

本文在前期研究的基礎(chǔ)上[4-5]，依據(jù)那曲地區(qū)當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件、太陽(yáng)能和風(fēng)能資源特征、建筑特點(diǎn)和用能需求，以當(dāng)?shù)啬炒逦瘯?huì)的建筑為例，以新能源保證率達(dá)到90%為約束條件，集成了高寒高原地區(qū)風(fēng)光儲(chǔ)智能微電網(wǎng)多聯(lián)供系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)電、暖、氧氣、生活熱水的聯(lián)合供給。此研究結(jié)果將為高寒高原地區(qū)分布式綜合供能系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐，同時(shí)也可為西藏自治區(qū)海拔4600 m 以上地區(qū)的建筑實(shí)現(xiàn)供電、供暖(含生活熱水)和供氧提供示范。

1 項(xiàng)目概況

本風(fēng)光儲(chǔ)智能微電網(wǎng)多聯(lián)供系統(tǒng)將建于那曲市羅瑪鎮(zhèn)加貢村(31°07′N、92°05′E)，該地區(qū)海拔為4678 m，目的主要是為村委會(huì)供電、供熱(含生活熱水)和供氧。村委會(huì)為1 層的新建建筑，總建筑面積為379.04 m2，其中主體建筑面積為198.72 m2，暖棚建筑面積為180.32 m2。主體建筑的外墻為厚度300 mm 的加氣混凝土砌塊，外窗為塑鋼窗戶配雙層中空復(fù)合玻璃，具有保溫隔熱、降低噪音、用料環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。

那曲市屬于亞寒帶氣候區(qū)，高寒缺氧，氣候干燥；年平均氣溫為-3.3～-0.9 ℃，年日照小時(shí)數(shù)約為2886 h，全年大風(fēng)日約為100 天。那曲市的太陽(yáng)能資源分布、風(fēng)能資源分布分別如圖1、圖2 所示。

依據(jù)那曲市的氣象條件、太陽(yáng)能和風(fēng)能資源特征，結(jié)合村委會(huì)建筑的特點(diǎn)及其用能需求，集成了風(fēng)光儲(chǔ)智能微電網(wǎng)多聯(lián)供系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)光伏發(fā)電給儲(chǔ)能電池充電，也可通過(guò)市電或柴電機(jī)充電。

圖2 那曲市的風(fēng)能資源分布情況Fig. 2 Distribution of wind energy resources in Naqu

2 設(shè)計(jì)方案

在實(shí)地調(diào)研的基礎(chǔ)上，對(duì)那曲市羅瑪鎮(zhèn)某村委會(huì)的風(fēng)光儲(chǔ)智能微電網(wǎng)多聯(lián)供系統(tǒng)方案進(jìn)行集成，包括供暖系統(tǒng)、風(fēng)光儲(chǔ)智能微電網(wǎng)系統(tǒng)和供氧系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)電、暖、氧氣、生活熱水的聯(lián)合供給。該系統(tǒng)的集成如圖3 所示。

圖3 那曲市的風(fēng)光儲(chǔ)智能微電網(wǎng)多聯(lián)供系統(tǒng)的集成Fig. 3 Integration of wind-PV-energy storage complementary and smart microgrid system in Naqu

2.1 供暖系統(tǒng)

采用空氣式太陽(yáng)能真空管集熱系統(tǒng)解決高原、高寒、電力貧乏、偏遠(yuǎn)地區(qū)建筑物的供暖問(wèn)題。那曲市的供暖期為9 月17 日～次年5 月28 日。對(duì)新建建筑所在地的氣候環(huán)境條件進(jìn)行調(diào)研后，通過(guò)計(jì)算得出供暖熱負(fù)荷和生活熱水負(fù)荷，并計(jì)算得到所需的集熱器面積。

2.1.1 供暖熱負(fù)荷

供暖系統(tǒng)的供暖熱負(fù)荷值的計(jì)算公式為[6]：

式中，Qc為每小時(shí)供暖熱負(fù)荷，W；A0為建筑面積，m2，本文采用主體建筑面積，取值為198.72；q為采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷指標(biāo)，W/m2，根據(jù)村委會(huì)建筑的構(gòu)造及那曲市的氣候狀況，本文選取75。

通過(guò)式(1)的計(jì)算可知，村委會(huì)建筑的每小時(shí)供暖熱負(fù)荷約為14.9 kW，則其日供暖耗熱量為14.90×24 = 357.60 kWh。

2.1.2 生活熱水負(fù)荷

由于生活熱水系統(tǒng)以太陽(yáng)能供暖為主要熱源，電加熱為輔助熱源，在此基礎(chǔ)上增加1 個(gè)蓄熱水箱，以實(shí)現(xiàn)熱水的供應(yīng)。生活熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)負(fù)荷以3 人為例，每人每日熱水用量為80 L，則加熱水所需要吸收的熱量的計(jì)算式為[6]：

式中，Q為加熱水所需要吸收的熱量，kJ；c為水的定壓比熱容，kJ/(kg·℃)，取值為4.187；m為需加熱水的質(zhì)量，kg；t1為所需生活熱水的溫度，℃，本文取60；t0為冷水溫度，℃，本文取5。

通過(guò)式(2)的計(jì)算可知，生活熱水系統(tǒng)每日加熱水需吸收的熱量為 55268.4 kJ，即15.35 kWh。

2.1.3 供暖系統(tǒng)集熱面積的計(jì)算

綜合上述計(jì)算可知，供暖系統(tǒng)的總供暖耗熱量為372.95 kWh。因此，可計(jì)算得出直接太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的集熱面積，其公式為[6]：

式中，Ac為直接太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的集熱面積，m2；Qd為總供暖耗熱量，kWh；f為太陽(yáng)能保證率，取60%；JT為傾斜面日均太陽(yáng)總輻照量，kWh/m2，本文取5.78；ηcd為集熱器的年平均集熱效率，本文取46.5%；ηL為管路及儲(chǔ)水箱的熱損失率，本文取0.1。

通過(guò)式(3)的計(jì)算可知，直接太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的集熱面積為92.5 m2。

2.2 風(fēng)光儲(chǔ)智能微電網(wǎng)系統(tǒng)

風(fēng)光儲(chǔ)智能微電網(wǎng)系統(tǒng)主要包括光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、鋰電池儲(chǔ)能、能量管理(EMS)等子系統(tǒng)，可在并網(wǎng)和離網(wǎng)2 種模式下工作，具有高度的可靠性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)主要有儲(chǔ)能供電、光伏供電、市電/ 柴電補(bǔ)電和風(fēng)機(jī)補(bǔ)電等工作模式，需要按照具體用電需求設(shè)計(jì)控制策略，以提高整個(gè)供電系統(tǒng)的運(yùn)行效率，延長(zhǎng)使用壽命。

風(fēng)光儲(chǔ)智能微電網(wǎng)系統(tǒng)的工作模式選擇如下：

1)儲(chǔ)能供電工作模式。在夜間或太陽(yáng)輻照度弱的情況下，光伏發(fā)電系統(tǒng)無(wú)法正常供電時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)儲(chǔ)能變流器(PCS)逆變成標(biāo)準(zhǔn)的AC380 V、50～60 Hz 三相交流電，通過(guò)接入園區(qū)配電室的現(xiàn)有配電箱，為村委會(huì)建筑供電。

2)光伏供電工作模式。在太陽(yáng)輻照度良好且電網(wǎng)作為微電網(wǎng)母線電壓支撐源時(shí)，光伏組件通過(guò)逆變器輸出標(biāo)準(zhǔn)的AC380 V、50～60 Hz 三相交流電，為村委會(huì)建筑供電。

3)市電/柴電補(bǔ)電工作模式。在其他供電系統(tǒng)均不能供應(yīng)負(fù)載的用電需求時(shí)，啟用市電電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的AC380 V、50～60 Hz 三相交流電給鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)補(bǔ)電。

4)風(fēng)機(jī)補(bǔ)電工作模式。在風(fēng)能充足的情況下，風(fēng)力機(jī)輸出48 V 直流電，對(duì)不間斷電源(UPS)充電，從而保證微電網(wǎng)控制器始終處于有電狀態(tài)。

風(fēng)光儲(chǔ)智能微電網(wǎng)系統(tǒng)的供電工作模式要求具備并/離網(wǎng)單獨(dú)運(yùn)行及并/離網(wǎng)切換功能，用以滿足間歇性停電地區(qū)的建筑物的基本用電需求。以村委會(huì)建筑的負(fù)載功率為例，計(jì)算其總用電負(fù)荷，如表1 所示。

從表1 分析可知，該村委會(huì)建筑的日最大用電量約為115 kWh，因此光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的日發(fā)電量為120 kWh。

表1 村委會(huì)建筑的負(fù)載功率情況Table 1 Load power of village committee building

2.3 供氧系統(tǒng)

在高原高寒地區(qū)生活，氧含量低是無(wú)法避免的問(wèn)題，這些環(huán)境問(wèn)題也影響到了居民的壽命。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，內(nèi)地居民的平均壽命為74 歲，而藏區(qū)居民的平均壽命僅為68 歲[7]。由此可見(jiàn)，提升高寒高原地區(qū)生活環(huán)境中居民建筑內(nèi)的含氧量十分重要。

本文通過(guò)設(shè)置制氧機(jī)的方式達(dá)到提高密封空間的氧含量的目的，改善了人體所處環(huán)境的氧氣濃度，使人體能在一個(gè)舒適的條件下進(jìn)行氧保健，從而緩解缺氧癥狀。

3 主機(jī)選型

3.1 供暖設(shè)備

供暖系統(tǒng)由集熱器、蓄熱水箱、水泵、鼓風(fēng)機(jī)和散熱末端等設(shè)備組成，根據(jù)項(xiàng)目所在地的氣候參數(shù)及供暖熱負(fù)荷進(jìn)行集熱器選型。

集熱器選用直流型太陽(yáng)能雙通真空集熱管與高性能PCM 蓄能芯融合的太陽(yáng)能集熱器。其由聯(lián)箱、雙通真空集熱管、風(fēng)道及PCM 蓄能芯構(gòu)成，其中，PCM 蓄能芯置于雙通真空集熱管內(nèi)。為滿足要求，選用18 組型號(hào)為ZN-30F58-2100的空氣式太陽(yáng)能真空管集熱器，單組集熱器面積為5.1 m2。

散熱末端選用風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)，設(shè)計(jì)為低溫供暖，同時(shí)，根據(jù)使用時(shí)間，達(dá)到即用即開(kāi)的目的。風(fēng)機(jī)盤(pán)管作為散熱末端，采用的是超薄、靜音、立式、明裝的風(fēng)機(jī)盤(pán)管，以降低噪音。由于項(xiàng)目實(shí)施地在高原高寒地區(qū)，氣候多變，為保證風(fēng)光儲(chǔ)智能微電網(wǎng)多聯(lián)供系統(tǒng)可以克服極端寒冷天氣，滿足供暖需求，在建筑內(nèi)安裝了鋼制類型的散熱器12 臺(tái)。

3.2 光伏發(fā)電設(shè)備

在當(dāng)?shù)靥?yáng)輻照度良好的情況下，光伏組件滿功率日發(fā)電小時(shí)數(shù)可達(dá)5 h 以上。光伏發(fā)電系統(tǒng)的組件裝機(jī)容量的計(jì)算式為[8]：

式中，W為光伏發(fā)電系統(tǒng)的組件裝機(jī)容量，kWp；L為光伏發(fā)電系統(tǒng)組件的日發(fā)電量，kWh；H為日發(fā)電峰值小時(shí)數(shù)，h；η為光伏組件的系統(tǒng)綜合效率，取0.8。

通過(guò)實(shí)地調(diào)研(見(jiàn)表1)，取光伏發(fā)電系統(tǒng)組件的日發(fā)電量為120 kWh、日發(fā)電峰值小時(shí)數(shù)為5 h。代入式(4)可知，光伏發(fā)電系統(tǒng)的組件裝機(jī)容量(即峰值功率)為30 kWp。

光伏發(fā)電系統(tǒng)選用98 塊310 Wp單晶硅光伏組件，總裝機(jī)容量約為30.4 kWp；配置1 臺(tái)組串式并網(wǎng)逆變器。將所有組件分為5 個(gè)組串，其中4 個(gè)組串為每串20 塊組件，第5 個(gè)組串為18 塊組件，直流側(cè)接入儲(chǔ)能集裝箱內(nèi)的組串式并網(wǎng)逆變器。光伏組件的基本參數(shù)如表2 所示，組串式并網(wǎng)逆變器的參數(shù)如表3 所示。

表2 光伏組件的基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of PV modules

表3 組串式并網(wǎng)逆變器的參數(shù)Table 3 Parameters of string grid-connected inverter

3.3 風(fēng)力機(jī)

那曲市雖然瞬時(shí)風(fēng)速高，但風(fēng)向多變，最突出的問(wèn)題是空氣密度低，僅為內(nèi)陸低海拔地區(qū)的60%左右[7]，由于空氣密度低導(dǎo)致常規(guī)風(fēng)力機(jī)不能達(dá)到其在內(nèi)陸地區(qū)的額定功率。同時(shí)，由于風(fēng)向多變的特點(diǎn)，相比于水平軸風(fēng)力機(jī)，在西藏地區(qū)更適用垂直軸風(fēng)力機(jī)?；谝陨弦蛩?，文獻(xiàn)[9]提出了一種聚風(fēng)型直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)思路，筆者對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，使其可以在西藏地區(qū)良好運(yùn)行。前期的數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明，在不增加風(fēng)輪尺寸的條件下，借助聚風(fēng)裝置可以提升風(fēng)輪入流風(fēng)速和能量密度。在風(fēng)力機(jī)安裝之前，對(duì)聚風(fēng)型直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，以確保該類型風(fēng)力機(jī)的強(qiáng)度可滿足使用要求，以確保不斷開(kāi)、不損壞，運(yùn)行安全可靠。聚風(fēng)型直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的仿真結(jié)果如圖4、表4 所示。

圖4 聚風(fēng)型直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的發(fā)電功率曲線Fig. 4 Power curve of straight-bladed vertical axis wind turbine with wind gathering device

表4 聚風(fēng)型直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果Table 4 Structural calculation results of straight-bladed vertical axis wind turbine with wind gathering device

該聚風(fēng)型直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)具有阻轉(zhuǎn)矩低、啟動(dòng)風(fēng)速低和風(fēng)能利用系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。聚風(fēng)罩是聚風(fēng)型直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的重要部件，為保證其能滿足獲得更多風(fēng)能的要求，其內(nèi)側(cè)導(dǎo)流面需要嚴(yán)格符合B 樣條曲線(為貝茲曲線的一種一般化，可以對(duì)風(fēng)的導(dǎo)流起到更好的作用)，且不能大幅增加風(fēng)輪重量，因此聚風(fēng)罩的材質(zhì)優(yōu)選韌性好、質(zhì)量輕、易造型的復(fù)合材料。

風(fēng)力機(jī)控制器需選用優(yōu)質(zhì)元器件，以確保設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，完善的保護(hù)功能使該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可靠性高；在液晶顯示屏上可查看各種參數(shù)的變化情況，通過(guò)控制充電方式，可以保證液晶顯示屏的電池系統(tǒng)始終處于最佳充電狀態(tài)。本文所選的聚風(fēng)型直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的模型如圖5 所示，基本參數(shù)如表5 所示。

圖5 聚風(fēng)型直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的模型Fig. 5 Modal of straight-bladed vertical axis wind turbine with wind gathering device

表5 聚風(fēng)型直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的基本參數(shù)Table 5 Parameters of straight-bladed vertical axis wind turbine with wind gathering device

3.4 儲(chǔ)能系統(tǒng)

本文的儲(chǔ)能系統(tǒng)采用磷酸鐵鋰電池，該類電池較鉛酸電池壽命更長(zhǎng)，鉛酸電池的循環(huán)壽命約在300～500 次，而磷酸鐵鋰電池的循環(huán)壽命可達(dá)到3000 次以上[10]。目前光伏組件等發(fā)電設(shè)備的壽命均在20 年以上，因此選用磷酸鐵鋰電池能夠更好地匹配光伏組件等發(fā)電設(shè)備[5]。

考慮到高原高寒地區(qū)的特性，再結(jié)合當(dāng)?shù)鼐用竦挠秒娦枨蠹皩?shí)際用電負(fù)荷，從而確定采用的磷酸鐵鋰電池的體系，電池的具體參數(shù)如表6 所示；并根據(jù)負(fù)載特性設(shè)計(jì)電池總電量為82.944 kWh；再參考當(dāng)?shù)氐母吆畾夂颦h(huán)境，對(duì)電池進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)采用“9+1”抽屜式構(gòu)造。

3.5 供氧設(shè)備

采用ZL-ZD-08 壁掛式制氧機(jī)為村委會(huì)建筑中的28 m2臥室供氧。該制氧機(jī)操作簡(jiǎn)便，具有使用壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。制氧機(jī)的基本參數(shù)如表7 所示。

表7 制氧機(jī)的基本參數(shù)Table 7 Basic parameters of oxygenerator

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了可應(yīng)用于高寒高原地區(qū)的風(fēng)光儲(chǔ)智能微電網(wǎng)多聯(lián)供系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電、暖、氧氣、生活熱水的聯(lián)合供給。風(fēng)光儲(chǔ)智能微電網(wǎng)多聯(lián)供系統(tǒng)是新能源在高寒高原地區(qū)建筑綜合能源系統(tǒng)的示范應(yīng)用，建筑所在地區(qū)的氣象條件，太陽(yáng)能和風(fēng)能資源特征，建筑物結(jié)構(gòu)和建筑電、熱負(fù)荷需求是風(fēng)光儲(chǔ)智能微電網(wǎng)多聯(lián)供系統(tǒng)集成和方案設(shè)計(jì)的首要條件。

以那曲市羅瑪鎮(zhèn)加貢村某村委會(huì)新建建筑為研究對(duì)象，集成的風(fēng)光儲(chǔ)智能微電網(wǎng)多聯(lián)供系統(tǒng)選用了直流型太陽(yáng)能雙通真空集熱管與高性能PCM 蓄能芯融合的單組面積為5.1 m2太陽(yáng)能集熱器18 組、310 Wp單晶硅光伏組件98 塊，并配置了1 臺(tái)組串式并網(wǎng)逆變器、500 W 聚風(fēng)型直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)、82.944 kWh 的磷酸鐵鋰電池組和1 臺(tái)ZL-ZD-08 壁掛式制氧機(jī)。集成的風(fēng)光儲(chǔ)智能微電網(wǎng)多聯(lián)供系統(tǒng)可滿足該村委會(huì)建筑的供電、供暖(含生活熱水)、供氧的需求，為高寒高原地區(qū)建筑實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)的示范提供了解決方案。