塬地太陽(yáng)能風(fēng)能互補(bǔ)直流發(fā)電蓄電建筑的供暖研究

趙志軍， 劉 凱*， 申曄龍

(1.中國(guó)建筑西北設(shè)計(jì)研究院有限公司， 陜西 西安 710018；2.安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司， 河南 安陽(yáng) 455000)

在當(dāng)前各種可再生能源應(yīng)用技術(shù)中，太陽(yáng)能和風(fēng)能電力系統(tǒng)以可觀的低成本、成熟的安裝技術(shù)和靈活的配置推動(dòng)其不斷合規(guī)增長(zhǎng)。2020年上半年，受新冠肺炎疫情影響，全球用電需求量下降了3%，而風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電同比增加了14%，48個(gè)國(guó)家和地區(qū)中，風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電量從2019年的1.13×109MW·h增加到2020年上半年的9.92×109MW·h[1]。我國(guó)風(fēng)能和太陽(yáng)能主要在西北的縣級(jí)地區(qū)，但縣級(jí)地區(qū)的電網(wǎng)配套和規(guī)劃建設(shè)滯后，局部地區(qū)網(wǎng)間外送限制其并網(wǎng)。此外當(dāng)?shù)赜秒娯?fù)荷小，導(dǎo)致就地消納能力有限，而外部消納又受限，這就產(chǎn)生了風(fēng)電、光電被棄的現(xiàn)象[2]。2017年，中國(guó)的太陽(yáng)能發(fā)電削減率約為6%，甘肅省和新疆維吾爾自治區(qū)的棄風(fēng)電率分別為47%和45%[3-4]。2010—2016年，中國(guó)的平均棄風(fēng)電率超過(guò)10%[5]。太陽(yáng)能、風(fēng)能的間歇性和不確定性，導(dǎo)致風(fēng)速和輻照度值在很大程度上取決于位置、時(shí)間和大氣環(huán)境。因此，許多研究提出通過(guò)供暖、供水、照明、農(nóng)村農(nóng)業(yè)電力機(jī)械等就地消納利用被棄的風(fēng)電、光電功率，并設(shè)計(jì)如多能互補(bǔ)的供暖技術(shù)就地解決消納棄風(fēng)電問(wèn)題[2]。

渭北西部塬地地區(qū)，風(fēng)、光資源豐富，住戶總體聚居，局部分散。分散民居獨(dú)立的燃煤采暖能耗大，污染物排放大，清潔熱源比重低。此外集中供暖供燃?xì)庠谲氐貐^(qū)因翻山越嶺使得管道鋪設(shè)難以實(shí)現(xiàn)，集中供熱條件不足[6]。

本文為解決塬地居民家庭低品位熱能的需要，將風(fēng)、光轉(zhuǎn)化為電，使用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電取暖，替代燃煤供暖，提出一種光能風(fēng)能互補(bǔ)的微熱電網(wǎng)供暖系統(tǒng)。此系統(tǒng)利用被棄太陽(yáng)能和風(fēng)電功率實(shí)現(xiàn)靈活的電熱功率轉(zhuǎn)換輸出，可以就近用戶分散接入，就地消納，解決當(dāng)?shù)剞r(nóng)村供暖問(wèn)題。

1 建筑熱源及建筑熱負(fù)荷分析

1.1 風(fēng)能發(fā)電制熱系統(tǒng)

本文以陜西省咸陽(yáng)市旬邑縣土橋鎮(zhèn)太陽(yáng)能風(fēng)能發(fā)電站為例，研究太陽(yáng)能風(fēng)能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的性能。土橋鎮(zhèn)地處渭北黃土高原西部溝壑區(qū)域，地形主要以山塬面為主，河道地勢(shì)低，塬地高，高差近1000 m，日照和地形導(dǎo)致塬面和河谷溫差變化大，氣體流動(dòng)明顯，所以常年存在山谷風(fēng)等形式的風(fēng)力資源，屬國(guó)家四類風(fēng)區(qū)，年平均風(fēng)速5～8 m/s。塬地冬季平均氣溫較低，風(fēng)量大。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電量低于水平軸永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電量，所以土橋鎮(zhèn)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)建設(shè)的是23臺(tái)2.2 MW的水平軸永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，風(fēng)機(jī)塔筒高達(dá)90 m，單片葉片長(zhǎng)61 m，最小啟動(dòng)風(fēng)速2.5 m/s，額定風(fēng)速10.5 m/s，切出風(fēng)速為20 m/s，塬地風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)如圖1。

圖1 塬地風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)

水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組年度等效滿負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)1955 h，預(yù)計(jì)年上網(wǎng)電量為97 755.5 MW·h，單機(jī)容量2500 kW。單臺(tái)風(fēng)機(jī)年發(fā)電量420萬(wàn)kW·h左右。實(shí)驗(yàn)[7]表明，水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)速在11～14 m/s時(shí)發(fā)電效率最高，可達(dá)1200～1500 W，此風(fēng)速分布大約占25%，可以作為本次研究的參考。

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)量不穩(wěn)定，產(chǎn)生的是交變流電，而直流電比交流電容易控制，所以本研究利用二極管全橋整流電路(圖2)把風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)的交流電變成直流電利用。圖2中AC2的端口1、2接全橋電路兩端，變壓后就可以得到13～25 V的交流電AC2。電流經(jīng)過(guò)保護(hù)電路整流以后輸出直流電，也可以通過(guò)逆變電源對(duì)蓄電瓶充電使電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，需要時(shí)再把電瓶里的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成直流電以保證穩(wěn)定使用。電流表AM1是串在電路中的，電壓表VM1是并接在負(fù)荷兩端的。二極管單向?qū)?，使得從AC2端口1來(lái)的電流經(jīng)過(guò)D1后進(jìn)入負(fù)載，然后從D3流回AC2的端口2。電流從0開(kāi)始變大，電壓也相應(yīng)從0變大到220 V，然后電壓、電流再逐漸減歸到0。

圖2 交流風(fēng)電變直流電原理圖

換向后AC2的端口2來(lái)的電流經(jīng)過(guò)D2后進(jìn)入負(fù)載，然后從D4流回到AC2的端口1。電流從0開(kāi)始變大，電壓也相應(yīng)從0變大到220 V，然后電壓、電流再逐漸減歸到0。全橋電路把負(fù)載兩端兩個(gè)方向的交流電流變成一個(gè)方向的直流電。

根據(jù)貝茲(Betz)的風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)理論可得風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率Pwd的計(jì)算公式為[8]

(1)

其中Cp為風(fēng)能利用變量系數(shù)，由風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和葉片參數(shù)決定，取最大值0.593；Pw是風(fēng)力系統(tǒng)中氣流功率(W)；S為風(fēng)力發(fā)電機(jī)迎風(fēng)面的面積(m2)；Vf為風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作時(shí)的風(fēng)速(m/s)；ρ為空氣密度(1.29 kg/m3)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)參數(shù)表

1.2 太陽(yáng)能發(fā)電制熱系統(tǒng)

山塬面地勢(shì)高，成帶狀平緩分布，可利用的太陽(yáng)能資源條件優(yōu)越，年平均日照時(shí)數(shù)達(dá)2390 h，太陽(yáng)輻射總量達(dá)5 024.16 MJ/m2，如圖3所示。

圖3 年均太陽(yáng)總輻射分布 圖4 塬地光伏發(fā)電場(chǎng)

塬地光伏發(fā)電場(chǎng)(圖4)計(jì)劃采用“主電上網(wǎng)、余電自用”的方式利用光伏電能。

光伏電池板發(fā)出的直流電，可通過(guò)直流-直流(DC/DC)變流器給離網(wǎng)系統(tǒng)的蓄電池供電，光伏系統(tǒng)物理模型的發(fā)電功率Ppv的計(jì)算公式為[9]

(2)

其中Psc為單個(gè)光伏模塊的輸出功率(W)；Nsc為光伏系統(tǒng)中光伏模塊的數(shù)量；QE為單個(gè)光伏模塊全年的發(fā)電量(kW·h)；A為單個(gè)光伏模塊的面積(m2)；ηsc為系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率(取0.56)，包含運(yùn)行的衰減、灰塵遮擋、溫度損失因子、逆變器轉(zhuǎn)換效率、朝向及傾斜角修正；εsc為單個(gè)光伏模塊電熱轉(zhuǎn)換效率(取0.8)；h為全年峰值日照時(shí)數(shù)(h)。

太陽(yáng)能電池發(fā)電光伏組件的參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 太陽(yáng)能電池發(fā)電光伏組件的參數(shù)

根據(jù)建筑熱負(fù)荷(Qheat)計(jì)算變壓器低壓側(cè)實(shí)際供電電流IL(A)，并以此選擇變壓器。太陽(yáng)能發(fā)的電為直流電，不需要半橋或者全橋轉(zhuǎn)換電路，但需要變壓，變壓器選擇計(jì)算公式為[9]

(3)

其中P2為變壓器低壓側(cè)輸出功率(kW)；UN為變壓器低壓側(cè)額定電壓與電纜壓降之差(0.38 kV)；cosφ為功率因素，是有功功率P和視在功率S的比值，這里取0.8；η為變換效率，取0.92；Qheat為建筑設(shè)計(jì)供熱負(fù)荷(kW)，由于這里電熱供暖系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率可達(dá)98.68%，過(guò)程熱損失可以忽略不計(jì)，所以這里取P2與Qheat相等[10]。

1.3 建筑熱工分析

2019年土橋塬地冬季氣溫、歷史風(fēng)向、歷史風(fēng)力和日照等歷史天氣狀況數(shù)據(jù)(表3)從SolarGIS和WeatherSpark得到。

表3 歷史天氣狀況數(shù)據(jù)

土橋塬地氣候冬長(zhǎng)夏短，1月份最冷(平均氣溫-4.5 ℃)，冬季日均氣溫≤10 ℃，日氣溫變化范圍都小于15 ℃，多西北風(fēng)，氣流下沉，風(fēng)速小(2.5～2.7 m/s)。夏季多東南風(fēng)，年平均風(fēng)速2.8 m/s。春季冷暖交替，空氣流動(dòng)頻繁，風(fēng)速最大(2.9～3.2 m/s)[11-13]。取典型氣象年最冷月份中溫度的日平均值與該月平均值最接近的1月19日為冬季典型氣象日。日均達(dá)到地面的短波太陽(yáng)能直接輻射(DNI)、總水平輻射(GHI)、風(fēng)速和干球溫度如圖5所示。

圖5 冬季典型日逐時(shí)氣象參數(shù)

根據(jù)圖5，典型日1月19日太陽(yáng)總輻射7.73 MJ/m2，最高溫度2.89 ℃，最低溫度-12.11 ℃，日平均溫度-4.3 ℃。塬上90 m高度的風(fēng)速為3～6 m/s。

當(dāng)?shù)厣杰貐^(qū)沒(méi)有通燃?xì)夂图泄┡臈l件，居民采暖大多采用煤炭。因此，選取村里一個(gè)典型住戶進(jìn)行調(diào)研測(cè)驗(yàn)，其住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)為磚混墻體，無(wú)保溫面層，鋁合金門(mén)窗，普通玻璃。住戶年度采暖耗煤990 kg，按照標(biāo)煤發(fā)熱量29 307.6 kJ/kg，可以計(jì)算得到年耗熱量為29 061 463.05 kJ，等同于8 072.63 kW·h。

以O(shè)penStudio和EnergyPluse模擬此戶型建筑電熱采暖的模型如圖6所示。供熱末端采用加熱電纜地板輻射采暖，無(wú)需一、二級(jí)熱水供暖管網(wǎng)，利用當(dāng)?shù)氐呐潆娫O(shè)施系統(tǒng)，直接式的加熱電纜通電后內(nèi)芯熱線消耗電熱功率發(fā)熱，實(shí)現(xiàn)電能向熱能的轉(zhuǎn)化，熱能通過(guò)地板面以對(duì)流和輻射的形式給建筑室內(nèi)供暖，提高人體熱舒適度。

圖6 Sketchup建筑模型

依此模擬計(jì)算供暖典型設(shè)計(jì)日24 h渭北塬地建筑熱負(fù)荷，進(jìn)而分析風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)廢棄電功率的供熱量與建筑熱負(fù)荷的匹配情況。

設(shè)定雙導(dǎo)加熱電纜線功率為17 W/m[10]，再利用OpenStudio和EnergyPluse模擬計(jì)算得到土橋鎮(zhèn)單層實(shí)驗(yàn)住戶建筑熱負(fù)荷計(jì)算書(shū)簡(jiǎn)略表如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)住戶熱負(fù)荷計(jì)算書(shū)簡(jiǎn)略表

典型實(shí)驗(yàn)住戶不含戶間傳熱時(shí)的室內(nèi)供暖總熱負(fù)荷約為7.65 kW。熱負(fù)荷隨著室外的溫度和太陽(yáng)輻射照度在不斷變化，09:00—18:00時(shí)間段溫度高，熱負(fù)荷小，18:00—次日09:00時(shí)間段溫度低，熱負(fù)荷大。建筑的供熱量應(yīng)根據(jù)建筑熱負(fù)荷的變化進(jìn)行分時(shí)段調(diào)節(jié)控制，不宜按最大熱負(fù)荷定量供熱，這樣白天09:00—16:00時(shí)間段熱負(fù)荷小，過(guò)量供熱導(dǎo)致熱舒適體驗(yàn)差，還造成不必要的能源消耗。

1.4 蓄電池模型描述

(4)

其中K為安全系數(shù)，取1.25；I為負(fù)載電流(A)；T為放電小時(shí)數(shù)(h)；η為充放電及逆變器的容量系數(shù)，取1；α為蓄電池放電溫度系數(shù)，取0.006；t為蓄電池最低環(huán)境溫度(℃)；P為負(fù)載功率(kW)；ΔU為蓄電池放電期間的平均電壓減去逆變器與蓄電池之間的電纜壓降(V)；Qhi為實(shí)時(shí)供熱量(kW)。

系統(tǒng)采用14 V/30 Ah的鉛酸蓄電池，充電電流為2～10 Ah，充電電壓為14.4～14.9 V，比容為35～50 W·h/kg，比功率為75～300 W/kg。

1.5 熱源系統(tǒng)原理及系統(tǒng)模型

塬地晴天光能充沛，夜晚和風(fēng)雨天風(fēng)能充沛，這一特性使得太陽(yáng)能、風(fēng)能單獨(dú)使用不能穩(wěn)定可靠地供電供熱[13]。風(fēng)能的間歇性、可變性決定了其需要其他可再生能源作為互補(bǔ)。風(fēng)能和太陽(yáng)能之間的時(shí)域互補(bǔ)特性規(guī)避彼此的產(chǎn)能產(chǎn)熱缺陷，促進(jìn)熱與電功率互補(bǔ)技術(shù)的應(yīng)用，為微熱網(wǎng)系統(tǒng)提供可靠的電源和熱源[5]。風(fēng)能和太陽(yáng)能之間的緊密耦合有更好的可調(diào)度性，以此做熱源時(shí)，需要分析供熱實(shí)際利用的棄風(fēng)電和光電，這里以棄風(fēng)、光電率來(lái)衡量能源的利用率，計(jì)算公式為

(5)

式中ε為棄風(fēng)、光電率；Pwd為風(fēng)力電站的發(fā)電功率；Ppvi為光伏電站的發(fā)電功率；Ptrans為電網(wǎng)最大輸送電功率，由當(dāng)?shù)匾?guī)劃設(shè)計(jì)確定，這里假設(shè)其為零，全部由當(dāng)?shù)毓嶂评湎{；Pcsm為內(nèi)部電負(fù)荷消納電功率，冬季全部由制熱及其系統(tǒng)動(dòng)力消納，夏季可由供冷確定，以當(dāng)?shù)氐睦錈崃縼?lái)平衡棄光電的功率。

以加熱電纜輻射采暖計(jì)算，供熱系統(tǒng)熱源站為小型熱源站，輻射半徑為1 km。內(nèi)部負(fù)荷消納電量包括當(dāng)?shù)貙?shí)時(shí)利用和熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)的電熱，熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)能夠?yàn)檎麄€(gè)熱力系統(tǒng)提供服務(wù)。根據(jù)熱源系統(tǒng)原理建立供熱動(dòng)力系統(tǒng)模型，結(jié)合塬地實(shí)際天氣數(shù)據(jù)和分布式區(qū)域熱負(fù)荷需求，分析供熱動(dòng)力系統(tǒng)的熱電輸出特性。采用MATLAB/Simulink仿真軟件建立互補(bǔ)熱源配電系統(tǒng)的模型(圖7)。建筑供暖熱源系統(tǒng)由光伏系統(tǒng)、風(fēng)力系統(tǒng)、蓄電池和電加熱負(fù)荷設(shè)備組成。熱源系統(tǒng)中熱能來(lái)自于光伏與風(fēng)能廢棄電功率，將廢棄電功率轉(zhuǎn)換成熱能用于建筑供暖。熱源的熱功率輸出與建筑需熱量完美匹配時(shí)，節(jié)能效果最明顯，運(yùn)維更經(jīng)濟(jì)。

圖7 MATLAB建立的供熱系統(tǒng)模型

利用太陽(yáng)能和風(fēng)能產(chǎn)出的電功率，在使用電加熱裝置保證建筑物供暖需求條件下，將低負(fù)荷時(shí)段系統(tǒng)收集的多余電能就近分配存儲(chǔ)在蓄電池存儲(chǔ)系統(tǒng)中，靈活地提供可調(diào)度電源，以解決極端天氣供熱量與熱負(fù)荷需求不匹配的問(wèn)題。模型中太陽(yáng)能和風(fēng)力系統(tǒng)的發(fā)電功率是互相獨(dú)立的，但與氣象數(shù)據(jù)有關(guān)。讀取歷史典型日的日照和風(fēng)力氣象數(shù)據(jù)，依據(jù)工程資料輸入設(shè)備數(shù)據(jù)、負(fù)荷數(shù)據(jù)以及運(yùn)行策略數(shù)據(jù)。

針對(duì)建筑供熱需求和MATLAB建立的供熱系統(tǒng)模型提出4種光伏-風(fēng)能系統(tǒng)運(yùn)行控制策略，運(yùn)行策略流程圖如圖8所示。

作為“尋根文學(xué)”作家中的一個(gè)異類，莫言開(kāi)辟了一個(gè)獨(dú)特的鄉(xiāng)土世界。因?qū)枢l(xiāng)——高密東北鄉(xiāng)懷有愛(ài)恨交織且無(wú)法擺脫的復(fù)雜感情，他緊跟故土的呼喚，以靈魂這一崇高形式重返精神家園?！都t高粱家族》中“我爺爺”、“我奶奶”等形象的設(shè)立充分說(shuō)明了莫言對(duì)先輩的懷念，貫穿始終的紅高粱是他對(duì)故鄉(xiāng)自然景物的敬畏，故事中處處體現(xiàn)的民俗情節(jié)是他對(duì)家鄉(xiāng)的永恒記憶。鄉(xiāng)土情結(jié)對(duì)莫言的創(chuàng)作起著重要的作用，但他不滿足于對(duì)故鄉(xiāng)進(jìn)行單純的書(shū)寫(xiě)，他立足于民族的高度，深入挖掘一個(gè)民族對(duì)生命意識(shí)的理解與反抗，實(shí)現(xiàn)了鄉(xiāng)土情結(jié)的升華。

圖8 運(yùn)行控制策略流程圖

控制策略1：若實(shí)時(shí)熱負(fù)荷(Qhi)需求小于等于光伏系統(tǒng)的發(fā)電功率(Ppvi)，則此時(shí)的熱負(fù)荷需求由光伏系統(tǒng)提供，多余的光伏和風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的直流電功率由蓄電池存儲(chǔ)(Phs)。

控制策略2：若實(shí)時(shí)熱負(fù)荷(Qhi)需求小于等于風(fēng)力系統(tǒng)的發(fā)電功率(Pwd)，則此時(shí)的熱量需求由風(fēng)力系統(tǒng)提供，多余的光伏和風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的直流電力由蓄電池存儲(chǔ)。

控制策略3：若實(shí)時(shí)熱負(fù)荷(Qhi)大于光伏系統(tǒng)或風(fēng)力系統(tǒng)的發(fā)電功率，但小于光伏和風(fēng)力系統(tǒng)的總和發(fā)電功率(Ppvi+Pwd)，則由光伏和風(fēng)力系統(tǒng)聯(lián)合給建筑供熱。

控制策略4：若實(shí)時(shí)熱負(fù)荷(Qhi)大于光伏和風(fēng)力系統(tǒng)的總和發(fā)電功率，此時(shí)要以最不利條件配置系統(tǒng)，就要求在光伏和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總發(fā)電功率提供熱量的同時(shí)，熱能存儲(chǔ)器系統(tǒng)存儲(chǔ)(Phs)也提供熱量，從而滿足供熱要求。

2 結(jié)果與討論

2.1 互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的性能

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試計(jì)算，整個(gè)冬季日發(fā)電量為100.38～143.36 kW·h，并網(wǎng)利用率25.34%。冬季典型日光伏和風(fēng)能系統(tǒng)的最大理論棄風(fēng)電的變化以及模擬得到建筑熱負(fù)荷需求情況如圖9所示。

圖9 負(fù)荷與供熱量分布圖

風(fēng)力系統(tǒng)全天發(fā)電，而太陽(yáng)能系統(tǒng)只能在白天發(fā)電，最大理論棄風(fēng)電功率損耗和建筑逐時(shí)熱負(fù)荷都由氣象條件決定。圖9表明4種太陽(yáng)能-風(fēng)能系統(tǒng)運(yùn)行控制策略中，策略1的情況是不存在的，因?yàn)闊嶝?fù)荷恒大于太陽(yáng)能的供熱功率，在時(shí)域上熱負(fù)荷與供熱量不對(duì)等。策略2的情況存在，08:00—18:00之間風(fēng)電功率大于熱負(fù)荷功率，如果不加以利用就會(huì)造成棄風(fēng)電現(xiàn)象；而其他時(shí)間段又不足以平衡建筑熱負(fù)荷，也是典型的時(shí)域不對(duì)等。策略3是策略1和策略2的復(fù)合，同樣，太陽(yáng)能風(fēng)能總的發(fā)電量與熱負(fù)荷在時(shí)域上不對(duì)等，需要轉(zhuǎn)移互補(bǔ)系統(tǒng)的總熱功率輸出時(shí)段與建筑熱負(fù)荷變化匹配，使其在時(shí)域上對(duì)等，同時(shí)抑制風(fēng)能和太陽(yáng)能系統(tǒng)的功率損耗。

系統(tǒng)電功率損耗隨時(shí)間變化，太陽(yáng)能風(fēng)能互補(bǔ)系統(tǒng)本身能解決冬季典型日白天太陽(yáng)能熱功率不足的問(wèn)題，但是互補(bǔ)系統(tǒng)在夜間仍然不能滿足建筑供暖需求。因此需要并入蓄電系統(tǒng)蓄電來(lái)緩沖互補(bǔ)系統(tǒng)的時(shí)域不對(duì)等性，以匹配建筑逐時(shí)熱負(fù)荷。依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參數(shù)和運(yùn)行策略優(yōu)化采光板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和蓄電池的模型參數(shù)，用MATLAB/Simulink仿真模擬運(yùn)行控制策略4得到供熱系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分布，如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)的供熱量動(dòng)態(tài)特性分布圖

從圖10可以看出，風(fēng)機(jī)、光伏和電池提供的總功率達(dá)到658 W，350 s后達(dá)到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，此時(shí)整流器的功率損耗小于10%，整流器、變壓器及其他元器件的功率損耗為58 W。

不同輻射照度、溫度和風(fēng)速下，控制系統(tǒng)可以提取和跟蹤光伏的最大功率，并根據(jù)負(fù)荷需求運(yùn)行供熱系統(tǒng)和蓄電池的充電放電使供需平衡。環(huán)境變化或系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化時(shí)，控制系統(tǒng)需要快速地平衡系統(tǒng)的供熱量和需熱量，此時(shí)需要蓄電池能夠在200～400 s的時(shí)間內(nèi)補(bǔ)充風(fēng)、光能無(wú)法維持的建筑所需熱量。蓄電系統(tǒng)白天輸入能量、夜間輸出能量與光伏風(fēng)能系統(tǒng)的變化互補(bǔ)，蓄電池穩(wěn)定電功率為46.33 W。依據(jù)控制策略4運(yùn)行整個(gè)供熱系統(tǒng)，得到冬季典型日光伏-風(fēng)能-蓄電互補(bǔ)系統(tǒng)的功率輸出，如圖11所示。

圖11 負(fù)荷與蓄熱供熱量分布圖

圖11表明，把蓄電池并入系統(tǒng)后可以對(duì)電流轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)，再通過(guò)系統(tǒng)整流器PI控制，就能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的儲(chǔ)電放電功能，進(jìn)而由系統(tǒng)供應(yīng)建筑實(shí)時(shí)的需電功率，保證了輸出功率滿足大負(fù)荷時(shí)段的供熱量，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力和光伏發(fā)電的轉(zhuǎn)移以滿足逐時(shí)的負(fù)荷需求。

2.2 互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的匹配

光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大理論發(fā)電量隨著裝機(jī)容量的增加而提高。對(duì)于風(fēng)、光發(fā)電系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)4種控制策略運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)力系統(tǒng)的容量比例固定的情況下，增加光伏和風(fēng)力系統(tǒng)的總裝機(jī)容量也有利于與建筑熱負(fù)荷匹配。但這完全沒(méi)有必要，因?yàn)殡S著蓄電池容量的增加，光伏和風(fēng)力互補(bǔ)系統(tǒng)的棄風(fēng)電的損耗功率利用率最大為7.06%，利用蓄電系統(tǒng)緩沖即可解決在峰值能源期間的功率不匹配問(wèn)題。此外，當(dāng)蓄電系統(tǒng)容量保持恒定時(shí)，增加光伏和風(fēng)力系統(tǒng)的總?cè)萘?，或增加風(fēng)力系統(tǒng)的容量，都會(huì)導(dǎo)致光伏和風(fēng)力系統(tǒng)功率損耗的增加。

熱源站輻射范圍1 km內(nèi)有3個(gè)比較集中的村子，總共136戶居民，按照典型用戶的用熱量計(jì)算得到3個(gè)村子總用熱量8.78×105kW·h。選擇495 MW的光伏和1980 MW的風(fēng)電，根據(jù)典型用戶的逐時(shí)熱負(fù)荷分布來(lái)調(diào)配控制接入熱用戶供熱系統(tǒng)的功率輸出和總裝機(jī)容量，實(shí)現(xiàn)了相對(duì)較高的棄風(fēng)電功率損耗利用率(70.87%)，此時(shí)熱能存儲(chǔ)器容量為50 GW。

供熱系統(tǒng)設(shè)置的中小型電熱源站，風(fēng)力發(fā)電最多，為54.64%；光伏發(fā)電最少，為20.36%；蓄電系統(tǒng)的總功率占18.44%。供熱系統(tǒng)的風(fēng)電、光電、蓄電在整個(gè)供暖季的運(yùn)行與負(fù)荷的匹配供熱效率可以達(dá)到88.55%，失配率僅為2.74%。此外，在有良好的太陽(yáng)能資源的情況下，即便蓄電系統(tǒng)已滿使得多余的電能被浪費(fèi)損耗，總的棄風(fēng)電損耗率還是降到了29.13%。

采用MATLAB/Simulink建立互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的模型，以實(shí)現(xiàn)近100%的可再生能源供熱，并分析了直流電供熱系統(tǒng)的熱能輸出特性。根據(jù)整個(gè)冬季及冬季典型日的參數(shù)動(dòng)態(tài)分析，太陽(yáng)能風(fēng)能互補(bǔ)系統(tǒng)的功率輸出在白天部分情況下可以滿足建筑的熱負(fù)荷，但是時(shí)域不匹配，所以高溫天氣或者高溫時(shí)段蓄電系統(tǒng)蓄電，以此來(lái)緩沖匹配波動(dòng)的建筑熱負(fù)荷，抑制棄風(fēng)電的功率損耗。低溫天氣為用熱高峰期，此時(shí)風(fēng)能或太陽(yáng)能能源不足，蓄電互補(bǔ)系統(tǒng)通?？梢栽谟媚芨叻鍟r(shí)期供給以匹配需要。

渭北西部農(nóng)村的山塬地形使住戶總體聚居，局部分散；也使得配套市政熱力和燃?xì)怆y度大，且檢修難度極大，投資建設(shè)成本難以估計(jì)。利用可再生風(fēng)電互補(bǔ)能源及蓄電池構(gòu)建小型離網(wǎng)電熱采暖系統(tǒng)，輻射范圍小，熱損失小，且能滿足建筑熱負(fù)荷需求，清潔能源利用率高，相對(duì)于流體介質(zhì)供暖運(yùn)行費(fèi)用低，相對(duì)于分散獨(dú)立的燃煤采暖也更為清潔環(huán)保。

3 結(jié)論

本文研究根據(jù)塬地地區(qū)的地理優(yōu)勢(shì)和不足，及山塬地形風(fēng)能與太陽(yáng)能優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的特點(diǎn)，提出可再生能源太陽(yáng)能風(fēng)能互補(bǔ)直流電蓄電供熱系統(tǒng)，是一種小型的離網(wǎng)電熱供暖技術(shù)。在時(shí)域上，利用低成本的電能存儲(chǔ)將間歇性的太陽(yáng)能和隨機(jī)性的風(fēng)能耦合，實(shí)現(xiàn)建筑連續(xù)供熱和建筑熱負(fù)荷的匹配。此外，本系統(tǒng)就近用戶分散接入，就地消納風(fēng)能和太陽(yáng)能，直接面向用戶，直流建筑用戶根據(jù)實(shí)際需求合理控制取暖的溫度及時(shí)間，系統(tǒng)布置和運(yùn)行方式靈活，運(yùn)維相對(duì)于市政或者生物質(zhì)技術(shù)簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)。在解決塬地居民冬季供暖的同時(shí)提高了分布式清潔能源在終端能源消耗中的比重。