家用智能可再生能源熱電聯產系統的優化設計

牛海霞，董正茂，侯曉東

(1.內蒙古機電職業技術學院；2.華潤電力控股有限公司，內蒙古 呼和浩特 010010)

我國北方牧區常規能源較為短缺，電網覆蓋有限，人民居住分散，許多地區無法實現集中供電，但可再生能源的儲量卻非常豐富，其中太陽能、風能等是主要可利用的新型能源。其中太陽能分布區域范圍廣、清潔安全、循環可再利用，是取之不盡、用之不竭的初級能源，也是有益于人類生存環境的綠色能源；風能是太陽能的一種轉化形式，據估計到達地球的太陽能中雖然只有大約2%轉化為風能，但其總量仍是十分可觀的。風力發電利用的是自然能源，沒有燃料問題，也不會產生輻射或空氣污染，是一種特別好的發電方式，相對火電、核電等發電要更加綠色、環保。內蒙古草原上的風力發電機風能設施日趨進步，大量生產成本較低，在適當地點，風力發電成本已低于發電機。風能設施多為不立體化設施，也可保護草原陸地和生態。

目前，我國北方地區供暖主要來源于火電廠和專門的熱力公司，火電廠利用抽汽式汽輪機或背式汽輪機的抽汽和排汽，為工廠或居民提供不同壓力的蒸汽來供熱，這種既能生產電能又使用蒸汽對用戶供熱的生產方式稱為熱電聯產。相對于分別供電、熱能的方式，熱電聯產更為節能，同樣的原理還可以應用到太陽能、風能等可再生能源上，從而實現高效率、無排放、零污染的可再生能源熱電聯產。

目前，部分地區牧民使用離網型光伏、風力發電蓄電池儲能系統供電，僅供日常照明、簡單電氣設備用電。牧區供暖主要以燃燒煤炭、畜牧糞便為主，這種原始燃燒取暖方式，既不方便，又污染環境。為解決牧區生活和生產供熱、供電問題，改善牧區人民生活條件，筆者利用太陽能、風能最具規模化潛力的熱電聯產可再生能源，優化設計家用智能可再生能源熱電聯產系統，該系統對于節能減排、改善環境以及實現綠色經濟具有積極的意義。

1 太陽能供熱系統工作原理及設計思路

人類賴以生存的自然資源幾乎全部從太陽能轉化而來，太陽能作為清潔的可再生能源，是人類賴以生存和發展的基礎能源之一。內蒙古全區日照充足，太陽能資源豐富，全區太陽能理論蘊藏量為63.918×106億MJ，占全國理論蘊藏量的12.06%，全區太陽能資源自東北向西南遞增，平均太陽總輻射量在5 398MJ/m2～5 889MJ/m2之間，年日照時數在2 700h～3 400h之間。本設計結合草原牧區豐富的光資源，利用光熱轉化原理，設計供熱系統，向牧區人民生活及生產供熱。

太陽能目前利用的方式主要有光熱和光電。光電利用是將太陽能轉化為電能，如光伏發電；光熱利用是將太陽能轉化為熱能，如太陽能熱水器。太陽能光熱發電原理是指利用大規模陣列拋物或碟形鏡面收集太陽熱能，通過換熱裝置提供蒸汽，推動汽輪發電機工作，從而達到發電的目的。

現有的太陽能供熱裝置一般通過太陽能集熱器、集熱水箱、連接管路等部件給人們提供熱水。由于太陽能受時間限制，在太陽光線不足或晚上沒有太陽的情況下，太陽能集熱器無法吸收足夠的能量來提供熱能，因此，存在供熱間歇性的問題。為了滿足連續供熱，本設計利用光熱轉化設備，將白天充足的太陽能資源轉化為熱能，既可滿足白天用熱需要，又能將多余的熱量儲蓄起來，供夜間使用。結合目前市場蓄熱工質使用情況，綜合考慮蓄熱設施經濟實用性及維修便利性，本設計使用熔鹽作為蓄熱工質，且熔鹽有高溫穩定性、低黏度及較大熱容比等特點，已經量產，并廣泛應用。

1.1 太陽能供熱系統工作原理

本設計利用槽型拋物面反射鏡，將太陽光聚焦到集熱管，從而對傳熱工質熔鹽加熱，吸收熱能后的熔鹽進入蓄熱罐，蓄熱罐內的熱熔鹽通過熱交換器，把熱能傳輸給水循環系統，加熱后的水直接用于牧區人民生活及生產。蓄能是本供熱系統的主要特點之一，白天可以將多余熱量儲蓄起來，夜間再將儲蓄的熱量釋放供熱，實現連續供熱。

1.2 太陽能供熱系統設計思路

因內蒙古牧區冬季氣溫低于零度，極限溫度達零下45℃，熔鹽容易凝結，所以本設計采用了光敏控制熔鹽泵和溫度控制真空泵，讓熔鹽強制循環和回流。在白天，太陽能總輻射量大于1MJ/m2時，打開熔鹽閥門、啟動熔鹽泵，讓熔鹽循環起來，不斷吸收太陽輻射能，轉化為熱能；在傍晚，太陽能總輻射量低于1MJ/m2后，太陽輻射能越來越低，熔鹽無法繼續吸熱，利用真空泵，強制把傳熱管道內的熔鹽吸入蓄熱罐，以防夜間低溫，導致傳熱管內熔鹽凝結、結塊。本設計可再生能源供熱系統主要設備包括太陽能集熱器、傳熱管道、蓄熱罐、熱交換器、供熱鍋爐、補水系統、供熱水管、暖氣片及自動控制系統，如圖1所示。

2 風能供電系統工作原理及設計思路

風能作為一種可永續利用的清潔可再生能源，有著巨大的開發應用潛力。內蒙古全區整體風能資源較好，全區風能資源總儲量為13.8億kW，技術可開發量3.8億kW，占全國50%以上。全區平均風速自西向東逐漸遞增，100m高度年平均風速在4m/s～9m/s之間。風力發電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉，再通過增速機將旋轉的速度提升，來促使發電機發電。

因光伏發電設備在夜間無法發電，供電間斷性明顯，考慮到草原牧區冬季季風平均風速高，全天都能發電，所以本設計采用風力發電設備供電。利用草原牧區優質的風能資源，根據風電轉化原理，設計供電系統，向牧區人民生活及生產提供不間斷電源，并將多余的電能使用蓄電池儲存起來，供用電高峰時使用。

2.1 風能供電系統工作原理

本設計利用小型風力發電機供電，小型風力發電機工作原理是利用風力驅動風機葉片旋轉，從而帶動發電機永磁轉子旋轉，產生旋轉磁場，旋轉磁場切割定子繞組，在定子繞組中產生電能。該電能質量較差，需經整流、逆變后方可使用，逆變后的電能，經供電系統向牧區人民生活及生產供電。

2.2 風能供電系統設計思路

因自然風速無法控制，導致風機轉速也隨風速頻繁變化，從而產生的電流大小也不同，為了提供穩定電源，需設計整流系統和逆變系統，且利用蓄電池存儲多余的電能，供用電高峰使用。本設計可再生能源供電系統主要設備包括風力發電機、整流系統、蓄電池、逆變系統及自動控制系統，如圖1所示。

3 可再生能源熱電聯產系統工作原理及優化設計

智能控制系統是利用先進的計算機技術、網絡通信技術及綜合布線技術等，將上述牧區家用可再生能源熱電聯產中供熱、供電設備有機結合起來，通過網絡化綜合智能控制和管理，滿足牧區家庭生活及生產用電需求。

本設計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(如圖1所示)，根據牧民生活、生產習慣，把供熱系統產生的熱能、供電系統產生的電能，通過智能控制系統控制，科學合理的向牧民提供熱能、電能。

圖1 可再生能源熱電聯產系統

4 結束語

太陽能、風能作為一種清潔的可再生能源，已被廣泛應用于工業、生活等各個供熱供電需求中。家用智能可再生能源熱電聯產系統的設計將太陽能轉化為熱能，風能轉化為電能，從而將該部分熱能、電能應用于牧區日常生活和生產，進而解決牧區基礎設施落后，生活條件差的處境，提高牧民生活質量和增加畜牧產值。通過本次設計，為可再生能源熱電聯產提供了一種可實施的方案，也是提高牧民生活質量的一種手段。