家用智能可再生能源熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

牛海霞，董正茂，侯曉東

(1.內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.華潤(rùn)電力控股有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

我國(guó)北方牧區(qū)常規(guī)能源較為短缺，電網(wǎng)覆蓋有限，人民居住分散，許多地區(qū)無(wú)法實(shí)現(xiàn)集中供電，但可再生能源的儲(chǔ)量卻非常豐富，其中太陽(yáng)能、風(fēng)能等是主要可利用的新型能源。其中太陽(yáng)能分布區(qū)域范圍廣、清潔安全、循環(huán)可再利用，是取之不盡、用之不竭的初級(jí)能源，也是有益于人類生存環(huán)境的綠色能源；風(fēng)能是太陽(yáng)能的一種轉(zhuǎn)化形式，據(jù)估計(jì)到達(dá)地球的太陽(yáng)能中雖然只有大約2%轉(zhuǎn)化為風(fēng)能，但其總量仍是十分可觀的。風(fēng)力發(fā)電利用的是自然能源，沒(méi)有燃料問(wèn)題，也不會(huì)產(chǎn)生輻射或空氣污染，是一種特別好的發(fā)電方式，相對(duì)火電、核電等發(fā)電要更加綠色、環(huán)保。內(nèi)蒙古草原上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)能設(shè)施日趨進(jìn)步，大量生產(chǎn)成本較低，在適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)，風(fēng)力發(fā)電成本已低于發(fā)電機(jī)。風(fēng)能設(shè)施多為不立體化設(shè)施，也可保護(hù)草原陸地和生態(tài)。

目前，我國(guó)北方地區(qū)供暖主要來(lái)源于火電廠和專門的熱力公司，火電廠利用抽汽式汽輪機(jī)或背式汽輪機(jī)的抽汽和排汽，為工廠或居民提供不同壓力的蒸汽來(lái)供熱，這種既能生產(chǎn)電能又使用蒸汽對(duì)用戶供熱的生產(chǎn)方式稱為熱電聯(lián)產(chǎn)。相對(duì)于分別供電、熱能的方式，熱電聯(lián)產(chǎn)更為節(jié)能，同樣的原理還可以應(yīng)用到太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源上，從而實(shí)現(xiàn)高效率、無(wú)排放、零污染的可再生能源熱電聯(lián)產(chǎn)。

目前，部分地區(qū)牧民使用離網(wǎng)型光伏、風(fēng)力發(fā)電蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)供電，僅供日常照明、簡(jiǎn)單電氣設(shè)備用電。牧區(qū)供暖主要以燃燒煤炭、畜牧糞便為主，這種原始燃燒取暖方式，既不方便，又污染環(huán)境。為解決牧區(qū)生活和生產(chǎn)供熱、供電問(wèn)題，改善牧區(qū)人民生活條件，筆者利用太陽(yáng)能、風(fēng)能最具規(guī)?；瘽摿Φ臒犭娐?lián)產(chǎn)可再生能源，優(yōu)化設(shè)計(jì)家用智能可再生能源熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)于節(jié)能減排、改善環(huán)境以及實(shí)現(xiàn)綠色經(jīng)濟(jì)具有積極的意義。

1 太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)工作原理及設(shè)計(jì)思路

人類賴以生存的自然資源幾乎全部從太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化而來(lái)，太陽(yáng)能作為清潔的可再生能源，是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)能源之一。內(nèi)蒙古全區(qū)日照充足，太陽(yáng)能資源豐富，全區(qū)太陽(yáng)能理論蘊(yùn)藏量為63.918×106億MJ，占全國(guó)理論蘊(yùn)藏量的12.06%，全區(qū)太陽(yáng)能資源自東北向西南遞增，平均太陽(yáng)總輻射量在5 398MJ/m2～5 889MJ/m2之間，年日照時(shí)數(shù)在2 700h～3 400h之間。本設(shè)計(jì)結(jié)合草原牧區(qū)豐富的光資源，利用光熱轉(zhuǎn)化原理，設(shè)計(jì)供熱系統(tǒng)，向牧區(qū)人民生活及生產(chǎn)供熱。

太陽(yáng)能目前利用的方式主要有光熱和光電。光電利用是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，如光伏發(fā)電；光熱利用是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能，如太陽(yáng)能熱水器。太陽(yáng)能光熱發(fā)電原理是指利用大規(guī)模陣列拋物或碟形鏡面收集太陽(yáng)熱能，通過(guò)換熱裝置提供蒸汽，推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)工作，從而達(dá)到發(fā)電的目的。

現(xiàn)有的太陽(yáng)能供熱裝置一般通過(guò)太陽(yáng)能集熱器、集熱水箱、連接管路等部件給人們提供熱水。由于太陽(yáng)能受時(shí)間限制，在太陽(yáng)光線不足或晚上沒(méi)有太陽(yáng)的情況下，太陽(yáng)能集熱器無(wú)法吸收足夠的能量來(lái)提供熱能，因此，存在供熱間歇性的問(wèn)題。為了滿足連續(xù)供熱，本設(shè)計(jì)利用光熱轉(zhuǎn)化設(shè)備，將白天充足的太陽(yáng)能資源轉(zhuǎn)化為熱能，既可滿足白天用熱需要，又能將多余的熱量?jī)?chǔ)蓄起來(lái)，供夜間使用。結(jié)合目前市場(chǎng)蓄熱工質(zhì)使用情況，綜合考慮蓄熱設(shè)施經(jīng)濟(jì)實(shí)用性及維修便利性，本設(shè)計(jì)使用熔鹽作為蓄熱工質(zhì)，且熔鹽有高溫穩(wěn)定性、低黏度及較大熱容比等特點(diǎn)，已經(jīng)量產(chǎn)，并廣泛應(yīng)用。

1.1 太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)工作原理

本設(shè)計(jì)利用槽型拋物面反射鏡，將太陽(yáng)光聚焦到集熱管，從而對(duì)傳熱工質(zhì)熔鹽加熱，吸收熱能后的熔鹽進(jìn)入蓄熱罐，蓄熱罐內(nèi)的熱熔鹽通過(guò)熱交換器，把熱能傳輸給水循環(huán)系統(tǒng)，加熱后的水直接用于牧區(qū)人民生活及生產(chǎn)。蓄能是本供熱系統(tǒng)的主要特點(diǎn)之一，白天可以將多余熱量?jī)?chǔ)蓄起來(lái)，夜間再將儲(chǔ)蓄的熱量釋放供熱，實(shí)現(xiàn)連續(xù)供熱。

1.2 太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

因內(nèi)蒙古牧區(qū)冬季氣溫低于零度，極限溫度達(dá)零下45℃，熔鹽容易凝結(jié)，所以本設(shè)計(jì)采用了光敏控制熔鹽泵和溫度控制真空泵，讓熔鹽強(qiáng)制循環(huán)和回流。在白天，太陽(yáng)能總輻射量大于1MJ/m2時(shí)，打開(kāi)熔鹽閥門、啟動(dòng)熔鹽泵，讓熔鹽循環(huán)起來(lái)，不斷吸收太陽(yáng)輻射能，轉(zhuǎn)化為熱能；在傍晚，太陽(yáng)能總輻射量低于1MJ/m2后，太陽(yáng)輻射能越來(lái)越低，熔鹽無(wú)法繼續(xù)吸熱，利用真空泵，強(qiáng)制把傳熱管道內(nèi)的熔鹽吸入蓄熱罐，以防夜間低溫，導(dǎo)致傳熱管內(nèi)熔鹽凝結(jié)、結(jié)塊。本設(shè)計(jì)可再生能源供熱系統(tǒng)主要設(shè)備包括太陽(yáng)能集熱器、傳熱管道、蓄熱罐、熱交換器、供熱鍋爐、補(bǔ)水系統(tǒng)、供熱水管、暖氣片及自動(dòng)控制系統(tǒng)，如圖1所示。

2 風(fēng)能供電系統(tǒng)工作原理及設(shè)計(jì)思路

風(fēng)能作為一種可永續(xù)利用的清潔可再生能源，有著巨大的開(kāi)發(fā)應(yīng)用潛力。內(nèi)蒙古全區(qū)整體風(fēng)能資源較好，全區(qū)風(fēng)能資源總儲(chǔ)量為13.8億kW，技術(shù)可開(kāi)發(fā)量3.8億kW，占全國(guó)50%以上。全區(qū)平均風(fēng)速自西向東逐漸遞增，100m高度年平均風(fēng)速在4m/s～9m/s之間。風(fēng)力發(fā)電的原理，是利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再通過(guò)增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來(lái)促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。

因光伏發(fā)電設(shè)備在夜間無(wú)法發(fā)電，供電間斷性明顯，考慮到草原牧區(qū)冬季季風(fēng)平均風(fēng)速高，全天都能發(fā)電，所以本設(shè)計(jì)采用風(fēng)力發(fā)電設(shè)備供電。利用草原牧區(qū)優(yōu)質(zhì)的風(fēng)能資源，根據(jù)風(fēng)電轉(zhuǎn)化原理，設(shè)計(jì)供電系統(tǒng)，向牧區(qū)人民生活及生產(chǎn)提供不間斷電源，并將多余的電能使用蓄電池儲(chǔ)存起來(lái)，供用電高峰時(shí)使用。

2.1 風(fēng)能供電系統(tǒng)工作原理

本設(shè)計(jì)利用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)供電，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作原理是利用風(fēng)力驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割定子繞組，在定子繞組中產(chǎn)生電能。該電能質(zhì)量較差，需經(jīng)整流、逆變后方可使用，逆變后的電能，經(jīng)供電系統(tǒng)向牧區(qū)人民生活及生產(chǎn)供電。

2.2 風(fēng)能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

因自然風(fēng)速無(wú)法控制，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速也隨風(fēng)速頻繁變化，從而產(chǎn)生的電流大小也不同，為了提供穩(wěn)定電源，需設(shè)計(jì)整流系統(tǒng)和逆變系統(tǒng)，且利用蓄電池存儲(chǔ)多余的電能，供用電高峰使用。本設(shè)計(jì)可再生能源供電系統(tǒng)主要設(shè)備包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、整流系統(tǒng)、蓄電池、逆變系統(tǒng)及自動(dòng)控制系統(tǒng)，如圖1所示。

3 可再生能源熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)工作原理及優(yōu)化設(shè)計(jì)

智能控制系統(tǒng)是利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及綜合布線技術(shù)等，將上述牧區(qū)家用可再生能源熱電聯(lián)產(chǎn)中供熱、供電設(shè)備有機(jī)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化綜合智能控制和管理，滿足牧區(qū)家庭生活及生產(chǎn)用電需求。

本設(shè)計(jì)可再生能源熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)主要包括供熱系統(tǒng)、供電系統(tǒng)及智能控制系統(tǒng)(如圖1所示)，根據(jù)牧民生活、生產(chǎn)習(xí)慣，把供熱系統(tǒng)產(chǎn)生的熱能、供電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能，通過(guò)智能控制系統(tǒng)控制，科學(xué)合理的向牧民提供熱能、電能。

圖1 可再生能源熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

4 結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)能、風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、生活等各個(gè)供熱供電需求中。家用智能可再生能源熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能，風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，從而將該部分熱能、電能應(yīng)用于牧區(qū)日常生活和生產(chǎn)，進(jìn)而解決牧區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施落后，生活條件差的處境，提高牧民生活質(zhì)量和增加畜牧產(chǎn)值。通過(guò)本次設(shè)計(jì)，為可再生能源熱電聯(lián)產(chǎn)提供了一種可實(shí)施的方案，也是提高牧民生活質(zhì)量的一種手段。