高寒高原地区风光储智能微电网多联供系统的集成

赵 斌，武熠杰，靳姗姗，卢大为，吴玉莹，冯 放

(1. 华北理工大学，唐山 063210；2. 西藏自治区能源研究示范中心，拉萨 850000；3. 中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司，石家庄 050031； 4. 东北农业大学，哈尔滨 150038)

西藏自治区那曲地区的平均海拔为4450 m，个别地区的海拔高达5000 m，当地高寒缺氧、生态脆弱、生活条件极其艰苦[1]。但该地区的风能和太阳能资源极为丰富，因地制宜地开发利用风能和太阳能资源具有十分广阔的前景[2]。由于太阳能与风能存在间歇性和时段上的互补性[3]，因此在那曲地区采用风光互补发电，可有效改善当地居民的生活环境。

本文在前期研究的基础上[4-5]，依据那曲地区当地的气象条件、太阳能和风能资源特征、建筑特点和用能需求，以当地某村委会的建筑为例，以新能源保证率达到90%为约束条件，集成了高寒高原地区风光储智能微电网多联供系统，以实现电、暖、氧气、生活热水的联合供给。此研究结果将为高寒高原地区分布式综合供能系统方案的设计提供技术支撑，同时也可为西藏自治区海拔4600 m 以上地区的建筑实现供电、供暖(含生活热水)和供氧提供示范。

1 项目概况

本风光储智能微电网多联供系统将建于那曲市罗玛镇加贡村(31°07′N、92°05′E)，该地区海拔为4678 m，目的主要是为村委会供电、供热(含生活热水)和供氧。村委会为1 层的新建建筑，总建筑面积为379.04 m2，其中主体建筑面积为198.72 m2，暖棚建筑面积为180.32 m2。主体建筑的外墙为厚度300 mm 的加气混凝土砌块，外窗为塑钢窗户配双层中空复合玻璃，具有保温隔热、降低噪音、用料环保的优点。

那曲市属于亚寒带气候区，高寒缺氧，气候干燥；年平均气温为-3.3～-0.9 ℃，年日照小时数约为2886 h，全年大风日约为100 天。那曲市的太阳能资源分布、风能资源分布分别如图1、图2 所示。

依据那曲市的气象条件、太阳能和风能资源特征，结合村委会建筑的特点及其用能需求，集成了风光储智能微电网多联供系统。该系统通过光伏发电给储能电池充电，也可通过市电或柴电机充电。

图2 那曲市的风能资源分布情况Fig. 2 Distribution of wind energy resources in Naqu

2 设计方案

在实地调研的基础上，对那曲市罗玛镇某村委会的风光储智能微电网多联供系统方案进行集成，包括供暖系统、风光储智能微电网系统和供氧系统，以实现电、暖、氧气、生活热水的联合供给。该系统的集成如图3 所示。

图3 那曲市的风光储智能微电网多联供系统的集成Fig. 3 Integration of wind-PV-energy storage complementary and smart microgrid system in Naqu

2.1 供暖系统

采用空气式太阳能真空管集热系统解决高原、高寒、电力贫乏、偏远地区建筑物的供暖问题。那曲市的供暖期为9 月17 日～次年5 月28 日。对新建建筑所在地的气候环境条件进行调研后，通过计算得出供暖热负荷和生活热水负荷，并计算得到所需的集热器面积。

2.1.1 供暖热负荷

供暖系统的供暖热负荷值的计算公式为[6]：

式中，Qc为每小时供暖热负荷，W；A0为建筑面积，m2，本文采用主体建筑面积，取值为198.72；q为采暖设计热负荷指标，W/m2，根据村委会建筑的构造及那曲市的气候状况，本文选取75。

通过式(1)的计算可知，村委会建筑的每小时供暖热负荷约为14.9 kW，则其日供暖耗热量为14.90×24 = 357.60 kWh。

2.1.2 生活热水负荷

由于生活热水系统以太阳能供暖为主要热源，电加热为辅助热源，在此基础上增加1 个蓄热水箱，以实现热水的供应。生活热水系统的设计负荷以3 人为例，每人每日热水用量为80 L，则加热水所需要吸收的热量的计算式为[6]：

式中，Q为加热水所需要吸收的热量，kJ；c为水的定压比热容，kJ/(kg·℃)，取值为4.187；m为需加热水的质量，kg；t1为所需生活热水的温度，℃，本文取60；t0为冷水温度，℃，本文取5。

通过式(2)的计算可知，生活热水系统每日加热水需吸收的热量为 55268.4 kJ，即15.35 kWh。

2.1.3 供暖系统集热面积的计算

综合上述计算可知，供暖系统的总供暖耗热量为372.95 kWh。因此，可计算得出直接太阳能集热系统的集热面积，其公式为[6]：

式中，Ac为直接太阳能集热系统的集热面积，m2；Qd为总供暖耗热量，kWh；f为太阳能保证率，取60%；JT为倾斜面日均太阳总辐照量，kWh/m2，本文取5.78；ηcd为集热器的年平均集热效率，本文取46.5%；ηL为管路及储水箱的热损失率，本文取0.1。

通过式(3)的计算可知，直接太阳能集热系统的集热面积为92.5 m2。

2.2 风光储智能微电网系统

风光储智能微电网系统主要包括光伏发电、风力发电、锂电池储能、能量管理(EMS)等子系统，可在并网和离网2 种模式下工作，具有高度的可靠性和稳定性，系统主要有储能供电、光伏供电、市电/ 柴电补电和风机补电等工作模式，需要按照具体用电需求设计控制策略，以提高整个供电系统的运行效率，延长使用寿命。

风光储智能微电网系统的工作模式选择如下：

1)储能供电工作模式。在夜间或太阳辐照度弱的情况下，光伏发电系统无法正常供电时，储能系统通过储能变流器(PCS)逆变成标准的AC380 V、50～60 Hz 三相交流电，通过接入园区配电室的现有配电箱，为村委会建筑供电。

2)光伏供电工作模式。在太阳辐照度良好且电网作为微电网母线电压支撑源时，光伏组件通过逆变器输出标准的AC380 V、50～60 Hz 三相交流电，为村委会建筑供电。

3)市电/柴电补电工作模式。在其他供电系统均不能供应负载的用电需求时，启用市电电网标准的AC380 V、50～60 Hz 三相交流电给锂电池储能系统补电。

4)风机补电工作模式。在风能充足的情况下，风力机输出48 V 直流电，对不间断电源(UPS)充电，从而保证微电网控制器始终处于有电状态。

风光储智能微电网系统的供电工作模式要求具备并/离网单独运行及并/离网切换功能，用以满足间歇性停电地区的建筑物的基本用电需求。以村委会建筑的负载功率为例，计算其总用电负荷，如表1 所示。

从表1 分析可知，该村委会建筑的日最大用电量约为115 kWh，因此光伏发电系统设计的日发电量为120 kWh。

表1 村委会建筑的负载功率情况Table 1 Load power of village committee building

2.3 供氧系统

在高原高寒地区生活，氧含量低是无法避免的问题，这些环境问题也影响到了居民的寿命。据数据统计，内地居民的平均寿命为74 岁，而藏区居民的平均寿命仅为68 岁[7]。由此可见，提升高寒高原地区生活环境中居民建筑内的含氧量十分重要。

本文通过设置制氧机的方式达到提高密封空间的氧含量的目的，改善了人体所处环境的氧气浓度，使人体能在一个舒适的条件下进行氧保健，从而缓解缺氧症状。

3 主机选型

3.1 供暖设备

供暖系统由集热器、蓄热水箱、水泵、鼓风机和散热末端等设备组成，根据项目所在地的气候参数及供暖热负荷进行集热器选型。

集热器选用直流型太阳能双通真空集热管与高性能PCM 蓄能芯融合的太阳能集热器。其由联箱、双通真空集热管、风道及PCM 蓄能芯构成，其中，PCM 蓄能芯置于双通真空集热管内。为满足要求，选用18 组型号为ZN-30F58-2100的空气式太阳能真空管集热器，单组集热器面积为5.1 m2。

散热末端选用风机盘管系统，设计为低温供暖，同时，根据使用时间，达到即用即开的目的。风机盘管作为散热末端，采用的是超薄、静音、立式、明装的风机盘管，以降低噪音。由于项目实施地在高原高寒地区，气候多变，为保证风光储智能微电网多联供系统可以克服极端寒冷天气，满足供暖需求，在建筑内安装了钢制类型的散热器12 台。

3.2 光伏发电设备

在当地太阳辐照度良好的情况下，光伏组件满功率日发电小时数可达5 h 以上。光伏发电系统的组件装机容量的计算式为[8]：

式中，W为光伏发电系统的组件装机容量，kWp；L为光伏发电系统组件的日发电量，kWh；H为日发电峰值小时数，h；η为光伏组件的系统综合效率，取0.8。

通过实地调研(见表1)，取光伏发电系统组件的日发电量为120 kWh、日发电峰值小时数为5 h。代入式(4)可知，光伏发电系统的组件装机容量(即峰值功率)为30 kWp。

光伏发电系统选用98 块310 Wp单晶硅光伏组件，总装机容量约为30.4 kWp；配置1 台组串式并网逆变器。将所有组件分为5 个组串，其中4 个组串为每串20 块组件，第5 个组串为18 块组件，直流侧接入储能集装箱内的组串式并网逆变器。光伏组件的基本参数如表2 所示，组串式并网逆变器的参数如表3 所示。

表2 光伏组件的基本参数Table 2 Basic parameters of PV modules

表3 组串式并网逆变器的参数Table 3 Parameters of string grid-connected inverter

3.3 风力机

那曲市虽然瞬时风速高，但风向多变，最突出的问题是空气密度低，仅为内陆低海拔地区的60%左右[7]，由于空气密度低导致常规风力机不能达到其在内陆地区的额定功率。同时，由于风向多变的特点，相比于水平轴风力机，在西藏地区更适用垂直轴风力机。基于以上因素，文献[9]提出了一种聚风型直线翼垂直轴风力机的设计思路，笔者对其进行优化，使其可以在西藏地区良好运行。前期的数值模拟和风洞试验结果表明，在不增加风轮尺寸的条件下，借助聚风装置可以提升风轮入流风速和能量密度。在风力机安装之前，对聚风型直线翼垂直轴风力机的结构进行计算分析，以确保该类型风力机的强度可满足使用要求，以确保不断开、不损坏，运行安全可靠。聚风型直线翼垂直轴风力机的仿真结果如图4、表4 所示。

图4 聚风型直线翼垂直轴风力机的发电功率曲线Fig. 4 Power curve of straight-bladed vertical axis wind turbine with wind gathering device

表4 聚风型直线翼垂直轴风力机的结构计算结果Table 4 Structural calculation results of straight-bladed vertical axis wind turbine with wind gathering device

该聚风型直线翼垂直轴风力机具有阻转矩低、启动风速低和风能利用系数高等优点。聚风罩是聚风型直线翼垂直轴风力机的重要部件，为保证其能满足获得更多风能的要求，其内侧导流面需要严格符合B 样条曲线(为贝兹曲线的一种一般化，可以对风的导流起到更好的作用)，且不能大幅增加风轮重量，因此聚风罩的材质优选韧性好、质量轻、易造型的复合材料。

风力机控制器需选用优质元器件，以确保设备运行的稳定性，完善的保护功能使该风力发电系统可靠性高；在液晶显示屏上可查看各种参数的变化情况，通过控制充电方式，可以保证液晶显示屏的电池系统始终处于最佳充电状态。本文所选的聚风型直线翼垂直轴风力机的模型如图5 所示，基本参数如表5 所示。

图5 聚风型直线翼垂直轴风力机的模型Fig. 5 Modal of straight-bladed vertical axis wind turbine with wind gathering device

表5 聚风型直线翼垂直轴风力机的基本参数Table 5 Parameters of straight-bladed vertical axis wind turbine with wind gathering device

3.4 储能系统

本文的储能系统采用磷酸铁锂电池，该类电池较铅酸电池寿命更长，铅酸电池的循环寿命约在300～500 次，而磷酸铁锂电池的循环寿命可达到3000 次以上[10]。目前光伏组件等发电设备的寿命均在20 年以上，因此选用磷酸铁锂电池能够更好地匹配光伏组件等发电设备[5]。

考虑到高原高寒地区的特性，再结合当地居民的用电需求及实际用电负荷，从而确定采用的磷酸铁锂电池的体系，电池的具体参数如表6 所示；并根据负载特性设计电池总电量为82.944 kWh；再参考当地的高寒气候环境，对电池进行优化设计。锂电池储能系统采用“9+1”抽屉式构造。

3.5 供氧设备

采用ZL-ZD-08 壁挂式制氧机为村委会建筑中的28 m2卧室供氧。该制氧机操作简便，具有使用寿命长、稳定性好、响应速度快等特点。制氧机的基本参数如表7 所示。

表7 制氧机的基本参数Table 7 Basic parameters of oxygenerator

4 结论

本文设计了可应用于高寒高原地区的风光储智能微电网多联供系统，实现了电、暖、氧气、生活热水的联合供给。风光储智能微电网多联供系统是新能源在高寒高原地区建筑综合能源系统的示范应用，建筑所在地区的气象条件，太阳能和风能资源特征，建筑物结构和建筑电、热负荷需求是风光储智能微电网多联供系统集成和方案设计的首要条件。

以那曲市罗玛镇加贡村某村委会新建建筑为研究对象，集成的风光储智能微电网多联供系统选用了直流型太阳能双通真空集热管与高性能PCM 蓄能芯融合的单组面积为5.1 m2太阳能集热器18 组、310 Wp单晶硅光伏组件98 块，并配置了1 台组串式并网逆变器、500 W 聚风型直线翼垂直轴风力机、82.944 kWh 的磷酸铁锂电池组和1 台ZL-ZD-08 壁挂式制氧机。集成的风光储智能微电网多联供系统可满足该村委会建筑的供电、供暖(含生活热水)、供氧的需求，为高寒高原地区建筑实现综合能源系统的示范提供了解决方案。