近海島嶼建筑風光混合供能系統可行性研究

楊晨輝 邢琳

西安建筑科技大學建筑設備科學與工程學院

0 引言

近年來，我國建筑能耗在社會總能耗的比例占到約28%[1]。其中HVAC 系統的能耗占建筑總能耗的近一半，在發達國家甚至更高[2]。我國島嶼眾多，島嶼建筑用能問題成為阻礙其發展的重要因素之一。目前海島供電方式主要有兩種：一種是通過海底電纜輸送電力，另一種是依靠柴油發電機形成獨立微電網。前一種模式投資大、運行困難。后者不僅破壞了島嶼的生態環境，而且柴油運輸和儲存增加了的額外成本[3]。合理開發利用島嶼附近風光可再生資源是解決該區域建筑用能的重要舉措之一。

很多學者對不同地區風光混合系統的可行性進行了研究。Nayar C 等[4]針對馬爾代夫共和國偏遠島嶼的電力需求設計了一種風光混合動力系統。S.M.Shaahid 等[5]研究了印度某地風光混合系統用于家庭負荷的可行性，并做了技術和經濟評價。我國夏熱冬暖地區島嶼分布眾多，該地區全年均有空調負荷需求，本文以該區域某島嶼建筑為例，提出風光柴蓄混合系統，并與傳統柴油發電系統及另外兩種系統形式進行比較分析，以尋求技術經濟性較好的系統形式。

1 系統方案及工作原理

海島地區用能困難，隨著化石能源的緊缺和海島地區的快速發展，利用傳統的柴油發電機組進行供電已難以滿足要求且成本較高，環境危害較大。本文將傳統的柴油發電系統作為對比方案1，風光混合無蓄能系統作為對比方案2，光蓄柴系統作為對比方案3。

本文提出了一種考慮蓄電池壽命的風光柴蓄混合供能系統為建筑供能，作為方案 4，系統結構示意圖如圖1 所示。該系統的工作原理為利用發電裝置將風光資源轉化為電能，用于用戶日常空調負荷，當發電過剩時，為蓄電池充電。當發電不足時，首先蓄電池進行放電，若到達放電下限仍不滿足要求，則柴油機追蹤剩余負荷。

圖1 風光柴蓄混合系統結構示意圖

2 模型建立

2.1 DeST 模擬建筑能耗

2.1.1 DeST 模型建立

利用DeST 軟件模擬了夏熱冬暖地區某近海城市某旅館的年冷負荷和年熱負荷，并計算了該旅館的負荷用電需求，用來近似替代所在區域沿海島嶼的建筑能耗。該旅館建筑面積約為 3000 m2，屋面可鋪設光伏板總面積約1200 m2，由于土地稀缺，附近最多僅允許安裝一臺50 kW 的風力發電機，該旅館的建筑模型如圖2 所示。

圖2 建筑模型圖

2.1.2 DeST 模擬結果及分析

利用DeST 模擬計算，可得出該處建筑全年逐時負荷，如圖3 所示。該地屬于夏熱冬暖地區，晝夜溫差小，四季氣溫變化幅度低，全年主要負荷類型為空調冷負荷，且 5～9 月份冷負荷需求相對較高，最大冷負荷需求為375 kW。

圖3 全年逐時負荷

2.2 風光發電模型

2.2.1 風光數據來源

風速來自美國國家航空航天局距地 50 m 高的風速。太陽能數據來自美國國家可再生能源實驗室太陽輻射數據庫。

通過典型城市近海區域的數據提取，對其近海區域的有效風能密度和太陽年平均輻射進行計算，年均有效風能密度 171.15 W/m2，太陽全年日均輻射量4.31 kW/m2/ day，如圖4 所示。根據我國對于太陽能和風能的資源區域劃分標準，該地屬于風能與太陽能資源均處于定義的較豐富區，開發潛力較大。全年太陽輻射強度呈現4～9 月份較強，10 月份至來年3 月份相對較低的特點。風力資源全年較為平穩和豐富，在夜間無太陽時主要依靠風力發電，可作為補充電源。

圖4 太陽能、風能月能量密度分布圖

2.2.2 風力發電模型

風力發電機在特定位置的輸出功率取決于輪轂安裝高度的風速和特定風力發電機的輸出特性。特定輪轂高度的風速為[6]：

其中，V0是測量高度或參考高度的風速；V是新高度下的新風速；H1和H2分別是測量高度和新高度；a是摩擦指數，受地面平整程度粗糙度、大氣等因素影響，其值通常取值在 1/7 到 1/4 之間，開闊、平坦、穩定度高的地區通常取1/7。

本文將通過功率風速計算法計算風機輸出功率，風力發電機的每小時輸出功率為[7]：

其中，Vci，Vr，Vco分別為風機的啟動風速、額定風速和切出風速，PR是風機額定功率，a=PR/ (V r3-V ci3)，b=V ci3/ (V r3-V ci3) 。本文采用的風力發電機參數表如表 1所示。根據式 2 和表 1 參數在 MATLAB/Simulink 中搭建風力發電輸出功率的仿真模型，如圖5 所示。

表1 風力發電機參數表

圖5 風力發電機仿真模型

2.2.3 光伏發電模型

為了提高光伏發電數學模型的實用性，在保證工程精度的前提下，本文采用便于計算的光伏發電效率模型，其光伏板發電功率為[7]：

式中，η0為太陽能光電系統效率，A為太陽能光伏陣列總面積，I T,t為瞬時輻射照度。光伏組件參數表如表 2所示。

表2 光伏組件參數表

本文采用帶有最大功率點跟蹤（MPPT）調節功能的光伏組件，即光伏發電的最終輸出功率不大于最大可輸出功率，如式（4）所示：

2.2.4 蓄電池模型

本文采用蓄電池作為短時間進行峰谷調節的儲能系統，其使用策略對系統產生直接影響。工作過程中，蓄電池t時刻的SOC 值需保持在一定范圍內，如式（5）所示。

蓄電池的實際使用壽命與蓄電池的充放電循環周期大小及放電深度有關。蓄電池的壽命是蓄電池充放電周期內充放電深度的函數[8]，蓄電池充放電循環次數與放電深度的關系曲線如圖6 所示。

圖6 蓄電池循環次數放電深度關系曲線

兩者關可以表示為 [8]：

式中：N為放電深度為D N時的等效循環次數；a1、a2、a3、a4和a5分別為相關系數。為提高蓄電池壽命，降低系統成本，本文考慮蓄電池SOCmin=0.3、S OCmax=0.9。

3 評價指標與方法

技術經濟評價指標是衡量微電網性能的重要尺度，是否合理準確地選取評價指標會影響到對系統方案的判斷[9]。評價指標主要分為經濟性指標，可靠性指標和環保性指標。本節通過對不同系統形式的三個指標的對比，來評價系統的可行性。

3.1 經濟性

可使用總凈現成本(NPC)來表示系統全壽命周期成本。CNPC是將系統全壽命周期內產生的各成本值折算到初始年進行統計，包括初始投資成本、運維成本、置換成本、燃料成本、殘值和污染排放罰金等。其中，污染物排放量被轉化為污染排放罰金的方式一并計算在全壽命周期成本中。

式中：Cin是初始投資成本；Com是運行成本凈現值；Cre是置換成本凈現值；Cf lue是總燃料成本凈現值；Csalvage是總殘值凈現值；Cp ollution是總污染排放罰金凈現值。

不同工程壽命周期存在差異，采用等年值成本分析相較于總凈現成本更妥當。

式中：Cann是等年值成本；i是年利率（折現率），本文取0.05；Rproj是工程壽命；CRF是資金恢復因數，計算具體如下式：

式中：N為系統生存年限。

系統主要組成及成本如表3 所示。

表3 系統主要組成及成本

3.2 可靠性

由于某種原因電力負荷需求無法得到滿足時，一般用負荷缺電率LPSP來衡量這種狀態的程度。本文考慮當柴油運輸受阻或島上存量不足時的LPSP值。

式中：PL(t)是t時刻的負荷功率；PD G(t)是t時刻除柴油發電機之外的總輸出功率值。

3.3 環保性

本文以污染氣體排放量和污染物排放治理費用為環保性的技術評價指標。化石燃料的消耗會產生CO2、S O2、N Ox等大氣污染物。污染氣體總排放量用Mp ol表示。

式中：n代表有害氣體種類，Pd g代表柴油機發電量，φn代表有害氣體排放系數。表4 為柴油發電機主要排放有害氣體的排放系數與治理費用系數。

表4 柴油機排放治理費用

4 結果分析與討論

在Matlab 平臺上進行了系統仿真，計算出全年逐時風光發電量（圖 7），與空調電力負荷進行對比發現，全年逐月光伏發電量與負荷需求趨勢基本一致，5～9月份稍有不足，且夜間光伏發電無法使用，風力發電恰好可以對這部分空缺進行補充。

圖7 逐月風光發電量與電力負荷需求

將不同系統方案的結果對比（表 5、圖 8），蓄電池的使用讓系統的等年值成本分別降低了 51.21%和57.86%，風光混合系統相對于光伏系統等年值成本降低了13.63%，使用可再生能源系統的全年污染物排放量分別降低了57.10%、81.31%、89.11%。

圖8 不同系統方案對比

表5 不同系統方案結果比較

在經濟性方面，風光柴蓄混合系統有著明顯優勢，等年值成本占柴油發電系統不足一半。島嶼無柴油情況下缺電率風光柴蓄混合供能系統最低，為10.31%。全年污染物排放量最低，為33.41t。風光柴蓄混合供能系統方案無論在各方面指標均優于其它幾種系統方案，技術經濟可行性高，在降低發電成本和減少環境污染的同時，可滿足島嶼建筑空調負荷需求。

5 結論

本文利用DeST 模擬了夏熱冬暖地區某海島建筑的建筑負荷需求，對該區域的風光資源進行判斷，對四種供能系統方案進行技術經濟性對比，結論如下：

1）夏熱冬暖地區島嶼建筑負荷太陽能風能資源較為豐富，年均有效風能密度達 171 W/m 2，太陽全年日均輻射量達 4.31 kW/m 2/day，均屬于我國定義的資源較豐富區，開發潛力巨大。

2）本文對四種不同的系統方案進行技術經濟性對比，提出的考慮蓄電池壽命特性的風光柴蓄混合系統的等年值成本最低。在島嶼無柴油情況下負荷缺電率最低，僅為 10.31%，全年污染物排放量最低，僅33.41t。風光柴蓄混合供能系統方案無論在各方面指標均優于其它幾種系統方案，技術經濟可行性高。