建筑可再生能源預(yù)測(cè)軟件設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

何采蔚，劉光明，溫喬維，曾浩升，王璋元＊

（廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州 510006）

引言

21 世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，各領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新都不斷推動(dòng)著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，這就意味著能源需求增長(zhǎng)是我國(guó)高速發(fā)展時(shí)期必須解決的問(wèn)題?！禕P 世界能源展望2017 版中國(guó)專(zhuān)題》指出，2035 年中國(guó)能源的進(jìn)口依存度將達(dá)到21%，石油增長(zhǎng)到79%，天然氣將增長(zhǎng)到40%[1]。因此，分布式能源在能源供應(yīng)體系中發(fā)揮著重要的作用，但可再生能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化難度也較高[2]。

許多學(xué)者對(duì)分布式可再生能源軟件設(shè)計(jì)的研究進(jìn)行了深層次的分析，并且獲得良好的發(fā)展成效[3]。但這些軟件所涉及的模型規(guī)模復(fù)雜性較高，預(yù)測(cè)計(jì)算時(shí)輸入的參數(shù)也大不相同。預(yù)測(cè)模型應(yīng)在實(shí)際運(yùn)用中具備易用性和精確性等特點(diǎn)[4]。Bahramara 等人[5]使用HOMER 對(duì)海島的能源系統(tǒng)進(jìn)行研究，達(dá)到了電力部門(mén)對(duì)二氧化碳排放的要求，還獲得了系統(tǒng)最低的投資和運(yùn)營(yíng)成本。曹建軍等人[6]建立了應(yīng)用蓄熱技術(shù)的可再生能源分布式系統(tǒng)模型，一次性能源節(jié)約率為13.16%。金紅光等人[7]提出多能互補(bǔ)分布式能源的重點(diǎn)領(lǐng)域包括了光伏、風(fēng)電與聚光太陽(yáng)能耦合技術(shù)等。

然而，現(xiàn)有的模擬軟件主要針對(duì)單體建筑尺度，存在邊界條件精度要求高、輸入復(fù)雜等問(wèn)題，其性能不能滿(mǎn)足區(qū)域尺度、復(fù)雜多樣化的建筑條件下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。因此本研究將建筑與多個(gè)基礎(chǔ)的可再生能源技術(shù)和能效技術(shù)相結(jié)合，提出了一個(gè)基于風(fēng)、光等環(huán)境參數(shù)的可再生能源預(yù)測(cè)軟件。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 風(fēng)電模塊

本模塊選用常規(guī)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行分析，其風(fēng)能發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量分別與風(fēng)機(jī)功率、測(cè)風(fēng)高度、輪轂高度及輪轂處風(fēng)速相關(guān)，通過(guò)功率和風(fēng)機(jī)輪轂處的風(fēng)速，可得到發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量，如式（1）所示。

式中：W1為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量，kW；P(v)為以風(fēng)速為自變量的風(fēng)機(jī)功率函數(shù)，W。

通過(guò)風(fēng)機(jī)風(fēng)速可計(jì)算風(fēng)機(jī)功率，如式（2）所示。

式中：v 為風(fēng)機(jī)輪轂位置的平均風(fēng)速，m/s；v切入、v切出為切入、切出風(fēng)速，m/s；v額定為額定風(fēng)速，m/s；ρ 為空氣密度，kg/m2；A風(fēng)為風(fēng)輪掃掠面積，m2；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)；P額定為風(fēng)機(jī)總額定功率，W。

1.2 太陽(yáng)能集熱模塊

本模塊選用肋片型CPC 熱管式真空管集熱器作為參照模型進(jìn)行熱效率分析，假設(shè)各種邊界條件處于穩(wěn)態(tài)過(guò)程，光能集熱的集熱量計(jì)算如式（3）所示。考慮到真空管壁與導(dǎo)熱油兩者的溫度相同，CPC 的集熱效率如式（4）所示。

式中：Q1為集熱器的理論集熱量，kJ；Ii為小時(shí)平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，W/m2；ηl為集熱效率；t2為集熱器獲取太陽(yáng)輻射作用的時(shí)長(zhǎng)，s；A1為集熱器水平接收面積，m2；F 為集熱效率因子；ηop為集熱器的光學(xué)效率；Ut為集熱器熱損失系數(shù)；Tf為得熱流體的平均溫度，K；Ta為空氣溫度，K；CR 為集熱器聚光比。

1.3 光伏發(fā)電模塊

本模塊選用常見(jiàn)多晶光伏板進(jìn)行分析，以求得一定組件容量下的光伏板的發(fā)電量預(yù)測(cè)值。小時(shí)光伏發(fā)電上網(wǎng)電量可通過(guò)式（5）計(jì)算。

式中：Ep為小時(shí)上網(wǎng)發(fā)電量，kW·h；HA為小時(shí)單位面積內(nèi)的太陽(yáng)能輻射，kW·h/m2；Es為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境的輻照度，1kW·h/m2；PAZ為組件安裝容量，kWp；K 為綜合效率系數(shù)。

1.4 光伏板余熱回收模塊

本模塊將微通道平板環(huán)路熱管與光伏板相結(jié)合，形成一個(gè)新型的太陽(yáng)能光伏光熱系統(tǒng)進(jìn)行余熱回收。系統(tǒng)熱效率如式（6）所示。分析時(shí)忽略光伏面板外表面反射所產(chǎn)生的能量損失，則太陽(yáng)能光伏板的余熱量和有效傳熱量可由式（7）和式（8）計(jì)算。

式中：ηh為系統(tǒng)熱效率；Qu為有效傳熱量，kJ；Qh為光伏板的余熱量，kJ；th為光伏板溫度，℃；tw為得熱流體的溫度，℃；Rre為傳熱總熱阻，(m2·K)/W；A3為換熱面積，m2；QA為太陽(yáng)能總輻射量。

2 軟件描述

2.1 軟件設(shè)計(jì)原理

現(xiàn)有對(duì)建筑可再生能源進(jìn)行預(yù)測(cè)集中于單一模塊中，將風(fēng)電產(chǎn)能、光熱產(chǎn)能、光伏組件產(chǎn)能、光伏板余熱回收產(chǎn)能等四個(gè)模塊結(jié)合成一個(gè)軟件，在區(qū)域尺度下對(duì)建筑可再生能源進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)滿(mǎn)足整個(gè)區(qū)域能源規(guī)劃、節(jié)約能源系統(tǒng)實(shí)施起到較為重要的作用，是將單一建筑能耗推算至區(qū)域尺度的解決方法之一。基于上述四個(gè)模塊的運(yùn)行模型和所含數(shù)學(xué)運(yùn)算公式，利用MATLAB 代碼將模塊進(jìn)行程序化編寫(xiě)，并基于Qt進(jìn)行開(kāi)發(fā)界面設(shè)計(jì)及C++語(yǔ)言編寫(xiě)，設(shè)計(jì)出可供用戶(hù)使用的界面及可運(yùn)行的EXE 執(zhí)行應(yīng)用的桌面程序，界面主要包括參數(shù)輸入?yún)^(qū)、輸出區(qū)及變量繪圖區(qū)，將四個(gè)模塊整合為一個(gè)可再生能源預(yù)測(cè)軟件。

2.2 運(yùn)行流程

參數(shù)輸入：用戶(hù)需要先輸入/選擇各項(xiàng)參數(shù)值，并打開(kāi)相應(yīng)環(huán)境參數(shù)的Excel 文件應(yīng)用于程序計(jì)算中，參數(shù)輸入?yún)^(qū)將被激活。結(jié)果輸出：運(yùn)算流程結(jié)束后，軟件將輸出一份相應(yīng)預(yù)測(cè)估算值的Excel 文件并繪制相應(yīng)的圖形曲線(xiàn)。用戶(hù)可輸入預(yù)測(cè)模塊所需參數(shù)、工質(zhì)物性參數(shù)和外部環(huán)境參數(shù)等進(jìn)行相應(yīng)的可再生能源產(chǎn)量預(yù)測(cè)，并可以在界面右邊獲得數(shù)據(jù)曲線(xiàn)分布。最后能將數(shù)據(jù)以表格形式輸出，見(jiàn)圖1。

圖1 圖形曲線(xiàn)生成示例

3 模擬及驗(yàn)證分析

3.1 風(fēng)電模塊

可通過(guò)對(duì)比分析不同風(fēng)速下風(fēng)電機(jī)組軟件模擬和實(shí)際運(yùn)行的輸出功率研究模型的可靠性。型號(hào)為DU93W210 的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)及運(yùn)行環(huán)境參數(shù)為v切入=3 m/s，v切出=20 m/s，v額定=9 m/s，ρ1.057 kg/m2，A風(fēng)=63.6 m2，P額定=10 kW。在不同風(fēng)速條件下，計(jì)算所得的風(fēng)機(jī)功率模擬值與實(shí)際測(cè)試條件下所測(cè)得的風(fēng)機(jī)功率及其對(duì)比，見(jiàn)表1。

表1 不同風(fēng)速下風(fēng)機(jī)功率的模擬值與真實(shí)值及其對(duì)比

同一風(fēng)機(jī)在多個(gè)風(fēng)速頻段下，風(fēng)機(jī)輸出功率的真實(shí)值與模擬值之間誤差均在5%以?xún)?nèi)且波動(dòng)極小，表明模型具備一定的可靠性。

3.2 太陽(yáng)能集熱模塊

根據(jù)給定的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)用CPC 熱管式真空管集熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)[8]及假定的運(yùn)行環(huán)境參數(shù)，分別計(jì)算它們的理論和實(shí)際集熱器效率，兩個(gè)工況下集熱器的理論與實(shí)際效率曲線(xiàn)對(duì)比見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 集熱器1 的流體溫差與集熱效率圖

圖3 集熱器2 的流體溫差與集熱效率圖

由圖2、圖3 可知，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度不變時(shí)，集熱流體與空氣兩者溫度差不斷增加，集熱效率隨之減小，實(shí)際與理論值的誤差逐漸增大。當(dāng)空氣與得熱流體溫差達(dá)100 ℃時(shí)，集熱器1 最大誤差為12.3%，集熱器2最大誤差為11.74%。但模型與實(shí)驗(yàn)的集熱效率變化趨勢(shì)相吻合，但優(yōu)化集熱器的設(shè)計(jì)可使誤差縮小。因此，該模型的預(yù)測(cè)具備一定的可靠性。

3.3 光伏發(fā)電模塊

選取光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范《GB 50797.2012》中的標(biāo)準(zhǔn)化模型作為估算光伏發(fā)電站的發(fā)電量的參照。某地光伏發(fā)電站[9]的裝機(jī)總?cè)萘繛?0 MW，當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度保持一致時(shí)，其理論與實(shí)際的發(fā)電量對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 同等太陽(yáng)輻射強(qiáng)度下理論發(fā)電量與實(shí)際值

由表2 可知，個(gè)別月份的估算產(chǎn)電量與實(shí)際產(chǎn)電量的誤差較大，但誤差范圍均在20%內(nèi)，按1-12 月份的總量對(duì)比估算值與實(shí)際值，誤差僅有3.8%。從上述結(jié)果中可知，誤差均整體可控且在長(zhǎng)期估測(cè)值上小于5%，說(shuō)明該模型具有一定可靠性。

3.4 光伏板余熱回收模塊

本模塊建立了關(guān)于微通道熱管系統(tǒng)的傳熱模型，案例中微通道熱回收系統(tǒng)通過(guò)利用模擬太陽(yáng)光作為光源，在不同恒定的光照強(qiáng)度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以獲取系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行的情況下的熱回收效率。不同工況下的模擬值和實(shí)際值的對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 不同工況下的熱回收效率模擬值和實(shí)際值

由表3 可知，模擬與實(shí)際熱回收效率最小差值為2.8%（工況4），最大差值出現(xiàn)為6.9%（工況6）。模型的建立過(guò)程是假設(shè)系統(tǒng)一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，其運(yùn)行條件保持理想狀態(tài)，因此熱回收效率模擬值均高于實(shí)際值，但兩者誤差均值小于5%，故模型具有一定可靠性。

4 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)階段的可再生能源系統(tǒng)相關(guān)的模擬軟件存在的條件精度要求高、輸入繁瑣、性能無(wú)法滿(mǎn)足區(qū)域尺度的建筑條件下的設(shè)計(jì)優(yōu)化工作等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)風(fēng)電、太陽(yáng)能集熱、光伏發(fā)電和光伏板余熱回收四種常見(jiàn)的可再生能源利用手段進(jìn)行理論分析和建立數(shù)學(xué)模型，通過(guò)Qt 窗口環(huán)境編譯和GUI 界面設(shè)計(jì)工具實(shí)現(xiàn)軟件可視化。結(jié)果表明，風(fēng)電模塊的誤差均值為7.48%，太陽(yáng)能集熱模塊的誤差在可接受范圍內(nèi)，最大值為12.3%，光伏發(fā)電模塊和光伏板余熱回收模塊的誤差均值均小于5%。因此，該軟件能為可再生能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及預(yù)測(cè)提供有意義的參數(shù)參考。