高寒高原地區風光儲智能微電網多聯供系統的集成

趙 斌，武熠杰，靳姍姍，盧大為，吳玉瑩，馮 放

(1. 華北理工大學，唐山 063210；2. 西藏自治區能源研究示范中心，拉薩 850000；3. 中國電建集團河北省電力勘測設計研究院有限公司，石家莊 050031； 4. 東北農業大學，哈爾濱 150038)

西藏自治區那曲地區的平均海拔為4450 m，個別地區的海拔高達5000 m，當地高寒缺氧、生態脆弱、生活條件極其艱苦[1]。但該地區的風能和太陽能資源極為豐富，因地制宜地開發利用風能和太陽能資源具有十分廣闊的前景[2]。由于太陽能與風能存在間歇性和時段上的互補性[3]，因此在那曲地區采用風光互補發電，可有效改善當地居民的生活環境。

本文在前期研究的基礎上[4-5]，依據那曲地區當地的氣象條件、太陽能和風能資源特征、建筑特點和用能需求，以當地某村委會的建筑為例，以新能源保證率達到90%為約束條件，集成了高寒高原地區風光儲智能微電網多聯供系統，以實現電、暖、氧氣、生活熱水的聯合供給。此研究結果將為高寒高原地區分布式綜合供能系統方案的設計提供技術支撐，同時也可為西藏自治區海拔4600 m 以上地區的建筑實現供電、供暖(含生活熱水)和供氧提供示范。

1 項目概況

本風光儲智能微電網多聯供系統將建于那曲市羅瑪鎮加貢村(31°07′N、92°05′E)，該地區海拔為4678 m，目的主要是為村委會供電、供熱(含生活熱水)和供氧。村委會為1 層的新建建筑，總建筑面積為379.04 m2，其中主體建筑面積為198.72 m2，暖棚建筑面積為180.32 m2。主體建筑的外墻為厚度300 mm 的加氣混凝土砌塊，外窗為塑鋼窗戶配雙層中空復合玻璃，具有保溫隔熱、降低噪音、用料環保的優點。

那曲市屬于亞寒帶氣候區，高寒缺氧，氣候干燥；年平均氣溫為-3.3～-0.9 ℃，年日照小時數約為2886 h，全年大風日約為100 天。那曲市的太陽能資源分布、風能資源分布分別如圖1、圖2 所示。

依據那曲市的氣象條件、太陽能和風能資源特征，結合村委會建筑的特點及其用能需求，集成了風光儲智能微電網多聯供系統。該系統通過光伏發電給儲能電池充電，也可通過市電或柴電機充電。

圖2 那曲市的風能資源分布情況Fig. 2 Distribution of wind energy resources in Naqu

2 設計方案

在實地調研的基礎上，對那曲市羅瑪鎮某村委會的風光儲智能微電網多聯供系統方案進行集成，包括供暖系統、風光儲智能微電網系統和供氧系統，以實現電、暖、氧氣、生活熱水的聯合供給。該系統的集成如圖3 所示。

圖3 那曲市的風光儲智能微電網多聯供系統的集成Fig. 3 Integration of wind-PV-energy storage complementary and smart microgrid system in Naqu

2.1 供暖系統

采用空氣式太陽能真空管集熱系統解決高原、高寒、電力貧乏、偏遠地區建筑物的供暖問題。那曲市的供暖期為9 月17 日～次年5 月28 日。對新建建筑所在地的氣候環境條件進行調研后，通過計算得出供暖熱負荷和生活熱水負荷，并計算得到所需的集熱器面積。

2.1.1 供暖熱負荷

供暖系統的供暖熱負荷值的計算公式為[6]：

式中，Qc為每小時供暖熱負荷，W；A0為建筑面積，m2，本文采用主體建筑面積，取值為198.72；q為采暖設計熱負荷指標，W/m2，根據村委會建筑的構造及那曲市的氣候狀況，本文選取75。

通過式(1)的計算可知，村委會建筑的每小時供暖熱負荷約為14.9 kW，則其日供暖耗熱量為14.90×24 = 357.60 kWh。

2.1.2 生活熱水負荷

由于生活熱水系統以太陽能供暖為主要熱源，電加熱為輔助熱源，在此基礎上增加1 個蓄熱水箱，以實現熱水的供應。生活熱水系統的設計負荷以3 人為例，每人每日熱水用量為80 L，則加熱水所需要吸收的熱量的計算式為[6]：

式中，Q為加熱水所需要吸收的熱量，kJ；c為水的定壓比熱容，kJ/(kg·℃)，取值為4.187；m為需加熱水的質量，kg；t1為所需生活熱水的溫度，℃，本文取60；t0為冷水溫度，℃，本文取5。

通過式(2)的計算可知，生活熱水系統每日加熱水需吸收的熱量為 55268.4 kJ，即15.35 kWh。

2.1.3 供暖系統集熱面積的計算

綜合上述計算可知，供暖系統的總供暖耗熱量為372.95 kWh。因此，可計算得出直接太陽能集熱系統的集熱面積，其公式為[6]：

式中，Ac為直接太陽能集熱系統的集熱面積，m2；Qd為總供暖耗熱量，kWh；f為太陽能保證率，取60%；JT為傾斜面日均太陽總輻照量，kWh/m2，本文取5.78；ηcd為集熱器的年平均集熱效率，本文取46.5%；ηL為管路及儲水箱的熱損失率，本文取0.1。

通過式(3)的計算可知，直接太陽能集熱系統的集熱面積為92.5 m2。

2.2 風光儲智能微電網系統

風光儲智能微電網系統主要包括光伏發電、風力發電、鋰電池儲能、能量管理(EMS)等子系統，可在并網和離網2 種模式下工作，具有高度的可靠性和穩定性，系統主要有儲能供電、光伏供電、市電/ 柴電補電和風機補電等工作模式，需要按照具體用電需求設計控制策略，以提高整個供電系統的運行效率，延長使用壽命。

風光儲智能微電網系統的工作模式選擇如下：

1)儲能供電工作模式。在夜間或太陽輻照度弱的情況下，光伏發電系統無法正常供電時，儲能系統通過儲能變流器(PCS)逆變成標準的AC380 V、50～60 Hz 三相交流電，通過接入園區配電室的現有配電箱，為村委會建筑供電。

2)光伏供電工作模式。在太陽輻照度良好且電網作為微電網母線電壓支撐源時，光伏組件通過逆變器輸出標準的AC380 V、50～60 Hz 三相交流電，為村委會建筑供電。

3)市電/柴電補電工作模式。在其他供電系統均不能供應負載的用電需求時，啟用市電電網標準的AC380 V、50～60 Hz 三相交流電給鋰電池儲能系統補電。

4)風機補電工作模式。在風能充足的情況下，風力機輸出48 V 直流電，對不間斷電源(UPS)充電，從而保證微電網控制器始終處于有電狀態。

風光儲智能微電網系統的供電工作模式要求具備并/離網單獨運行及并/離網切換功能，用以滿足間歇性停電地區的建筑物的基本用電需求。以村委會建筑的負載功率為例，計算其總用電負荷，如表1 所示。

從表1 分析可知，該村委會建筑的日最大用電量約為115 kWh，因此光伏發電系統設計的日發電量為120 kWh。

表1 村委會建筑的負載功率情況Table 1 Load power of village committee building

2.3 供氧系統

在高原高寒地區生活，氧含量低是無法避免的問題，這些環境問題也影響到了居民的壽命。據數據統計，內地居民的平均壽命為74 歲，而藏區居民的平均壽命僅為68 歲[7]。由此可見，提升高寒高原地區生活環境中居民建筑內的含氧量十分重要。

本文通過設置制氧機的方式達到提高密封空間的氧含量的目的，改善了人體所處環境的氧氣濃度，使人體能在一個舒適的條件下進行氧保健，從而緩解缺氧癥狀。

3 主機選型

3.1 供暖設備

供暖系統由集熱器、蓄熱水箱、水泵、鼓風機和散熱末端等設備組成，根據項目所在地的氣候參數及供暖熱負荷進行集熱器選型。

集熱器選用直流型太陽能雙通真空集熱管與高性能PCM 蓄能芯融合的太陽能集熱器。其由聯箱、雙通真空集熱管、風道及PCM 蓄能芯構成，其中，PCM 蓄能芯置于雙通真空集熱管內。為滿足要求，選用18 組型號為ZN-30F58-2100的空氣式太陽能真空管集熱器，單組集熱器面積為5.1 m2。

散熱末端選用風機盤管系統，設計為低溫供暖，同時，根據使用時間，達到即用即開的目的。風機盤管作為散熱末端，采用的是超薄、靜音、立式、明裝的風機盤管，以降低噪音。由于項目實施地在高原高寒地區，氣候多變，為保證風光儲智能微電網多聯供系統可以克服極端寒冷天氣，滿足供暖需求，在建筑內安裝了鋼制類型的散熱器12 臺。

3.2 光伏發電設備

在當地太陽輻照度良好的情況下，光伏組件滿功率日發電小時數可達5 h 以上。光伏發電系統的組件裝機容量的計算式為[8]：

式中，W為光伏發電系統的組件裝機容量，kWp；L為光伏發電系統組件的日發電量，kWh；H為日發電峰值小時數，h；η為光伏組件的系統綜合效率，取0.8。

通過實地調研(見表1)，取光伏發電系統組件的日發電量為120 kWh、日發電峰值小時數為5 h。代入式(4)可知，光伏發電系統的組件裝機容量(即峰值功率)為30 kWp。

光伏發電系統選用98 塊310 Wp單晶硅光伏組件，總裝機容量約為30.4 kWp；配置1 臺組串式并網逆變器。將所有組件分為5 個組串，其中4 個組串為每串20 塊組件，第5 個組串為18 塊組件，直流側接入儲能集裝箱內的組串式并網逆變器。光伏組件的基本參數如表2 所示，組串式并網逆變器的參數如表3 所示。

表2 光伏組件的基本參數Table 2 Basic parameters of PV modules

表3 組串式并網逆變器的參數Table 3 Parameters of string grid-connected inverter

3.3 風力機

那曲市雖然瞬時風速高，但風向多變，最突出的問題是空氣密度低，僅為內陸低海拔地區的60%左右[7]，由于空氣密度低導致常規風力機不能達到其在內陸地區的額定功率。同時，由于風向多變的特點，相比于水平軸風力機，在西藏地區更適用垂直軸風力機。基于以上因素，文獻[9]提出了一種聚風型直線翼垂直軸風力機的設計思路，筆者對其進行優化，使其可以在西藏地區良好運行。前期的數值模擬和風洞試驗結果表明，在不增加風輪尺寸的條件下，借助聚風裝置可以提升風輪入流風速和能量密度。在風力機安裝之前，對聚風型直線翼垂直軸風力機的結構進行計算分析，以確保該類型風力機的強度可滿足使用要求，以確保不斷開、不損壞，運行安全可靠。聚風型直線翼垂直軸風力機的仿真結果如圖4、表4 所示。

圖4 聚風型直線翼垂直軸風力機的發電功率曲線Fig. 4 Power curve of straight-bladed vertical axis wind turbine with wind gathering device

表4 聚風型直線翼垂直軸風力機的結構計算結果Table 4 Structural calculation results of straight-bladed vertical axis wind turbine with wind gathering device

該聚風型直線翼垂直軸風力機具有阻轉矩低、啟動風速低和風能利用系數高等優點。聚風罩是聚風型直線翼垂直軸風力機的重要部件，為保證其能滿足獲得更多風能的要求，其內側導流面需要嚴格符合B 樣條曲線(為貝茲曲線的一種一般化，可以對風的導流起到更好的作用)，且不能大幅增加風輪重量，因此聚風罩的材質優選韌性好、質量輕、易造型的復合材料。

風力機控制器需選用優質元器件，以確保設備運行的穩定性，完善的保護功能使該風力發電系統可靠性高；在液晶顯示屏上可查看各種參數的變化情況，通過控制充電方式，可以保證液晶顯示屏的電池系統始終處于最佳充電狀態。本文所選的聚風型直線翼垂直軸風力機的模型如圖5 所示，基本參數如表5 所示。

圖5 聚風型直線翼垂直軸風力機的模型Fig. 5 Modal of straight-bladed vertical axis wind turbine with wind gathering device

表5 聚風型直線翼垂直軸風力機的基本參數Table 5 Parameters of straight-bladed vertical axis wind turbine with wind gathering device

3.4 儲能系統

本文的儲能系統采用磷酸鐵鋰電池，該類電池較鉛酸電池壽命更長，鉛酸電池的循環壽命約在300～500 次，而磷酸鐵鋰電池的循環壽命可達到3000 次以上[10]。目前光伏組件等發電設備的壽命均在20 年以上，因此選用磷酸鐵鋰電池能夠更好地匹配光伏組件等發電設備[5]。

考慮到高原高寒地區的特性，再結合當地居民的用電需求及實際用電負荷，從而確定采用的磷酸鐵鋰電池的體系，電池的具體參數如表6 所示；并根據負載特性設計電池總電量為82.944 kWh；再參考當地的高寒氣候環境，對電池進行優化設計。鋰電池儲能系統采用“9+1”抽屜式構造。

3.5 供氧設備

采用ZL-ZD-08 壁掛式制氧機為村委會建筑中的28 m2臥室供氧。該制氧機操作簡便，具有使用壽命長、穩定性好、響應速度快等特點。制氧機的基本參數如表7 所示。

表7 制氧機的基本參數Table 7 Basic parameters of oxygenerator

4 結論

本文設計了可應用于高寒高原地區的風光儲智能微電網多聯供系統，實現了電、暖、氧氣、生活熱水的聯合供給。風光儲智能微電網多聯供系統是新能源在高寒高原地區建筑綜合能源系統的示范應用，建筑所在地區的氣象條件，太陽能和風能資源特征，建筑物結構和建筑電、熱負荷需求是風光儲智能微電網多聯供系統集成和方案設計的首要條件。

以那曲市羅瑪鎮加貢村某村委會新建建筑為研究對象，集成的風光儲智能微電網多聯供系統選用了直流型太陽能雙通真空集熱管與高性能PCM 蓄能芯融合的單組面積為5.1 m2太陽能集熱器18 組、310 Wp單晶硅光伏組件98 塊，并配置了1 臺組串式并網逆變器、500 W 聚風型直線翼垂直軸風力機、82.944 kWh 的磷酸鐵鋰電池組和1 臺ZL-ZD-08 壁掛式制氧機。集成的風光儲智能微電網多聯供系統可滿足該村委會建筑的供電、供暖(含生活熱水)、供氧的需求，為高寒高原地區建筑實現綜合能源系統的示范提供了解決方案。