家用智能可再生能源熱電聯產系統性能實驗研究

牛海霞　董正茂　樊志勇

摘 要：按照家用智能可再生能源熱電聯產系統優化設計方案，結合牧區居民環境和用熱及用電調研結果，分析市場供熱、供電設備性能和價格，選擇一套適合牧區家用可再生能源熱電聯產設備，經安裝調試后，進行了系統測試研究。研究結果表明：當光功率預測值700W/m2時，產熱設備將生產多余熱量，此時可集中安排生活及生產用熱;當風功率預測值大于5米/秒、2臺風力發電機組工作或當風功率預測值大于7米/秒、1臺風力發電機組工作，將生產多余電量，此時可集中安排生活及生產用電。

關鍵詞：可再生能源;智能控制;熱電聯產;性能實驗

中圖分類號：TB 文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.10.079

內蒙古牧區人民居住不集中，無法實現集中供熱、供電，而牧民生活、生產又急需熱和電，為解決這一矛盾，優化設計了一套家用智能可再生能源熱電聯產系統。利用牧區天然的風光可再生能源來解決牧民供熱、供電問題，既不破壞草原生態，又不對草原造成污染。經過深入研究，利用智能可再生能源熱電聯產系統中的風、光功率預測設備，能指引牧民正確用熱和用電，具體系統設備選型及性能實驗如下。

1 太陽能供熱系統設備選型

內蒙古牧區太陽能資源豐富，平均日太陽總輻射量在14.8 MJ/m2-16.1MJ/m2之間，日照時數在5.5-9.5小時之間。本供熱系統，利用槽式集熱器，吸收太陽輻射能，轉化為傳熱工質熔鹽的熱能，經加熱的熔鹽通過熱交換器把熱量傳遞給供熱水箱，當供熱水箱到達設置溫度后，就不需要繼續加熱，加熱熔鹽多余的熱量就存儲在蓄熱罐中，以便槽式集熱器停止運行后，從蓄熱罐中釋放熱能，繼續加熱供熱水箱。

1.1 太陽能供熱系統設備選型依據

經調查，內蒙古牧區牧民用熱主要包括生活日用熱水、冬季住房取暖、冬季牲畜產房、冬季食物儲存及冰水融化，所以冬季是牧民用熱高峰，考慮到牧區冬季漫長，用熱高峰持續時間較長，本次產熱設備選型，以冬季日平均用熱量進行估算。

內蒙古牧區冬季日照時數在5.5-7.5小時之間，為減少蓄熱量，降低蓄熱設備造價，將牧民用熱高峰集中安排在白天產熱高峰期間進行，蓄熱設備主要考慮非產熱時間段內，住房取暖和生產用房溫度維持。

1.2 太陽能供熱系統設備型號

結合目前市場供熱設備產品，考慮維修簡單方便性，綜合衡量設備性價比，本次供熱主設備選型如下：

（1）集熱器：槽式太陽能集熱器。

（2）蓄熱罐：圓柱形熔鹽蓄熱罐。

（3）循環泵：熔鹽泵。

（4）熱交換器：渦流熱摸換熱器。

（5）傳熱工質：熔鹽。

2 風能供電系統設備選型

內蒙古牧區風能資源豐富，100米高度年平均風速在4米/秒—9米/秒之間。本供電系統，利用風力發電機原理，把風能轉化為電能，此時電能質量較差，經整流和逆變后方可使用。為向牧民提供可靠電源，利用儲能設備把大風期間，多余電能儲存起來，以備弱風期間使用。

2.1 風能供電系統設備選型依據

經調查，內蒙古牧民用電設備主要包括家用電器設備（如：照明、電視、冰箱及洗衣機等）、生活水泵、電動鍘刀及水箱輔助加熱器等，本次發電設備選型，即參考上述電器設備極大負荷，又參照全天用電量。考慮到風力大小的不穩定性，本供電系統配置了一套蓄能設備，在風大時，把多余電能存儲起來，以便弱風時，風力發電機出力不夠，蓄能設備向系統供電，保障牧民持續用電。

2.2 風能供電系統設備型號

結合目前市場供電設備產品，考慮維修簡單方便性，綜合衡量設備性價比，本次供電主設備選型如下：

（1）發電設備：2臺500W風力發電機組。

（2）儲能設備：500Ah鉛酸蓄電池。

（3）整流設備：2臺10A整流器。

（4）逆變設備：1000W逆變器。

（5）自控設備：一套自動控制柜。

3 可再生能源熱電聯產系統性能實驗

本套可再生能源熱電聯產系統主要包括供熱系統、供電系統及智能控制系統。采用了智能控制，熱能、電能的供應都是自動化實現，無需牧民人工參與，整體設備維修簡單，系統設計圖如圖1所示。

3.1 可再生能源熱電聯產系統產熱曲線

為了避免因傳熱工質溫度不同對產熱效率的影響，本次測試使用傳熱工質溫度保持室溫下進行，不同太陽輻照度下，產熱設備功率曲線如圖2。

依據實驗結果，當光功率預測值大于700W/m2時，產熱設備將生產多余熱量，此時可集中安排生活及生產用熱。

3.2 可再生能源熱電聯產系統發電曲線

為了保障安全可靠用電，本次設備選型時，選用了2臺500W風力發電機組，當1臺有故障時，另外一臺風力發電機組可滿足牧民日常家庭設備用電，每臺風力發電機組功率曲線如圖3。

依據實驗結果，當風功率預測值大于5米/秒、2臺風力發電機組工作或當風功率預測值大于7米/秒、1臺風力發電機組工作時，將生產多余電量，此時可集中安排生活及生產用電。

4 結論

本研究提出了一種可再生能源熱電聯產系統，為內蒙古牧區人民用熱、用電提供了一種解決方案，并利用風光預測系統，正確指引牧民用熱、用電，具體實驗結果如下：

（1）根據牧民用熱設備，已計算出牧民常用熱量負荷，當光功率預測值大于700W/m2時，產熱設備將生產多余熱量，此時可集中安排生活及生產用熱。

（2）根據牧民使用電器設備，已計算出牧民常用電器設備負荷，當風功率預測值大于5米/秒、2臺風力發電機組工作時或當風功率預測值大于7米/秒、1臺風力發電機組工作，將生產多余電量，此時可集中安排生活及生產用電。

參考文獻

[1]張遠巍，郭梟.新型太陽能光伏光熱一體化系統性能實驗研究[J].可再生能源，2018，36（10）.

[2]閆勃東.光熱電站蒸汽發生系統設計[J].技術與市場，2017，24（6）.

[3]仇韜，許粲羚.塔式太陽能光熱電站控制系統研究[J].南方能源建設，2020，（7）.

基金項目：內蒙古機電職業技術學院科學研究項目“北方地區草原上智能光熱供熱系統的研究”（NJDZR1911）。

作者簡介：牛海霞（1984-），女，碩士研究生，副教授，研究方向：機械電子工程。