家用智能可再生能源熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)研究

牛海霞　董正茂　樊志勇

摘 要：按照家用智能可再生能源熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，結(jié)合牧區(qū)居民環(huán)境和用熱及用電調(diào)研結(jié)果，分析市場(chǎng)供熱、供電設(shè)備性能和價(jià)格，選擇一套適合牧區(qū)家用可再生能源熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備，經(jīng)安裝調(diào)試后，進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試研究。研究結(jié)果表明：當(dāng)光功率預(yù)測(cè)值700W/m2時(shí)，產(chǎn)熱設(shè)備將生產(chǎn)多余熱量，此時(shí)可集中安排生活及生產(chǎn)用熱;當(dāng)風(fēng)功率預(yù)測(cè)值大于5米/秒、2臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作或當(dāng)風(fēng)功率預(yù)測(cè)值大于7米/秒、1臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作，將生產(chǎn)多余電量，此時(shí)可集中安排生活及生產(chǎn)用電。

關(guān)鍵詞：可再生能源;智能控制;熱電聯(lián)產(chǎn);性能實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.10.079

內(nèi)蒙古牧區(qū)人民居住不集中，無(wú)法實(shí)現(xiàn)集中供熱、供電，而牧民生活、生產(chǎn)又急需熱和電，為解決這一矛盾，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一套家用智能可再生能源熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。利用牧區(qū)天然的風(fēng)光可再生能源來(lái)解決牧民供熱、供電問(wèn)題，既不破壞草原生態(tài)，又不對(duì)草原造成污染。經(jīng)過(guò)深入研究，利用智能可再生能源熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中的風(fēng)、光功率預(yù)測(cè)設(shè)備，能指引牧民正確用熱和用電，具體系統(tǒng)設(shè)備選型及性能實(shí)驗(yàn)如下。

1 太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)設(shè)備選型

內(nèi)蒙古牧區(qū)太陽(yáng)能資源豐富，平均日太陽(yáng)總輻射量在14.8 MJ/m2-16.1MJ/m2之間，日照時(shí)數(shù)在5.5-9.5小時(shí)之間。本供熱系統(tǒng)，利用槽式集熱器，吸收太陽(yáng)輻射能，轉(zhuǎn)化為傳熱工質(zhì)熔鹽的熱能，經(jīng)加熱的熔鹽通過(guò)熱交換器把熱量傳遞給供熱水箱，當(dāng)供熱水箱到達(dá)設(shè)置溫度后，就不需要繼續(xù)加熱，加熱熔鹽多余的熱量就存儲(chǔ)在蓄熱罐中，以便槽式集熱器停止運(yùn)行后，從蓄熱罐中釋放熱能，繼續(xù)加熱供熱水箱。

1.1 太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)設(shè)備選型依據(jù)

經(jīng)調(diào)查，內(nèi)蒙古牧區(qū)牧民用熱主要包括生活日用熱水、冬季住房取暖、冬季牲畜產(chǎn)房、冬季食物儲(chǔ)存及冰水融化，所以冬季是牧民用熱高峰，考慮到牧區(qū)冬季漫長(zhǎng)，用熱高峰持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，本次產(chǎn)熱設(shè)備選型，以冬季日平均用熱量進(jìn)行估算。

內(nèi)蒙古牧區(qū)冬季日照時(shí)數(shù)在5.5-7.5小時(shí)之間，為減少蓄熱量，降低蓄熱設(shè)備造價(jià)，將牧民用熱高峰集中安排在白天產(chǎn)熱高峰期間進(jìn)行，蓄熱設(shè)備主要考慮非產(chǎn)熱時(shí)間段內(nèi)，住房取暖和生產(chǎn)用房溫度維持。

1.2 太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)設(shè)備型號(hào)

結(jié)合目前市場(chǎng)供熱設(shè)備產(chǎn)品，考慮維修簡(jiǎn)單方便性，綜合衡量設(shè)備性價(jià)比，本次供熱主設(shè)備選型如下：

（1）集熱器：槽式太陽(yáng)能集熱器。

（2）蓄熱罐：圓柱形熔鹽蓄熱罐。

（3）循環(huán)泵：熔鹽泵。

（4）熱交換器：渦流熱摸換熱器。

（5）傳熱工質(zhì)：熔鹽。

2 風(fēng)能供電系統(tǒng)設(shè)備選型

內(nèi)蒙古牧區(qū)風(fēng)能資源豐富，100米高度年平均風(fēng)速在4米/秒—9米/秒之間。本供電系統(tǒng)，利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理，把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，此時(shí)電能質(zhì)量較差，經(jīng)整流和逆變后方可使用。為向牧民提供可靠電源，利用儲(chǔ)能設(shè)備把大風(fēng)期間，多余電能儲(chǔ)存起來(lái)，以備弱風(fēng)期間使用。

2.1 風(fēng)能供電系統(tǒng)設(shè)備選型依據(jù)

經(jīng)調(diào)查，內(nèi)蒙古牧民用電設(shè)備主要包括家用電器設(shè)備（如：照明、電視、冰箱及洗衣機(jī)等）、生活水泵、電動(dòng)鍘刀及水箱輔助加熱器等，本次發(fā)電設(shè)備選型，即參考上述電器設(shè)備極大負(fù)荷，又參照全天用電量?？紤]到風(fēng)力大小的不穩(wěn)定性，本供電系統(tǒng)配置了一套蓄能設(shè)備，在風(fēng)大時(shí)，把多余電能存儲(chǔ)起來(lái)，以便弱風(fēng)時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)出力不夠，蓄能設(shè)備向系統(tǒng)供電，保障牧民持續(xù)用電。

2.2 風(fēng)能供電系統(tǒng)設(shè)備型號(hào)

結(jié)合目前市場(chǎng)供電設(shè)備產(chǎn)品，考慮維修簡(jiǎn)單方便性，綜合衡量設(shè)備性價(jià)比，本次供電主設(shè)備選型如下：

（1）發(fā)電設(shè)備：2臺(tái)500W風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

（2）儲(chǔ)能設(shè)備：500Ah鉛酸蓄電池。

（3）整流設(shè)備：2臺(tái)10A整流器。

（4）逆變?cè)O(shè)備：1000W逆變器。

（5）自控設(shè)備：一套自動(dòng)控制柜。

3 可再生能源熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)

本套可再生能源熱電聯(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)。采用了智能控制，熱能、電能的供應(yīng)都是自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)，無(wú)需牧民人工參與，整體設(shè)備維修簡(jiǎn)單，系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

3.1 可再生能源熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)熱曲線

為了避免因傳熱工質(zhì)溫度不同對(duì)產(chǎn)熱效率的影響，本次測(cè)試使用傳熱工質(zhì)溫度保持室溫下進(jìn)行，不同太陽(yáng)輻照度下，產(chǎn)熱設(shè)備功率曲線如圖2。

依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)光功率預(yù)測(cè)值大于700W/m2時(shí)，產(chǎn)熱設(shè)備將生產(chǎn)多余熱量，此時(shí)可集中安排生活及生產(chǎn)用熱。

3.2 可再生能源熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)電曲線

為了保障安全可靠用電，本次設(shè)備選型時(shí)，選用了2臺(tái)500W風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，當(dāng)1臺(tái)有故障時(shí)，另外一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可滿足牧民日常家庭設(shè)備用電，每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率曲線如圖3。

依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)風(fēng)功率預(yù)測(cè)值大于5米/秒、2臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作或當(dāng)風(fēng)功率預(yù)測(cè)值大于7米/秒、1臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作時(shí)，將生產(chǎn)多余電量，此時(shí)可集中安排生活及生產(chǎn)用電。

4 結(jié)論

本研究提出了一種可再生能源熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，為內(nèi)蒙古牧區(qū)人民用熱、用電提供了一種解決方案，并利用風(fēng)光預(yù)測(cè)系統(tǒng)，正確指引牧民用熱、用電，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）根據(jù)牧民用熱設(shè)備，已計(jì)算出牧民常用熱量負(fù)荷，當(dāng)光功率預(yù)測(cè)值大于700W/m2時(shí)，產(chǎn)熱設(shè)備將生產(chǎn)多余熱量，此時(shí)可集中安排生活及生產(chǎn)用熱。

（2）根據(jù)牧民使用電器設(shè)備，已計(jì)算出牧民常用電器設(shè)備負(fù)荷，當(dāng)風(fēng)功率預(yù)測(cè)值大于5米/秒、2臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作時(shí)或當(dāng)風(fēng)功率預(yù)測(cè)值大于7米/秒、1臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作，將生產(chǎn)多余電量，此時(shí)可集中安排生活及生產(chǎn)用電。

參考文獻(xiàn)

[1]張遠(yuǎn)巍，郭梟.新型太陽(yáng)能光伏光熱一體化系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)研究[J].可再生能源，2018，36（10）.

[2]閆勃東.光熱電站蒸汽發(fā)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2017，24（6）.

[3]仇韜，許粲羚.塔式太陽(yáng)能光熱電站控制系統(tǒng)研究[J].南方能源建設(shè)，2020，（7）.

基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院科學(xué)研究項(xiàng)目“北方地區(qū)草原上智能光熱供熱系統(tǒng)的研究”（NJDZR1911）。

作者簡(jiǎn)介：牛海霞（1984-），女，碩士研究生，副教授，研究方向：機(jī)械電子工程。