沿海風光互補系統(tǒng)與負荷需求的適應性研究

張夢璐，王智偉，楊晨輝

(西安建筑科技大學建筑設備科學與工程學院，陜西省 西安市 710055)

0 引言

建筑能耗是國家能源消費總量最大的組成部分之一，被視為當今社會的一個關鍵問題[1]，其中暖風空調(diào)系統(tǒng)(heating, ventilation and air conditioning,HVAC)系統(tǒng)的能耗約占整個建筑能耗的一半，在發(fā)達國家和一些特殊建筑中甚至更高[2]。我國幅員遼闊，海岸線較長，有超過6500個島嶼大于500m2，400多個島嶼上有常住人口。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，沿海島嶼地區(qū)憑借豐富的自然資源、優(yōu)越的人文資源，其旅游業(yè)迅速發(fā)展。人們對于海島建筑的居住舒適性要求也越來越高，因此建筑冷熱負荷成為沿海島嶼的主要電力需求。由于距離公共電網(wǎng)較遠，傳統(tǒng)的島嶼用電主要依靠柴油發(fā)電。柴油價格波動大、泄露風險高、存儲成本大以及對島嶼環(huán)境的污染嚴重，沿海島嶼的供電問題已成為制約島嶼發(fā)展的重要因素之一[3]。通過可再生能源的合理利用來解決島嶼用電問題，減輕對化石燃料的依賴性[4]，是行之有效的方法，也是目前的研究熱潮。海島地區(qū)風光資源豐富，將風能、太陽能有機結合構成的風光發(fā)電系統(tǒng)，其充分利用風能和太陽能在時間和季節(jié)上的互補性，克服單一能源因隨機性、波動性和間歇性的特點導致的發(fā)電不穩(wěn)定問題，提高了電力輸出的穩(wěn)定性，增強供電的可靠性，同時對降低溫室氣體的排放和化石燃料的消耗有積極作用，應用前景廣闊[5]。

風光互補發(fā)電系統(tǒng)中，風力和光伏出力是具有一定相關性和互補性的，而二者的出力和負荷之間也存在著某種關系。研究三者的關系情況是系統(tǒng)設計、運行和優(yōu)化的前提，而且對于提高電能質(zhì)量和發(fā)電效率十分關鍵[6]。

目前風光系統(tǒng)的研究，從研究對象看，包括不同能源間的互補性、相同能源的空間平滑效應以及不同的負荷情況。文獻[7-8]研究了風光資源時空互補性。文獻[9]采用了相關性系數(shù)研究了意大利風電和光伏每時、每日和每月的互補特性；文獻[10]利用皮爾遜相關性系數(shù)研究了風電、光伏和水電互補特性。文獻[11]對同一地區(qū)的風光出力及電力負荷進行互補性分析。

從互補性研究方法上看，主要分為基于相關性分析的互補性研究[7-10]和以波動性為基礎的互補評價指標研究。文獻[12]利用爬坡率描述波動，以協(xié)同系數(shù)研究風光資源的互補性。文獻[13]利用圖像處理方法對墨西哥的風光互補性進行了評價。文獻[9]采用蒙特卡洛方法對意大利100個大規(guī)模生產(chǎn)基地的風光互補性進行了評價。文獻[14]利用互補系數(shù)將分系統(tǒng)評價與聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)評價相結合，構建了適用于評價風光水互補特性的指標框架。

現(xiàn)有研究中，風光資源特性研究多，但風光出力與負荷的三者關系討論較少，且針對某地或小區(qū)域，聚焦的負載情況更多是范圍大小問題。對于建筑負荷與風光系統(tǒng)跨地區(qū)、跨季節(jié)的多維度討論很少，我國沿海區(qū)域相關研究更少。

我國沿海地區(qū)緯度跨度大，包含3個氣候區(qū)，建筑耗能情況復雜多變，風光資源也有所區(qū)別。本文對這一狹長區(qū)域進行研究，考慮不同氣候區(qū)的建筑負荷特性，以全年電量生產(chǎn)覆蓋負荷需求為前提，著眼于利用風光互補系統(tǒng)為營造島礁地區(qū)良好的室內(nèi)熱環(huán)境提供電力支持，選取23個典型沿海城市代表所在區(qū)域情況，多維度分析了風光資源特性及建筑冷熱負荷特性，對風光系統(tǒng)與負荷需求的協(xié)同效應進行了評價，并對適用性情況進行分類，分析沿海島嶼風光互補系統(tǒng)對建筑冷熱需求適用性的時空分布特性，對風光互補發(fā)電系統(tǒng)大規(guī)模應用提供指導依據(jù)。

1 建筑和風光混合系統(tǒng)

1.1 概況

本文討論的我國沿海地區(qū)所在經(jīng)度從108°21′E到124°23′E，跨越16°2′，緯度從18°14′N到40°40′N，跨越22°26′，涉及的建筑氣候分區(qū)有寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)3個氣候區(qū)。為了評估風光系統(tǒng)與該地區(qū)建筑冷熱需求的跟蹤特性，選取了23個典型沿海城市(不含臺灣省近海區(qū)域)代表所在區(qū)域的平均水平，以近似代替沿海島嶼的建筑負荷情況，風光數(shù)據(jù)來自所在區(qū)域臨近海域。本文所考慮的風光混合系統(tǒng)對建筑冷熱需求適用性不考慮蓄能與補充柴油發(fā)電。表1為城市簡稱。

表1 城市簡稱Table 1 City name

1.2 建筑情況

圖1 建筑示意圖Fig.1 Architectural sketch

沿海地區(qū)風光宜人，旅游業(yè)發(fā)達，民宿旅館等建筑數(shù)量多，利用DeST軟件模擬了所選23個典型城市所在區(qū)域島嶼某小型旅館的年冷負荷和年熱負荷，并計算了該旅館的冷熱負荷用電需求。該建筑(圖1)占地面積約為4 000 m2，共3層，僅屋頂允許鋪設光伏板，可鋪設光伏板總面積約1 200 m2。島嶼地區(qū)因土地受限，規(guī)定單個建筑附近僅可安裝1臺50 kW的風力發(fā)電機；考慮在相同的風光設備下進行適應性比較，在盡可能保證年發(fā)電總量覆蓋年總負荷需求的前提下，選擇光伏鋪設面積為屋面面積的50%。

1.3 風光資源情況

本文的風速數(shù)據(jù)來自美國國家航空航天局距地50 m高的風速；太陽能輻射數(shù)據(jù)來自美國國家可再生能源實驗室太陽輻射數(shù)據(jù)庫。通過對沿海23個典型城市近海區(qū)域的數(shù)據(jù)提取，對該區(qū)域的有效風能密度和太陽年平均輻射度進行計算，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 近海區(qū)域風光資源情況 Table 2 Wind and light resources in offshore areaW/m2

根據(jù)我國對于太陽能和風能的資源區(qū)域劃分標準[15-17]，近海區(qū)域風光資源豐富，發(fā)展風光可再生能源可行性較高。

1.4 風光模型

1.4.1 光電模型

光伏發(fā)電功率輸出主要與總輻照強度、環(huán)境溫度和光伏板的型號有關。為了方便在實際工程中使用，考慮到環(huán)境溫度和光照強度的影響，簡化光伏出力模型[18]如下：

(1)

式中：Pm為太陽能電池板的最大輸出功率；fPV為出力遮擋因子，表征陰影、云層遮擋、天氣溫度變化對光伏出力的不確定影響；一般取0.9；G、T為任意條件下的太陽輻射和當前光伏電池的表面溫度，℃，可根據(jù)當前環(huán)境溫度進行估算；Gref、Tref為太陽輻射和光電池溫度參考值,一般取為1 kW/m2，25℃；αT為光板功率溫度系數(shù),取0.4%/℃。

1.4.2 風電模型

本文采用功率風速計算法計算風機輸出功率，風力發(fā)電機的每小時風機輸出功率[19]為

(2)

2 評價指標

本文主要從供能與用能方面4個評價指標進行適用性的分析。

2.1 供能情況

2.1.1 相關系數(shù)

相關系數(shù)rX,Y是用來度量2個隨機變量之間的關聯(lián)程度的量，關聯(lián)程度越弱則其值越小，意味著互補性越強，其計算公式如下：

(3)

對于時間序列，相關因子的計算公式[7]如下：

(4)

2.1.2 互補系數(shù)

多種能源進行互補發(fā)電可以相互彌補單一能源的不足，因此互補供能提升了系統(tǒng)運行的靈活性。選取了互補系數(shù)[14]來衡量互補供能對系統(tǒng)靈活性的影響?；パa系數(shù)的大小反映了各功率信號互補的程度，IC越接近于0，說明在考察時間尺度內(nèi)各信號變化量相互抵消的越多，互補性越強；反之，越大，信號變化量相互抵消的越少，則其互補性越弱。

(5)

2.1.3 即時能源利用率

即時能源利用率PU指的是不考慮蓄能和外部補充，即時風光發(fā)電的使用量與風光總發(fā)電量的比值。即時能源利用率越高，蓄能裝置考慮的容量越低。

(6)

式中：Ppv-use，Pw-use分別為建筑物直接使用的光伏和風力發(fā)電量；Ppv，Pw為即時光伏和風力的發(fā)電量。

2.2 用能情況

2.2.1 即時負荷滿足率

即時負荷滿足率PS指的是不考慮蓄能和外部補充，即時風光發(fā)電的使用量與總負荷需求的比值。即時負荷滿足率越高，需要補充的能源占比越少。

(7)

式中PL為建筑物的冷熱負荷。

2.2.2 供需協(xié)同性

風光互補系統(tǒng)對冷熱需求的追蹤特性，即供需協(xié)同性，可以用風光發(fā)電總和與冷熱負載之間的相對方差δ1表示，該值越小說明風光互補系統(tǒng)對負荷的追蹤越強，該系統(tǒng)的適用性越高。

(8)

式中：n=8 760；Qi為第i個小時的冷熱需求的耗電量；Pi為第i個小時的風光發(fā)電總和。

本文將冷熱負荷耗電量的波動情況用相對方差δ2表示，該值越小負荷的波動性越小。

(9)

3 分析與討論

3.1 風光互補特性

利用Matlab/Simulink仿真軟件，對不同區(qū)域的風力發(fā)電和光伏發(fā)電量進行了全年的仿真計算。各地風光相關系數(shù)及互補系數(shù)的計算結果如圖2(a)所示，風光發(fā)電相關性與互補性的變化趨勢基本一致。

圖2 風光相關系數(shù)及互補系數(shù)Fig.2 Wind-solar correlation coefficient and complementary coefficient

空間維度方面，從氣候區(qū)分類圖2(b)來看，寒冷地區(qū)的二者變化趨勢高度一致，夏熱冬冷地區(qū)的風光互補性，相關性最好。季節(jié)維度方面從圖3縱向來看，各地冬季、夏季互補性相對比較強。橫向來看，夏季風光發(fā)電的互補性變化波動不大，冬季互補系數(shù)普遍小、互補程度高。整體來看，沿海地區(qū)風光發(fā)電互補情況良好，我國沿海地區(qū)有條件使用風光互補系統(tǒng)。

圖3 不同季節(jié)典型城市風光相關系數(shù)計算結果Fig.3 Correlation coefficient of typical urban scenery in different seasons

3.2 冷熱需求特性

通過模擬23個沿海城市所在區(qū)域島嶼某旅館冷熱負荷全年變化趨勢，根據(jù)k-means聚類方法可將不同區(qū)域全年冷熱需求負荷分為3類，分類結果與建筑熱工分區(qū)高度吻合，如圖4所示。其中如圖4(a)所示，在寒冷地區(qū)，由于冬夏分明，負荷高峰主要集中在冬夏兩季；圖4(b)所示，夏熱冬冷地區(qū)負荷高峰主要集中在夏季；圖4(c)中，夏熱冬暖地區(qū)全年負荷均較高且較為平穩(wěn)，僅冬季負荷需求略低。

圖4 典型城市全年冷熱電力需求情況分類Fig.4 Classification of annual hot and cold electricity demand in typical cities

3.3 供需時空適用性

3.3.1 季節(jié)性對比

由圖5可以看出：隨緯度下降，PS變化趨勢與PU變化趨勢相反。

從季節(jié)角度看，春季PS隨緯度呈現(xiàn)一定的下降趨勢，主要是夏熱冬暖地區(qū)的負荷需求相對其他地區(qū)大，其余季節(jié)負荷滿足率波動相對平緩。夏季PS最平緩。PU變化除冬季寒冷地區(qū)數(shù)值較高，其他季節(jié)隨緯度的降低PU變化趨勢呈上升趨勢。

地區(qū)而言，寒冷地區(qū)特征明顯，春秋以較低的PU達到較高的PS，可能存在棄電情況，可以考慮季節(jié)性蓄能充分利用風光系統(tǒng)產(chǎn)電能力滿足全年負荷需求。夏熱冬暖地區(qū)全年負荷需求較高，以較高的PU值匹配相對穩(wěn)定的PS值，可以體現(xiàn)該地區(qū)的風光發(fā)電利用程度高，能較平穩(wěn)的輸出電力,滿足一定建筑冷熱需求，配合合適的外界電源可完全滿足負荷需求。

圖6對比了不同季節(jié)各地區(qū)的供需協(xié)同性。具體數(shù)值見表3。春季總體趨勢為寒冷地區(qū)協(xié)同性較差，除廈門地區(qū)外其余地區(qū)隨緯度降低，協(xié)同性逐漸增強。夏季各地冷負荷均比較大，供需協(xié)同性均強，且差異不明顯；秋季與春季相似，寒冷地區(qū)空調(diào)負荷較低，協(xié)同性相對較差，夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)協(xié)同性較強；冬季高緯度地區(qū)有供暖負荷，低緯度地區(qū)空調(diào)負荷較高，故寒冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)協(xié)同性較高，夏熱冬冷地區(qū)協(xié)同相對較低，但總體差異不明顯，其中北部灣地區(qū)由于冬季負荷波動性較強，供需協(xié)調(diào)性較低。

圖5 不同季節(jié)PS與PU對比Fig.5 Comparison of PS and PU in different seasons

圖6 不同季節(jié)各區(qū)域供需協(xié)同性對比Fig.6 Contrast of coordination between supply and demand in different seasons and regions

對不同季節(jié)冷熱負荷的波動性與風光系統(tǒng)的供需協(xié)同性指標作分別對比，結果如圖7所示。四季中風光系統(tǒng)的供需協(xié)同性幾乎與冷熱負荷的波動性完全正相關，可見，供需協(xié)同性主要受不同地區(qū)不同季節(jié)負荷特性的影響。

3.3.2 全年對比

全年時間維度上，如圖8所示隨緯度(從41°到15°)降低PS總體變化不大；PU有明顯的升高趨勢，最大最小值相差近0.422 6?？梢耘袛嘣谘睾＠蔑L光發(fā)電系統(tǒng)的各地區(qū)負荷滿足程度相差不大，但是發(fā)電量利用情況呈現(xiàn)夏熱冬暖地區(qū)利用更好。

各城市風光-冷熱需求協(xié)同性，反映了風光互補系統(tǒng)用于滿足各沿海島嶼地區(qū)冷熱需求的適用情況。如圖9所示，隨著緯度的降低(從41°到15°)，協(xié)同趨勢總體是逐漸減弱的，即適應性逐漸增強。

圖7 供需協(xié)同性與負荷需求波動特性圖Fig.7 Supply and demand synergy and load demand fluctuation characteristics

表3 不同季節(jié)各區(qū)域供需協(xié)同性情況Table 3 Synergy of supply and demand in different seasons and regions

圖8 主要城市所在區(qū)域全年PS與PU趨勢圖Fig.8 Annual trend chart of PS and PU in major cities

圖9 主要城市所在區(qū)域供需協(xié)同性與負荷需求波動特性Fig.9 Synergy between supply and demand and fluctuation of load demand in main cities

圖10 不同氣候區(qū)各評價指標平均值對比Fig.10 Average comparison of each evaluation index in different climate zones

對沿海涉及到的3個氣候區(qū)內(nèi)不同地區(qū)的評價指標求平均水平，由于指標值的波動性相較于其他城市所在區(qū)域太大，夏熱冬暖地區(qū)剃掉了欽州和廈門2所城市所在區(qū)域，這2處地區(qū)分別因冬春兩季的負荷與風光供能差值波動較大造成短時段內(nèi)供需協(xié)同性較差，不宜作為該氣候區(qū)供需協(xié)同性平均水平的代表，結果如圖10所示。隨著緯度的降低，寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)的PS和PU逐漸升高；供需協(xié)同性逐漸增強，指標從1.486降到0.095，趨勢明顯，相應的冷熱需求波動性也逐漸降低。

綜上，對供需協(xié)同性聚類分析見表4，共分為3類，分別為適應性強、適應性中等、適應性弱。從分類結果來講，第Ⅰ類均處于夏熱冬暖地區(qū)，適用性最強；第Ⅱ類均處于夏熱冬冷地區(qū)，適應性中等；第Ⅲ類除處于寒冷地區(qū)的島嶼地區(qū)外還有個別其他氣候區(qū)，適用性較低。總體來講，氣候分區(qū)中供需協(xié)同性的強弱順序為夏熱冬暖地區(qū)最強，夏熱冬冷地區(qū)中等，寒冷地區(qū)較低。

表4 風光-冷熱需求供需協(xié)同性分類Table 4 Wind and solar-colding and heating demand coordination of supply and demand classification

4 結論

本文對中國沿海島嶼地區(qū)的風光發(fā)電與負荷需求進行供需協(xié)同性討論，從少數(shù)典型城市區(qū)域得到的結論也可以對臨近區(qū)域適用。主要結論如下：

1) 通過風光特性分析可知夏熱冬冷地區(qū)的風光互補性、相關性最好，有優(yōu)越的風光系統(tǒng)使用條件，寒冷地區(qū)最差；

2) 通過風光特性對于負荷追蹤情況分析可知寒冷地區(qū)特征明顯，春秋季節(jié)以較低的能源利用率達到較高的負荷滿足率，可以考慮季節(jié)性蓄能充分利用風光系統(tǒng)產(chǎn)電能力，夏熱冬暖地區(qū)風光發(fā)電利用程度高，配合合適外界電源可完全滿足負荷需求；

3) 通過定量分析適應性，求取各氣候區(qū)內(nèi)供需協(xié)同性相應指標平均值，聚類分析法將沿海地區(qū)風光資源與冷熱需求適應性分3類，夏熱冬暖地區(qū)最強，夏熱冬冷地區(qū)中等，寒冷地區(qū)較低。即夏熱冬暖地區(qū)的風光互補系統(tǒng)對建筑負荷的追蹤更好，適應程度最高。

基于上述結論，對于不同適應性的地區(qū)，未來可進一步分類展開相關可靠性研究，即在風光互補系統(tǒng)中引入儲能設備、柴油機設備等，通過容量配置、系統(tǒng)優(yōu)化等手段，以使系統(tǒng)更穩(wěn)定、可靠的供能。