风能太阳能在高校学生公寓中的综合利用

王兆强 ,陈宝忠,马东旭

(上海海事大学商船学院,上海200135)

1 引言

风能的利用,在全球有着悠久的历史。由于近年来世界范围内的能源危机,风能的利用再度引起了人们的注意。风能资源是一种可再生的清洁能源,具有巨大的开发潜力。据世界气象组织估计,整个地球上可以利用的风能为2×107MW,为地球上可以利用的水能总量的10倍[1]。我国幅员辽阔,气象条件复杂多样,蕴藏的风力资源非常丰富,主要分布在2大风带：一是“三北地区”(东北、华北北部和西北地区);二是东部沿海陆地、岛屿及近岸海域。据统计陆地加近海有15亿kW以上的风力资源。其中,陆地10m以内风力资源为2.53亿kW,陆上杆塔高度100m内可利用风能则高达7亿kW[2]。海上可开发利用的风能约7.5亿kW,我国风能资源开发前景广阔[3]。

在能源危机和环境污染的双重压力下,太阳能作为一种取之不尽且无污染的能源,已成为当前国际能源开发利用领域中的新热点。近年来,我国应用太阳能供热水和采暖发展迅速,节能效果明显。在建筑物的能耗结构中,有2/3的能源用于建筑采暖制冷和热水供应[4]。利用太阳能采暖、供热水,使其与建筑节能相结合,可以降低建筑物能源消耗,减少环境污染,是建筑节能的一个重要途径。

2 新能源的利用

2.1 风能的利用

风能的利用形式多样,可转化成机械能、电能、热能等。自古以来人们就以种种不同的方式利用风能,如风帆行船、风磨、风力提水以及风力发电等等。现在风力发电进入了成熟阶段并被广泛的应用,风能致热技术还处在萌芽阶段,是近年来才发展起来的一种高效率利用风能的新技术。风力致热的研究不多,国外有关风力致热的较详细原理及技术报道也较少。风力致热是将风力机输出轴的机械能转换为热能。通常风力机提水时的效率只有16%左右,发电时的转换效率为30%,而致热时的转换效率高者超过40%[5]。另外,风力致热装置结构比较简单,且容易满足风力机对负荷的最佳匹配要求,风力致热机组造价仅为风力发电机组的一半[6]。所以,风力致热技术应用于生活采暖及农业生产等,具有广阔的发展前景。

把风能直接转换成热能的装置称为风力致热器。风力致热器分为2大类：一类是风能直接转换为热能的直接致热式。另一种是风能转换为电能(或其它能量),再转换为热能的间接致热式[7]。目前风力致热的方式主要包括液压式致热,压缩空气致热,固体摩擦致热,搅拌液体致热,涡电流致热,电热致热,太阳能——风能联合致热。

2.2 太阳能的利用

太阳光能转换成热能是太阳能利用的基本方式,可广泛应用于建筑物的采暖、热水供应和太阳房等。目前太阳能主要的应用方式有太阳能热水、太阳能采暖和太阳房。

2.2.1 太阳能热水

太阳能热水系统的工作原理是集热器将采集的能量经过光热转换生产出热水后经循环管道送入蓄热水箱,凉水经循环(强制循环用泵)送入集热器,水箱内热水可供用户使用。

2.2.2 太阳能采暖

太阳能采暖系统也属于太阳能热水系统,它由两部分组成,集热回路部分和采暖回路部分。集热器和蓄热水箱组成太阳能采暖系统的集热回路,整个集热回路与太阳能供热水系统的集热回路是相同的。在需要采暖的日子里,给室内的散热器设置一定的温度,由蓄热水箱作为热源给散热器提供所需的热量,当蓄热水箱的热量不能满足负荷要求时,电磁阀切断蓄热水箱与系统的联系,由辅助热源供暖。

2.2.3 太阳房

太阳房是利用太阳能采暖和降温的房子,可以分为被动式太阳房和主动式太阳房。太阳房既可采暖,也可降温,最简便的一种太阳房叫被动式太阳房,建造容易,不需要安装特殊的动力设备。使用方便舒适的另一种太阳房叫主动式太阳房。

被动式太阳房主要根据当地气候条件,把房屋建造成能尽量利用太阳的直接辐射能,它不需要安装复杂的太阳能集热器,更不需要循环动力设备,完全依靠建筑结构造成的吸热、隔热、保温、通风等特性,来达到冬暖夏凉的目的。主动式太阳房一般由集热器、传热流体、蓄热器、控制系统及适当的辅助能源系统构成。利用这套系统可以接收、转换和传输太阳能,满足建筑物的采暖要求。它需要热交换器、水泵和风机等设备,电源也是不可缺少的,因此这种太阳房的造价较高,但是室温能主动控制,使用也很方便。

3 新能源应用实例分析

3.1 太阳能利用实例及存在问题

上海某高校新校学生公寓分为南苑公寓和北苑公寓,南苑学生公寓总用地面积25 230m2,总建筑面积30 997m2,由7幢6层建筑组成。公寓总套数802套,可供3 202名本科生住宿。北苑一期学生公寓由23栋本科生楼和6栋硕士生楼组成,可满足9 340名本科生,2 376名硕士生的入住。现在研究生学生公寓装设了太阳能热水系统,可供给学生洗浴用热水。当太阳光照充足时系统所需热量全部由太阳能集热器提供;当太阳能集热器提供的热量不能满足需求时则需要开启电加热器进行辅助加热。太阳能热水系统利用了可再生、无污染的太阳能,减少了洗浴用热水的能耗,实现了节能减排。然而太阳能热水系统受气候条件影响较大,在阴雨天气和夜晚时所需能量基本全部由电加热器提供,消耗大量的电能。冬季是热水需求的高峰期,太阳能系统也很难满足学生对热水的需求。

3.2 风能太阳能联合系统

如上所述,学生公寓太阳能热水系统存在着不足之处,并且冬季时学生公寓需要室内取暖和洗浴用热水等,热能需求量较大,而夏季只需少量洗浴热水,热能需求量较少,相反需要将室内热量排出室外,降低室内温度。由于学生公寓建筑特点的限制,不能采用“太阳房”的形式来采暖和降温。为了解决学生公寓太阳能热水系统的不足,并且满足冬季和夏季的不同需求,并且考虑到高校位于临港新城,临近上海市东海大桥100MW风电场,风力资源丰富,所以设计以下风能太阳能联合利用系统。该系统不仅可以利用太阳能致热,而且还可以利用风能致热和致冷,联合利用太阳能和风能,充分利用可再生能源以满足学生公寓夏季和冬季的不同需求,以达到节能减排的目的。该系统的原理图如图1所示。

图1 太阳能风能联合利用系统原理图

该系统的工况可以分为：冬季工况和夏季工况。系统的压缩机可以由风力机或电动机驱动,风力充足时由风力机单独驱动;风力不能满足系统需求时可以由电动机辅助驱动;无风时则由电动机独立驱动。热水箱也安装有辅助电热设备,以备系统供热量不足时用来加热热水。换向阀和三通转换阀用来完成系统两种工况间的转换。

3.3 冬季工况

3.3.1 冬季工况原理

冬季工况时,操作各换向阀和三通转换阀,使得各阀的状态如下。换向阀4和换向阀11都在左位,三通转换阀5使管a和管b相通,三通转换阀6使管b和管d相通,三通转换阀9使管f和管g相通,三通转换阀10使管g和管j相通,三通转换阀14使管k和管m相通,三通转换阀16使管n和管o相通,三通转换阀18使管p和管q相通,三通转换阀19使管r和管s相通,这样系统冬季工况的原理图如图2所示。

图2 学校太阳能风能联合利用系统(冬季工况)

3.3.2 冬季工况工作过程

制热循环中的工质经过太阳能集热器7时,吸收太阳能受热蒸发汽化,然后进入由风力机驱动的压缩机3内,进行压缩升温。压缩后的工质气体输入到换热器15中,在这里将水加热而工质被冷却,然后工质进入换热器13被进一步冷却,冷凝液化,放出的热量被换热器中循环的水吸收。液化了的工质则通过膨胀阀12减压后又返回到太阳能集热器中去,这样反复循环,便可从外界太阳能和风能中获得能量;在换热器15中获得热量被加热的水则可储存在热水箱中以供洗浴用;在换热器13中获得热量被加热的水则被送往各宿舍,在各宿舍的换热器中进行冷却同时加热了宿舍的空气,使室温升高,被冷却的水再返回换热器13中,如此进行循环。

3.4 夏季工况

夏季工况时,操作各换向阀和三通转换阀,使得各阀的状态如下。

3.4.1 夏季工况原理

换向阀4和换向阀11都在右位,三通转换阀5使管a和管c相通,三通转换阀6使管e和管d相通,三通转换阀9使管f和管h相通,三通转换阀10使管i和管j相通,三通转换阀14使管k和管l相通,三通转换阀16使管l和管o相通,三通转换阀18使管e和管q相通,三通转换阀19使管h和管s相通,这样系统夏季工况就变为两个相互独立的系统,其原理图如图3所示,

图3 学校太阳能风能联合利用系统(夏季工况)

3.4.2 夏季工况工作过程

(1)制冷系统。制冷循环中的工质由换热器13经管道进入由风力机驱动的压缩机3内,进行压缩升温。压缩后高温高压的工质气体进入空气冷却器8中进行冷却变成液态,液态工质再经膨胀阀12节流降压后进入换热器13,在这里工质气化吸热,带走冷却水的热量,然后再次进入压缩机进行循环;流经换热器13的冷却水放出热量降温后再流入各宿舍的换热器吸收宿舍内的热量,使宿舍内的空气温度降低,然后水再流入换热器13进行循环。

(2)太阳能系统。太阳能系统已经独立出来单独加热水,以供夏季洗浴之用。通过分析可看出,此系统在冬季工况可以产生较多的热量来满足冬季宿舍取暖和洗浴热水的需求;夏季工况则可以兼顾宿舍降温和洗浴热水之需。

4 结语

本文所谈的风能太阳能联合利用系统只是一种设想,要去实现的话还是有很多困难的。如要解决系统的自动控制问题,系统中要控制的参数较多,如何选择合适的控制方法以使系统的运行达到最佳循环工质的选取问题,需要寻找一种既能满足夏季工况又能满足冬季工况的循环工质;风力机与系统的功率匹配问题,需要计算出系统所需的能量输入,查阅相关气象资料,选择合适的风力机等。

近年来,能源供需矛盾日益加剧以及传统化石能源带来的环境污染压力已严重阻碍了经济的发展,世界各国都开始重视开发与利用可持续发展的新能源和可再生能源。风能和太阳能是目前最具开发利用前景和技术较为成熟的新能源和可再生能源,利用的经济性随着技术的改进在不断提高。我国的风能和太阳能资源蕴藏丰富,可供开发的很多。而且我国内蒙古、新疆等较偏远地区风能和太阳能资源较为丰富,这些地区能源的最终使用方式主要是热能,如采暖、加热、保温、烘干、家禽饲养及蔬菜大棚等,使用风力致热最为有利、便捷。本文所提出的风能太阳能联合利用设想方案非常适合这些地区的生活采暖和夏季降温之用,既可解决偏远地区电力输送困难且损耗大的问题,又充分利用了当地丰富的风能和太阳能等可再生能源,起到了节能减排,保护环境的作用。因此,进一步投入研发力量,加快这方面的研究,对缓解我国能源压力,减轻环境污染,提高生产、生活质量具有重要的意义。

[1]林秀华,林 彦.我国风能利用的现状与展望[J].厦门科技,2010(1)：38～ 40.

[2]王 超.浅析风能的开发利用[J].产业分析,2008(5)：20～22.

[3]凌 申.对我国沿海风能资源开发利用的思考[J].资源开发与市场,2008,24(7)：634～ 657.

[4]王举成,谭兴霞.太阳能在建筑中的应用[J].山西建筑,2009,35(2)：239～ 240.

[5]李华山,冯晓东,刘 通.我国风力致热技术研究进展[J].太阳能,2008(9)：37～ 40.

[6]王士荣,吴书远,武 刚.液压式风力致热与蓄热装置[J].可再生能源,2002(4)：29～31.

[7]吴书远,范垂文,夏国惠.风力致热装置[J].农村能源,1992(1)：16～18.