塬地太阳能风能互补直流发电蓄电建筑的供暖研究

赵志军， 刘 凯*， 申晔龙

(1.中国建筑西北设计研究院有限公司， 陕西 西安 710018；2.安阳钢铁集团有限责任公司， 河南 安阳 455000)

在当前各种可再生能源应用技术中，太阳能和风能电力系统以可观的低成本、成熟的安装技术和灵活的配置推动其不断合规增长。2020年上半年，受新冠肺炎疫情影响，全球用电需求量下降了3%，而风能和太阳能发电同比增加了14%，48个国家和地区中，风能和太阳能发电量从2019年的1.13×109MW·h增加到2020年上半年的9.92×109MW·h[1]。我国风能和太阳能主要在西北的县级地区，但县级地区的电网配套和规划建设滞后，局部地区网间外送限制其并网。此外当地用电负荷小，导致就地消纳能力有限，而外部消纳又受限，这就产生了风电、光电被弃的现象[2]。2017年，中国的太阳能发电削减率约为6%，甘肃省和新疆维吾尔自治区的弃风电率分别为47%和45%[3-4]。2010—2016年，中国的平均弃风电率超过10%[5]。太阳能、风能的间歇性和不确定性，导致风速和辐照度值在很大程度上取决于位置、时间和大气环境。因此，许多研究提出通过供暖、供水、照明、农村农业电力机械等就地消纳利用被弃的风电、光电功率，并设计如多能互补的供暖技术就地解决消纳弃风电问题[2]。

渭北西部塬地地区，风、光资源丰富，住户总体聚居，局部分散。分散民居独立的燃煤采暖能耗大，污染物排放大，清洁热源比重低。此外集中供暖供燃气在塬地地区因翻山越岭使得管道铺设难以实现，集中供热条件不足[6]。

本文为解决塬地居民家庭低品位热能的需要，将风、光转化为电，使用风光互补发电取暖，替代燃煤供暖，提出一种光能风能互补的微热电网供暖系统。此系统利用被弃太阳能和风电功率实现灵活的电热功率转换输出，可以就近用户分散接入，就地消纳，解决当地农村供暖问题。

1 建筑热源及建筑热负荷分析

1.1 风能发电制热系统

本文以陕西省咸阳市旬邑县土桥镇太阳能风能发电站为例，研究太阳能风能互补供热系统的性能。土桥镇地处渭北黄土高原西部沟壑区域，地形主要以山塬面为主，河道地势低，塬地高，高差近1000 m，日照和地形导致塬面和河谷温差变化大，气体流动明显，所以常年存在山谷风等形式的风力资源，属国家四类风区，年平均风速5～8 m/s。塬地冬季平均气温较低，风量大。垂直轴风力发电机的发电量低于水平轴永磁直驱风力发电机的发电量，所以土桥镇风力发电场建设的是23台2.2 MW的水平轴永磁直驱风力发电机，风机塔筒高达90 m，单片叶片长61 m，最小启动风速2.5 m/s，额定风速10.5 m/s，切出风速为20 m/s，塬地风力发电场如图1。

图1 塬地风力发电场

水平轴风力发电机组年度等效满负荷利用小时数1955 h，预计年上网电量为97 755.5 MW·h，单机容量2500 kW。单台风机年发电量420万kW·h左右。实验[7]表明，水平轴风力发电机的风速在11～14 m/s时发电效率最高，可达1200～1500 W，此风速分布大约占25%，可以作为本次研究的参考。

由于风力发电机风量不稳定，产生的是交变流电，而直流电比交流电容易控制，所以本研究利用二极管全桥整流电路(图2)把风力发电机发的交流电变成直流电利用。图2中AC2的端口1、2接全桥电路两端，变压后就可以得到13～25 V的交流电AC2。电流经过保护电路整流以后输出直流电，也可以通过逆变电源对蓄电瓶充电使电能转化为化学能，需要时再把电瓶里的化学能转变成直流电以保证稳定使用。电流表AM1是串在电路中的，电压表VM1是并接在负荷两端的。二极管单向导通，使得从AC2端口1来的电流经过D1后进入负载，然后从D3流回AC2的端口2。电流从0开始变大，电压也相应从0变大到220 V，然后电压、电流再逐渐减归到0。

图2 交流风电变直流电原理图

换向后AC2的端口2来的电流经过D2后进入负载，然后从D4流回到AC2的端口1。电流从0开始变大，电压也相应从0变大到220 V，然后电压、电流再逐渐减归到0。全桥电路把负载两端两个方向的交流电流变成一个方向的直流电。

根据贝兹(Betz)的风力机气动理论可得风力发电系统输出功率Pwd的计算公式为[8]

(1)

其中Cp为风能利用变量系数，由风力发电机转速和叶片参数决定，取最大值0.593；Pw是风力系统中气流功率(W)；S为风力发电机迎风面的面积(m2)；Vf为风力发电机工作时的风速(m/s)；ρ为空气密度(1.29 kg/m3)。风力发电机参数见表1。

表1 风力发电机参数表

1.2 太阳能发电制热系统

山塬面地势高，成带状平缓分布，可利用的太阳能资源条件优越，年平均日照时数达2390 h，太阳辐射总量达5 024.16 MJ/m2，如图3所示。

图3 年均太阳总辐射分布 图4 塬地光伏发电场

塬地光伏发电场(图4)计划采用“主电上网、余电自用”的方式利用光伏电能。

光伏电池板发出的直流电，可通过直流-直流(DC/DC)变流器给离网系统的蓄电池供电，光伏系统物理模型的发电功率Ppv的计算公式为[9]

(2)

其中Psc为单个光伏模块的输出功率(W)；Nsc为光伏系统中光伏模块的数量；QE为单个光伏模块全年的发电量(kW·h)；A为单个光伏模块的面积(m2)；ηsc为系统的转换效率(取0.56)，包含运行的衰减、灰尘遮挡、温度损失因子、逆变器转换效率、朝向及倾斜角修正；εsc为单个光伏模块电热转换效率(取0.8)；h为全年峰值日照时数(h)。

太阳能电池发电光伏组件的参数见表2。

表2 太阳能电池发电光伏组件的参数

根据建筑热负荷(Qheat)计算变压器低压侧实际供电电流IL(A)，并以此选择变压器。太阳能发的电为直流电，不需要半桥或者全桥转换电路，但需要变压，变压器选择计算公式为[9]

(3)

其中P2为变压器低压侧输出功率(kW)；UN为变压器低压侧额定电压与电缆压降之差(0.38 kV)；cosφ为功率因素，是有功功率P和视在功率S的比值，这里取0.8；η为变换效率，取0.92；Qheat为建筑设计供热负荷(kW)，由于这里电热供暖系统转换效率可达98.68%，过程热损失可以忽略不计，所以这里取P2与Qheat相等[10]。

1.3 建筑热工分析

2019年土桥塬地冬季气温、历史风向、历史风力和日照等历史天气状况数据(表3)从SolarGIS和WeatherSpark得到。

表3 历史天气状况数据

土桥塬地气候冬长夏短，1月份最冷(平均气温-4.5 ℃)，冬季日均气温≤10 ℃，日气温变化范围都小于15 ℃，多西北风，气流下沉，风速小(2.5～2.7 m/s)。夏季多东南风，年平均风速2.8 m/s。春季冷暖交替，空气流动频繁，风速最大(2.9～3.2 m/s)[11-13]。取典型气象年最冷月份中温度的日平均值与该月平均值最接近的1月19日为冬季典型气象日。日均达到地面的短波太阳能直接辐射(DNI)、总水平辐射(GHI)、风速和干球温度如图5所示。

图5 冬季典型日逐时气象参数

根据图5，典型日1月19日太阳总辐射7.73 MJ/m2，最高温度2.89 ℃，最低温度-12.11 ℃，日平均温度-4.3 ℃。塬上90 m高度的风速为3～6 m/s。

当地山塬地区没有通燃气和集中供暖的条件，居民采暖大多采用煤炭。因此，选取村里一个典型住户进行调研测验，其住宅围护结构为砖混墙体，无保温面层，铝合金门窗，普通玻璃。住户年度采暖耗煤990 kg，按照标煤发热量29 307.6 kJ/kg，可以计算得到年耗热量为29 061 463.05 kJ，等同于8 072.63 kW·h。

以OpenStudio和EnergyPluse模拟此户型建筑电热采暖的模型如图6所示。供热末端采用加热电缆地板辐射采暖，无需一、二级热水供暖管网，利用当地的配电设施系统，直接式的加热电缆通电后内芯热线消耗电热功率发热，实现电能向热能的转化，热能通过地板面以对流和辐射的形式给建筑室内供暖，提高人体热舒适度。

图6 Sketchup建筑模型

依此模拟计算供暖典型设计日24 h渭北塬地建筑热负荷，进而分析风光互补发电系统废弃电功率的供热量与建筑热负荷的匹配情况。

设定双导加热电缆线功率为17 W/m[10]，再利用OpenStudio和EnergyPluse模拟计算得到土桥镇单层实验住户建筑热负荷计算书简略表如表4所示。

表4 实验住户热负荷计算书简略表

典型实验住户不含户间传热时的室内供暖总热负荷约为7.65 kW。热负荷随着室外的温度和太阳辐射照度在不断变化，09:00—18:00时间段温度高，热负荷小，18:00—次日09:00时间段温度低，热负荷大。建筑的供热量应根据建筑热负荷的变化进行分时段调节控制，不宜按最大热负荷定量供热，这样白天09:00—16:00时间段热负荷小，过量供热导致热舒适体验差，还造成不必要的能源消耗。

1.4 蓄电池模型描述

(4)

其中K为安全系数，取1.25；I为负载电流(A)；T为放电小时数(h)；η为充放电及逆变器的容量系数，取1；α为蓄电池放电温度系数，取0.006；t为蓄电池最低环境温度(℃)；P为负载功率(kW)；ΔU为蓄电池放电期间的平均电压减去逆变器与蓄电池之间的电缆压降(V)；Qhi为实时供热量(kW)。

系统采用14 V/30 Ah的铅酸蓄电池，充电电流为2～10 Ah，充电电压为14.4～14.9 V，比容为35～50 W·h/kg，比功率为75～300 W/kg。

1.5 热源系统原理及系统模型

塬地晴天光能充沛，夜晚和风雨天风能充沛，这一特性使得太阳能、风能单独使用不能稳定可靠地供电供热[13]。风能的间歇性、可变性决定了其需要其他可再生能源作为互补。风能和太阳能之间的时域互补特性规避彼此的产能产热缺陷，促进热与电功率互补技术的应用，为微热网系统提供可靠的电源和热源[5]。风能和太阳能之间的紧密耦合有更好的可调度性，以此做热源时，需要分析供热实际利用的弃风电和光电，这里以弃风、光电率来衡量能源的利用率，计算公式为

(5)

式中ε为弃风、光电率；Pwd为风力电站的发电功率；Ppvi为光伏电站的发电功率；Ptrans为电网最大输送电功率，由当地规划设计确定，这里假设其为零，全部由当地供热制冷消纳；Pcsm为内部电负荷消纳电功率，冬季全部由制热及其系统动力消纳，夏季可由供冷确定，以当地的冷热量来平衡弃光电的功率。

以加热电缆辐射采暖计算，供热系统热源站为小型热源站，辐射半径为1 km。内部负荷消纳电量包括当地实时利用和热能存储系统存储的电热，热能存储系统能够为整个热力系统提供服务。根据热源系统原理建立供热动力系统模型，结合塬地实际天气数据和分布式区域热负荷需求，分析供热动力系统的热电输出特性。采用MATLAB/Simulink仿真软件建立互补热源配电系统的模型(图7)。建筑供暖热源系统由光伏系统、风力系统、蓄电池和电加热负荷设备组成。热源系统中热能来自于光伏与风能废弃电功率，将废弃电功率转换成热能用于建筑供暖。热源的热功率输出与建筑需热量完美匹配时，节能效果最明显，运维更经济。

图7 MATLAB建立的供热系统模型

利用太阳能和风能产出的电功率，在使用电加热装置保证建筑物供暖需求条件下，将低负荷时段系统收集的多余电能就近分配存储在蓄电池存储系统中，灵活地提供可调度电源，以解决极端天气供热量与热负荷需求不匹配的问题。模型中太阳能和风力系统的发电功率是互相独立的，但与气象数据有关。读取历史典型日的日照和风力气象数据，依据工程资料输入设备数据、负荷数据以及运行策略数据。

针对建筑供热需求和MATLAB建立的供热系统模型提出4种光伏-风能系统运行控制策略，运行策略流程图如图8所示。

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图8 运行控制策略流程图

控制策略1：若实时热负荷(Qhi)需求小于等于光伏系统的发电功率(Ppvi)，则此时的热负荷需求由光伏系统提供，多余的光伏和风机产生的直流电功率由蓄电池存储(Phs)。

控制策略2：若实时热负荷(Qhi)需求小于等于风力系统的发电功率(Pwd)，则此时的热量需求由风力系统提供，多余的光伏和风机产生的直流电力由蓄电池存储。

控制策略3：若实时热负荷(Qhi)大于光伏系统或风力系统的发电功率，但小于光伏和风力系统的总和发电功率(Ppvi+Pwd)，则由光伏和风力系统联合给建筑供热。

控制策略4：若实时热负荷(Qhi)大于光伏和风力系统的总和发电功率，此时要以最不利条件配置系统，就要求在光伏和风力发电系统的总发电功率提供热量的同时，热能存储器系统存储(Phs)也提供热量，从而满足供热要求。

2 结果与讨论

2.1 互补供热系统的性能

实验项目经过现场的测试计算，整个冬季日发电量为100.38～143.36 kW·h，并网利用率25.34%。冬季典型日光伏和风能系统的最大理论弃风电的变化以及模拟得到建筑热负荷需求情况如图9所示。

图9 负荷与供热量分布图

风力系统全天发电，而太阳能系统只能在白天发电，最大理论弃风电功率损耗和建筑逐时热负荷都由气象条件决定。图9表明4种太阳能-风能系统运行控制策略中，策略1的情况是不存在的，因为热负荷恒大于太阳能的供热功率，在时域上热负荷与供热量不对等。策略2的情况存在，08:00—18:00之间风电功率大于热负荷功率，如果不加以利用就会造成弃风电现象；而其他时间段又不足以平衡建筑热负荷，也是典型的时域不对等。策略3是策略1和策略2的复合，同样，太阳能风能总的发电量与热负荷在时域上不对等，需要转移互补系统的总热功率输出时段与建筑热负荷变化匹配，使其在时域上对等，同时抑制风能和太阳能系统的功率损耗。

系统电功率损耗随时间变化，太阳能风能互补系统本身能解决冬季典型日白天太阳能热功率不足的问题，但是互补系统在夜间仍然不能满足建筑供暖需求。因此需要并入蓄电系统蓄电来缓冲互补系统的时域不对等性，以匹配建筑逐时热负荷。依据实验数据参数和运行策略优化采光板、风力发电机组和蓄电池的模型参数，用MATLAB/Simulink仿真模拟运行控制策略4得到供热系统动态特性分布，如图10所示。

图10 系统的供热量动态特性分布图

从图10可以看出，风机、光伏和电池提供的总功率达到658 W，350 s后达到稳态状态，此时整流器的功率损耗小于10%，整流器、变压器及其他元器件的功率损耗为58 W。

不同辐射照度、温度和风速下，控制系统可以提取和跟踪光伏的最大功率，并根据负荷需求运行供热系统和蓄电池的充电放电使供需平衡。环境变化或系统动态变化时，控制系统需要快速地平衡系统的供热量和需热量，此时需要蓄电池能够在200～400 s的时间内补充风、光能无法维持的建筑所需热量。蓄电系统白天输入能量、夜间输出能量与光伏风能系统的变化互补，蓄电池稳定电功率为46.33 W。依据控制策略4运行整个供热系统，得到冬季典型日光伏-风能-蓄电互补系统的功率输出，如图11所示。

图11 负荷与蓄热供热量分布图

图11表明，把蓄电池并入系统后可以对电流转换和存储，再通过系统整流器PI控制，就能实现系统的储电放电功能，进而由系统供应建筑实时的需电功率，保证了输出功率满足大负荷时段的供热量，实现了风力和光伏发电的转移以满足逐时的负荷需求。

2.2 互补供热系统的匹配

光伏发电和风力发电系统的最大理论发电量随着装机容量的增加而提高。对于风、光发电系统，经过4种控制策略运行发现，在风力系统的容量比例固定的情况下，增加光伏和风力系统的总装机容量也有利于与建筑热负荷匹配。但这完全没有必要，因为随着蓄电池容量的增加，光伏和风力互补系统的弃风电的损耗功率利用率最大为7.06%，利用蓄电系统缓冲即可解决在峰值能源期间的功率不匹配问题。此外，当蓄电系统容量保持恒定时，增加光伏和风力系统的总容量，或增加风力系统的容量，都会导致光伏和风力系统功率损耗的增加。

热源站辐射范围1 km内有3个比较集中的村子，总共136户居民，按照典型用户的用热量计算得到3个村子总用热量8.78×105kW·h。选择495 MW的光伏和1980 MW的风电，根据典型用户的逐时热负荷分布来调配控制接入热用户供热系统的功率输出和总装机容量，实现了相对较高的弃风电功率损耗利用率(70.87%)，此时热能存储器容量为50 GW。

供热系统设置的中小型电热源站，风力发电最多，为54.64%；光伏发电最少，为20.36%；蓄电系统的总功率占18.44%。供热系统的风电、光电、蓄电在整个供暖季的运行与负荷的匹配供热效率可以达到88.55%，失配率仅为2.74%。此外，在有良好的太阳能资源的情况下，即便蓄电系统已满使得多余的电能被浪费损耗，总的弃风电损耗率还是降到了29.13%。

采用MATLAB/Simulink建立互补供热系统的模型，以实现近100%的可再生能源供热，并分析了直流电供热系统的热能输出特性。根据整个冬季及冬季典型日的参数动态分析，太阳能风能互补系统的功率输出在白天部分情况下可以满足建筑的热负荷，但是时域不匹配，所以高温天气或者高温时段蓄电系统蓄电，以此来缓冲匹配波动的建筑热负荷，抑制弃风电的功率损耗。低温天气为用热高峰期，此时风能或太阳能能源不足，蓄电互补系统通常可以在用能高峰时期供给以匹配需要。

渭北西部农村的山塬地形使住户总体聚居，局部分散；也使得配套市政热力和燃气难度大，且检修难度极大，投资建设成本难以估计。利用可再生风电互补能源及蓄电池构建小型离网电热采暖系统，辐射范围小，热损失小，且能满足建筑热负荷需求，清洁能源利用率高，相对于流体介质供暖运行费用低，相对于分散独立的燃煤采暖也更为清洁环保。

3 结论

本文研究根据塬地地区的地理优势和不足，及山塬地形风能与太阳能优势互补的特点，提出可再生能源太阳能风能互补直流电蓄电供热系统，是一种小型的离网电热供暖技术。在时域上，利用低成本的电能存储将间歇性的太阳能和随机性的风能耦合，实现建筑连续供热和建筑热负荷的匹配。此外，本系统就近用户分散接入，就地消纳风能和太阳能，直接面向用户，直流建筑用户根据实际需求合理控制取暖的温度及时间，系统布置和运行方式灵活，运维相对于市政或者生物质技术简单且经济。在解决塬地居民冬季供暖的同时提高了分布式清洁能源在终端能源消耗中的比重。