基于復合拋物面聚光器的太陽能綜合利用系統

彭 雨, 程鵬飛, 郝正航, 譚 興, 張慶芳

(貴州大學 電氣工程學院, 貴州 貴陽 550025)

通信作者:郝正航(1972—),男,河南開封,博士,教授,研究方向為智能電網及其仿真技術.

基于復合拋物面聚光器的太陽能綜合利用系統

彭 雨, 程鵬飛, 郝正航, 譚 興, 張慶芳

(貴州大學 電氣工程學院, 貴州 貴陽 550025)

研究了基于復合拋物面聚光器的太陽能綜合利用系統。以太陽能綜合利用為核心,設計MPPT控制以實現光伏發電系統獲得最大的電功率輸出；引入電儲熱水箱作為儲能單元,提高對用戶供冷和供熱的穩定性,更好地調節隨季節變化而變化冷熱需求比例。對系統的每個環節進行了建模,并采用Matlab/Simulink對其進行仿真分析。通過仿真結果表明,該系統提高了太陽能的綜合利用率。

冷熱電聯產； 太陽能綜合利用； 聚光集熱器； 電儲熱水箱； Simulink仿真

近年來,太陽能利用技術發展迅速。但是,要實現對太陽能的利用更高效、更合理,就需要對太陽能轉換技術進行更深入的研究。一般情況下,太陽能光伏電池的發電效率在15%左右,其余80%以上的太陽輻射則被電池板吸收轉換成熱量,其中一部分熱量通過對流方式直接傳遞到大氣中,一部分熱量導致太陽能光伏電池的溫度升高、發電效率降低。除此之外,太陽能光伏電池長期工作在高溫條件下,電池組件的壽命也會大大縮短。因此,單純使用太陽能進行發電,對于太陽能的利用率并不高[1-4]。

如何使太陽能光伏電池處于一個適合工作的溫度環境,充分利用電池的廢熱,提高太陽能利用率,是一個重要的研究課題。本文提出一種將太陽能余熱收集起來對用戶進行冷熱聯供的方案,結合光伏發電系統組成了一套太陽能綜合利用系統,以推進太陽能綜合利用。

1 聚光型太陽能綜合利用系統分析

1.1 聚光型PV/T太陽能綜合利用系統

復合拋物面聚光器(CPC)太陽能綜合利用系統利用聚光器，將太陽光聚焦在太陽能光伏電池板上,提高電池板單位面積的光照強度而又不會使電池板產生過多的熱量,提高了光伏發電的效率,而系統的冷卻工質將多余的熱量帶走加以利用,以充分利用太陽的光能和熱能。

CPC太陽能綜合利用系統由CPC聚光器、光電系統、換熱系統和其他輔助設備組成的。該系統的一個單元PV/T聚光集熱器結構如圖1所示[5]。

圖1 CPC型PV/T單元結構示意圖

1.2 太陽能綜合利用系統方案

系統冷熱電三聯供方案如圖2所示,引入蓄電池組以及儲熱水箱作為儲能單元。由于本文的研究是基于太陽能的綜合利用,方案僅以太陽能為例。為了給用戶的供暖更穩定可靠,引入電鍋爐,以保證儲熱水箱

的出水溫度。

圖2 冷熱電三聯供方案

圖3為復合拋物面聚光器太陽能綜合利用系統結構圖。供電系統側含逆變器和儲能裝置。太陽能光伏電池板發出的電能可以并入主電網或者組網運行,直接向用戶供電；供熱系統側含熱交換器和溫度傳感器,可加熱儲熱水箱、供熱管網等；溴化鋰吸收式制冷機通過輸入儲熱水箱釋放的熱量制冷[6]。

圖3 太陽能綜合利用系統結構圖

1.3 太陽能綜合利用系統的運行概況

CPC型PV/T系統的太陽能光伏電池板在發電的同時對換熱工質加熱,不但使電池板得到溫降，使其工作在穩定、適宜的溫度范圍內,也為供熱系統提供了穩定的熱源。在不同的地方或者是不同的季節,用戶對于冷、熱、電的需求各不相同；就季節來說,一般情況下,夏季陽光充足,而對于供暖的需求較供冷需求更少；冬季陽光較弱,對于電能的供應和供暖遠大于供冷。通過調節3個子系統的輸入比例,可以使系統得到最合理的利用。

2 系統建模

以某小區(100戶)為實例,通常情況下，每戶的熱負荷為4 kW,小區采用集中聯供的方式為各用戶供能。由于光伏發電的不穩定性,本方案以供熱需求為首要目標。在充分滿足用戶對供熱需求的前提下,將系統轉化的電能并網使用。綜合光照強度、環境溫度、熱量損失等變化因素,在留有一定的裕量后,計算集熱面積大約是900 m2,以此為依據建立太陽能綜合利用系統,并對系統進行建模與仿真。

2.1 光伏發電系統

太陽能光伏電池在實際工作情況下的等效電路如圖4所示。圖中I表示光伏電池的輸出電流,V表示光伏電池的輸出電壓。

圖4 太陽能光伏電池的等效電路

由圖4和PN結特性可建立輸出電流數學模型[7]

(1)

式中:Io為反向飽和電流；Iph為光生電流；q為電子電荷

(q=1.6×10-19C)；n為常數因子(1≤n≤5)；k為玻爾茲曼常數,k=1.38×10-23J/K;T為電池熱力學溫度。

對上式進行簡化,做以下近似處理并建立工程數學模型[8]:

(1) 開路情況下,I=0、V=Voc；

(2) 在最大功率點,I=Im、V=Vm；

(4) 由于Rs?Rsh,可以認為Iph=Isc,Isc為短路電流。

式(1)可簡化為

(2)

其中:

(3)

(4)

根據以上數學模型,并采用最大功率跟蹤(MPPT)控制,建立Simulink的太陽能光伏電池仿真模型(見圖5)。

圖5 光伏發電simulink仿真模型

2.2 供熱系統

2.2.1 CPC型PV/T集熱器建模

集熱器的性能受制造材料和結構等因素的影響。為方便計算,針對CPC型PV/T集熱器，僅建立光照強度與瞬時效率的數學模型，用于后續的系統建模。建立的數學模型如下[9]:

ηGRE=η0GRE-UL×(Ti-Tamd)

(5)

Qu=GRE×η×Ap

(6)

式中:η為太陽能集熱器效率；η0為集熱器瞬時效率截距,取0.8；UL為熱損系數,取1 W/(m2·℃)；GRE為太陽能輻射量,取1 000 W/m2；Qu為太陽能集熱器的輸出功率；Ap為太陽能集熱器面積,m2；Ti為太陽能集熱器輸出熱水溫度,℃；Tamd為環境溫度,℃；

2.2.2 電儲熱水箱建模

電儲熱水箱實際上可以分為2部分,一部分是電加熱模塊,另一部分是尋常儲熱模塊。電加熱模塊的功率的計算公式為[10]

QH=PE×ηE

(7)

式中:QH為電加熱模塊的供熱功率,kW；PE為電加熱模塊的電功率,kW；ηE為電熱轉化效率,取95%；

水箱在儲熱的同時也在對用戶供暖,其數學模型為

mscω(Ts-Th2)-AsUs(Ts-Ta)

(8)

式中:M為水箱中水的質量,300 kg；Ts為水箱內水的溫度,K；As為水箱表面積,m2；Ta為水的常溫,K；Us為水箱與空氣間的傳熱系數,取6.5 W/(m2·K)；Tg1為流進水箱的溫度,K；T3為流出水箱的溫度,取304.15 K；Th2為回水管網的回水溫度；K；mc為進口熱介質流量；取121 kg/s；ms為熱水流出流量,取121 kg/s。

2.2.3 供熱管網建模

供熱管道在將熱水輸送至用戶側的時候,由于管道內外的溫度差異,會造成一定的熱量損失。管網的建模分供水管道和回水管道2部分。為了方便計算,建立簡化的數學模型如式(9)、(10)所示[11]。

(9)

(10)

式中:Cs為管網中熱水的熱容,取16 400 000 J/K；Tg為出水管網的出口溫度,K；Kgw為管網傳熱系數,取11.63 W/(m2·K)；Lgw為管網長度,取80 m；Tsoil為土壤溫度,取267.41 K；Th為回水管網的入口溫度；K。

2.2.4 低溫輻射散熱式地熱盤管建模

輻射供暖按其散熱設備表面的溫度分為低溫輻射、中溫輻射和高溫輻射。本文采用低溫輻射式的地熱盤管。地熱盤管敷設于室內地板下面,室內空氣通過與地熱盤管中熱水進行熱對流的方式獲取熱能,從而提升室內的溫度。建立的數學模型如式(11)—式(13)所示[12]。

(11)Tpj=Tn+9.82×(qs/1000)0.969

(12)

(13)

式中:Cdr為地熱盤管的熱容,取Cdr=6.565×10-8J/K；qs為地面的散熱量,W/m2；Tpj為地表平均溫度,K；Tn為室內溫度,K；Rd為地板導熱熱阻,取0.218 m2·K/W；A為采暖面積,取10 000 m2(假設每戶采暖100 m2)。

2.2.5 熱用戶建模

由于用戶的室內溫度動態過程受建筑結構、材料等諸多因素影響,為便于研究,對于熱用戶的建模僅考慮室外的溫度變化對室內溫度的影響,建立的數學模型如式(14)、(15)所示[13]。

(14)

Qd=Ur(Tn-Tw)-KL(Ts-Tsoil)

(15)

式中:Cn為室內空氣的熱容,J/K；Tw為室外溫度,K；Ur為室內外的傳熱系數,W/K。

2.3 供冷系統

供冷系統主要是由溴化鋰吸收式制冷機制冷,溴化鋰吸收式制冷機可以利用電儲熱水箱所輸入的熱能驅動,結構簡單、安全可靠。溴化鋰吸收式制冷機的制冷性能系數(COP)受諸多因素影響,為了便于計算,取額定工況值0.7,那么輸入熱功率與制冷功率的數學模型可建立為[14]

Qc=Qh×COP

(16)

式中:Qc為溴化鋰吸收式制冷機的制冷功率,kW；Qh為輸入制冷機的熱功率,kW；COP為溴化鋰吸收式制冷機的制冷性能系數,取0.7。

冷熱聯供系統仿真模型如圖6所示。

圖6 冷熱聯供系統仿真模型

3 Simulink仿真結果分析

3.1 MPPT仿真結果分析

圖7所示為設定的電池板溫度變化曲線,通過仿真驗證電池板的發電功率隨電池板溫度的升高而降低。

圖7 太陽能光伏電池板的設定溫度變化

本文選取典型的APM72M180W光伏陣列進行仿真,太陽能光伏電池各參數非常易于查詢,不一一列出。依據900 m2的集熱面積,可建設25×25的光伏陣列。圖8所示為光伏電池的輸出功率仿真結果。

圖8 最大功率跟蹤(MPPT)仿真結果

從圖8中可以看出,在最大功率跟蹤控制下,系統能夠快速準確地找到最大功率點,從而提高光伏發電系統的發電效率。在光照充分、環境溫度適宜的理想條件下,光伏發電系統的功率可以達到40 kW。通常情況下,普通家庭每日用電量大約為3～5 kW·h,因此,該光伏發電系統的發電量基本能滿足該小區住戶的用電需求。在冬季光伏發電不足的情況下,需由大電網補充供電。

3.2 供暖系統仿真結果分析

供暖系統主要針對冬季室外溫度較低的地區。本文分別進行室外溫度為-20℃和-10℃的環境下供暖系統仿真。圖9為設定的冬季室外溫度變化曲線。

圖9 設定室外溫度變化曲線

如圖10所示為供暖系統對用戶供暖的仿真結果。圖中分別顯示的是電熱水箱的供水溫度、回水管網的回水溫度、經供暖調控之后的室內溫度。

圖10 供暖系統仿真結果

可以看出,室內溫度調控在20 ℃～30 ℃之間,非常適宜居民生活。

圖11為供熱負荷的仿真圖。從圖中可以看出對用戶的供暖功率略高于熱負荷,但是當室外溫度發生躍變時,需經過較長的時間系統才能達到穩定狀態,這說明了供暖系統是一個大滯后系統。因此，在進行太陽能綜合利用系統仿真的時候,在供暖部分和供冷部分都需要一個較大的仿真步長。

圖11 供熱負荷仿真結果

3.3 制冷系統仿真結果分析

太陽能綜合利用系統中的制冷部分采用溴化鋰吸收式制冷機,以高溫熱水為驅動制冷。圖12為室外溫度40℃時制冷功率仿真圖。圖12表明:在供冷初始階段,室內溫度尚高,對于供冷需求量大；當室內溫度逐漸趨于穩定時,供冷功率亦趨于平穩。

圖12 供冷功率仿真結果

4 結語

在太陽能綜合利用系統中,太陽能光伏發電系統中采用最大功率跟蹤(MPPT)控制,可以使發電系統快速、準確地跟蹤到最大功率點,大大提高了發電系統的發電效率；采用CPC型聚光集熱器,充分收集利用了太陽能余熱；冷熱聯供系統引入電儲熱水箱,對用戶進行更穩定的供暖和供冷。在上位機中搭建完整的Simulink模型,采用兩個不同步長的目標機對其進行實時仿真,實現穩定、可用的冷、熱、電聯產；實現了太陽能高效率的綜合利用。

References)

[1] 王浩,羅會龍,王霜,等.太陽能熱電聯產研究現狀及發展趨勢[J].低溫建筑技術,2016(4):150-152.

[2] 楊逍,張李奇,劉必揚,等.分布式冷熱電聯供系統文獻綜述[J].科技展望,2016(3):92-93.

[3] 劉星月,吳紅斌.太陽能綜合利用的冷熱電聯供系統控制策略和運行優化[J].電力系統自動化,2015(12):1-6.

[4] 張文,車延博,任晶鼎,等.冷熱電聯供系統的設計、運行及分析[J].電力系統及其自動化學報,2014(12):80-84.

[5] 馬瑞.太陽能聚光PV/T熱電聯產系統的應用研究[D].保定:華北電力大學,2014.

[6] 曹丁元.太陽能光伏光熱綜合利用系統建模及應用研究[D].保定:華北電力大學,2015.

[7] 王長江.基于MATLAB的光伏電池通用數學模型[J].電力科學與工程,2009(4):11-14.

[8] 楊文杰.光伏發電并網與微網運行控制仿真研究[D].成都:西南交通大學,2010.

[9] 石可頌.冷熱電聯供系統控制策略與優化調度研究[D].濟南:山東大學,2015.

[10] 郭春磊.太陽能地板輻射采暖系統仿真及設計[D].銀川:寧夏大學,2014.

[11] 王宏偉,劉智超,郝紅.區域供熱間接連接二次網供暖系統仿真[J].沈陽建筑大學學報(自然科學版),2015(3):516-523.

[12] 馬仲元,盧春煥.供熱工程[M].北京:中國電力出版社,2015.

[13] 陳路路,宋永明,張艷玲.集中供熱系統的Simulink仿真與分析[J].節能,2012(12):22-23.

[14] 孔祥強.冷熱電聯供[M].北京:國防工業出版社,2011.

Comprehensive utilization system of solar energy based on compound parabolic concentrator

Peng Yu, Cheng Pengfei, Hao Zhenghang, Tan Xing, Zhang Qingfang

(College of Electrical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China)

A comprehensive utilization system of solar energy based on the compound parabolic concentrator is studied. By taking the comprehensive utilization solar energy as a core, the MPPT control is designed to realize the maximum power output of photovoltaic power generation system. The electric heat storage water tank is introduced as an energy storage link to enhance the stability of the users’ cooling and heating, and to adjust the proportion of the cold and hot demands with seasonal changes better. Each link of the system is modeled and the simulation analysis is carried out by using Matlab/Simulink. The simulation results show that this system improves the comprehensive utilization rate of solar energy.

CCHP(Combined Cooling Heating and Power); comprehensive utilization of solar energy; condensing heat collector; electric heat storage water tank; Simulink simulation

TM919

: A

: 1002-4956(2017)09-0124-05

2017-03-18

國家自然科學基金項目(51467003)；貴州大學研究生創新基金項目(研理工2017063)；貴州大學青年教師科研基金項目(自然科學類2012012)

彭雨(1993—),男,四川樂山,碩士研究生,主要研究方向為電力電子與電力傳動

E-mail:1075126228@qq.com

E-mail:haozhenghang@163.com

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.031