家用智能可再生能源热电联产系统的优化设计

牛海霞，董正茂，侯晓东

(1.内蒙古机电职业技术学院；2.华润电力控股有限公司，内蒙古 呼和浩特 010010)

我国北方牧区常规能源较为短缺，电网覆盖有限，人民居住分散，许多地区无法实现集中供电，但可再生能源的储量却非常丰富，其中太阳能、风能等是主要可利用的新型能源。其中太阳能分布区域范围广、清洁安全、循环可再利用，是取之不尽、用之不竭的初级能源，也是有益于人类生存环境的绿色能源；风能是太阳能的一种转化形式，据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2%转化为风能，但其总量仍是十分可观的。风力发电利用的是自然能源，没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染，是一种特别好的发电方式，相对火电、核电等发电要更加绿色、环保。内蒙古草原上的风力发电机风能设施日趋进步，大量生产成本较低，在适当地点，风力发电成本已低于发电机。风能设施多为不立体化设施，也可保护草原陆地和生态。

目前，我国北方地区供暖主要来源于火电厂和专门的热力公司，火电厂利用抽汽式汽轮机或背式汽轮机的抽汽和排汽，为工厂或居民提供不同压力的蒸汽来供热，这种既能生产电能又使用蒸汽对用户供热的生产方式称为热电联产。相对于分别供电、热能的方式，热电联产更为节能，同样的原理还可以应用到太阳能、风能等可再生能源上，从而实现高效率、无排放、零污染的可再生能源热电联产。

目前，部分地区牧民使用离网型光伏、风力发电蓄电池储能系统供电，仅供日常照明、简单电气设备用电。牧区供暖主要以燃烧煤炭、畜牧粪便为主，这种原始燃烧取暖方式，既不方便，又污染环境。为解决牧区生活和生产供热、供电问题，改善牧区人民生活条件，笔者利用太阳能、风能最具规模化潜力的热电联产可再生能源，优化设计家用智能可再生能源热电联产系统，该系统对于节能减排、改善环境以及实现绿色经济具有积极的意义。

1 太阳能供热系统工作原理及设计思路

人类赖以生存的自然资源几乎全部从太阳能转化而来，太阳能作为清洁的可再生能源，是人类赖以生存和发展的基础能源之一。内蒙古全区日照充足，太阳能资源丰富，全区太阳能理论蕴藏量为63.918×106亿MJ，占全国理论蕴藏量的12.06%，全区太阳能资源自东北向西南递增，平均太阳总辐射量在5 398MJ/m2～5 889MJ/m2之间，年日照时数在2 700h～3 400h之间。本设计结合草原牧区丰富的光资源，利用光热转化原理，设计供热系统，向牧区人民生活及生产供热。

太阳能目前利用的方式主要有光热和光电。光电利用是将太阳能转化为电能，如光伏发电；光热利用是将太阳能转化为热能，如太阳能热水器。太阳能光热发电原理是指利用大规模阵列抛物或碟形镜面收集太阳热能，通过换热装置提供蒸汽，推动汽轮发电机工作，从而达到发电的目的。

现有的太阳能供热装置一般通过太阳能集热器、集热水箱、连接管路等部件给人们提供热水。由于太阳能受时间限制，在太阳光线不足或晚上没有太阳的情况下，太阳能集热器无法吸收足够的能量来提供热能，因此，存在供热间歇性的问题。为了满足连续供热，本设计利用光热转化设备，将白天充足的太阳能资源转化为热能，既可满足白天用热需要，又能将多余的热量储蓄起来，供夜间使用。结合目前市场蓄热工质使用情况，综合考虑蓄热设施经济实用性及维修便利性，本设计使用熔盐作为蓄热工质，且熔盐有高温稳定性、低黏度及较大热容比等特点，已经量产，并广泛应用。

1.1 太阳能供热系统工作原理

本设计利用槽型抛物面反射镜，将太阳光聚焦到集热管，从而对传热工质熔盐加热，吸收热能后的熔盐进入蓄热罐，蓄热罐内的热熔盐通过热交换器，把热能传输给水循环系统，加热后的水直接用于牧区人民生活及生产。蓄能是本供热系统的主要特点之一，白天可以将多余热量储蓄起来，夜间再将储蓄的热量释放供热，实现连续供热。

1.2 太阳能供热系统设计思路

因内蒙古牧区冬季气温低于零度，极限温度达零下45℃，熔盐容易凝结，所以本设计采用了光敏控制熔盐泵和温度控制真空泵，让熔盐强制循环和回流。在白天，太阳能总辐射量大于1MJ/m2时，打开熔盐阀门、启动熔盐泵，让熔盐循环起来，不断吸收太阳辐射能，转化为热能；在傍晚，太阳能总辐射量低于1MJ/m2后，太阳辐射能越来越低，熔盐无法继续吸热，利用真空泵，强制把传热管道内的熔盐吸入蓄热罐，以防夜间低温，导致传热管内熔盐凝结、结块。本设计可再生能源供热系统主要设备包括太阳能集热器、传热管道、蓄热罐、热交换器、供热锅炉、补水系统、供热水管、暖气片及自动控制系统，如图1所示。

2 风能供电系统工作原理及设计思路

风能作为一种可永续利用的清洁可再生能源，有着巨大的开发应用潜力。内蒙古全区整体风能资源较好，全区风能资源总储量为13.8亿kW，技术可开发量3.8亿kW，占全国50%以上。全区平均风速自西向东逐渐递增，100m高度年平均风速在4m/s～9m/s之间。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。

因光伏发电设备在夜间无法发电，供电间断性明显，考虑到草原牧区冬季季风平均风速高，全天都能发电，所以本设计采用风力发电设备供电。利用草原牧区优质的风能资源，根据风电转化原理，设计供电系统，向牧区人民生活及生产提供不间断电源，并将多余的电能使用蓄电池储存起来，供用电高峰时使用。

2.1 风能供电系统工作原理

本设计利用小型风力发电机供电，小型风力发电机工作原理是利用风力驱动风机叶片旋转，从而带动发电机永磁转子旋转，产生旋转磁场，旋转磁场切割定子绕组，在定子绕组中产生电能。该电能质量较差，需经整流、逆变后方可使用，逆变后的电能，经供电系统向牧区人民生活及生产供电。

2.2 风能供电系统设计思路

因自然风速无法控制，导致风机转速也随风速频繁变化，从而产生的电流大小也不同，为了提供稳定电源，需设计整流系统和逆变系统，且利用蓄电池存储多余的电能，供用电高峰使用。本设计可再生能源供电系统主要设备包括风力发电机、整流系统、蓄电池、逆变系统及自动控制系统，如图1所示。

3 可再生能源热电联产系统工作原理及优化设计

智能控制系统是利用先进的计算机技术、网络通信技术及综合布线技术等，将上述牧区家用可再生能源热电联产中供热、供电设备有机结合起来，通过网络化综合智能控制和管理，满足牧区家庭生活及生产用电需求。

本设计可再生能源热电联产系统主要包括供热系统、供电系统及智能控制系统(如图1所示)，根据牧民生活、生产习惯，把供热系统产生的热能、供电系统产生的电能，通过智能控制系统控制，科学合理的向牧民提供热能、电能。

图1 可再生能源热电联产系统

4 结束语

太阳能、风能作为一种清洁的可再生能源，已被广泛应用于工业、生活等各个供热供电需求中。家用智能可再生能源热电联产系统的设计将太阳能转化为热能，风能转化为电能，从而将该部分热能、电能应用于牧区日常生活和生产，进而解决牧区基础设施落后，生活条件差的处境，提高牧民生活质量和增加畜牧产值。通过本次设计，为可再生能源热电联产提供了一种可实施的方案，也是提高牧民生活质量的一种手段。