王兆強 ,陳寶忠,馬東旭

(上海海事大學商船學院,上海200135)

1 引言

風能的利用,在全球有著悠久的歷史。由于近年來世界范圍內(nèi)的能源危機,風能的利用再度引起了人們的注意。風能資源是一種可再生的清潔能源,具有巨大的開發(fā)潛力。據(jù)世界氣象組織估計,整個地球上可以利用的風能為2×107MW,為地球上可以利用的水能總量的10倍[1]。我國幅員遼闊,氣象條件復雜多樣,蘊藏的風力資源非常豐富,主要分布在2大風帶：一是“三北地區(qū)”(東北、華北北部和西北地區(qū));二是東部沿海陸地、島嶼及近岸海域。據(jù)統(tǒng)計陸地加近海有15億kW以上的風力資源。其中,陸地10m以內(nèi)風力資源為2.53億kW,陸上桿塔高度100m內(nèi)可利用風能則高達7億kW[2]。海上可開發(fā)利用的風能約7.5億kW,我國風能資源開發(fā)前景廣闊[3]。

在能源危機和環(huán)境污染的雙重壓力下,太陽能作為一種取之不盡且無污染的能源,已成為當前國際能源開發(fā)利用領(lǐng)域中的新熱點。近年來,我國應(yīng)用太陽能供熱水和采暖發(fā)展迅速,節(jié)能效果明顯。在建筑物的能耗結(jié)構(gòu)中,有2/3的能源用于建筑采暖制冷和熱水供應(yīng)[4]。利用太陽能采暖、供熱水,使其與建筑節(jié)能相結(jié)合,可以降低建筑物能源消耗,減少環(huán)境污染,是建筑節(jié)能的一個重要途徑。

2 新能源的利用

2.1 風能的利用

風能的利用形式多樣,可轉(zhuǎn)化成機械能、電能、熱能等。自古以來人們就以種種不同的方式利用風能,如風帆行船、風磨、風力提水以及風力發(fā)電等等?，F(xiàn)在風力發(fā)電進入了成熟階段并被廣泛的應(yīng)用,風能致熱技術(shù)還處在萌芽階段,是近年來才發(fā)展起來的一種高效率利用風能的新技術(shù)。風力致熱的研究不多,國外有關(guān)風力致熱的較詳細原理及技術(shù)報道也較少。風力致熱是將風力機輸出軸的機械能轉(zhuǎn)換為熱能。通常風力機提水時的效率只有16%左右,發(fā)電時的轉(zhuǎn)換效率為30%,而致熱時的轉(zhuǎn)換效率高者超過40%[5]。另外,風力致熱裝置結(jié)構(gòu)比較簡單,且容易滿足風力機對負荷的最佳匹配要求,風力致熱機組造價僅為風力發(fā)電機組的一半[6]。所以,風力致熱技術(shù)應(yīng)用于生活采暖及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等,具有廣闊的發(fā)展前景。

把風能直接轉(zhuǎn)換成熱能的裝置稱為風力致熱器。風力致熱器分為2大類：一類是風能直接轉(zhuǎn)換為熱能的直接致熱式。另一種是風能轉(zhuǎn)換為電能(或其它能量),再轉(zhuǎn)換為熱能的間接致熱式[7]。目前風力致熱的方式主要包括液壓式致熱,壓縮空氣致熱,固體摩擦致熱,攪拌液體致熱,渦電流致熱,電熱致熱,太陽能——風能聯(lián)合致熱。

2.2 太陽能的利用

太陽光能轉(zhuǎn)換成熱能是太陽能利用的基本方式,可廣泛應(yīng)用于建筑物的采暖、熱水供應(yīng)和太陽房等。目前太陽能主要的應(yīng)用方式有太陽能熱水、太陽能采暖和太陽房。

2.2.1 太陽能熱水

太陽能熱水系統(tǒng)的工作原理是集熱器將采集的能量經(jīng)過光熱轉(zhuǎn)換生產(chǎn)出熱水后經(jīng)循環(huán)管道送入蓄熱水箱,涼水經(jīng)循環(huán)(強制循環(huán)用泵)送入集熱器,水箱內(nèi)熱水可供用戶使用。

2.2.2 太陽能采暖

太陽能采暖系統(tǒng)也屬于太陽能熱水系統(tǒng),它由兩部分組成,集熱回路部分和采暖回路部分。集熱器和蓄熱水箱組成太陽能采暖系統(tǒng)的集熱回路,整個集熱回路與太陽能供熱水系統(tǒng)的集熱回路是相同的。在需要采暖的日子里,給室內(nèi)的散熱器設(shè)置一定的溫度,由蓄熱水箱作為熱源給散熱器提供所需的熱量,當蓄熱水箱的熱量不能滿足負荷要求時,電磁閥切斷蓄熱水箱與系統(tǒng)的聯(lián)系,由輔助熱源供暖。

2.2.3 太陽房

太陽房是利用太陽能采暖和降溫的房子,可以分為被動式太陽房和主動式太陽房。太陽房既可采暖,也可降溫,最簡便的一種太陽房叫被動式太陽房,建造容易,不需要安裝特殊的動力設(shè)備。使用方便舒適的另一種太陽房叫主動式太陽房。

被動式太陽房主要根據(jù)當?shù)貧夂驐l件,把房屋建造成能盡量利用太陽的直接輻射能,它不需要安裝復雜的太陽能集熱器,更不需要循環(huán)動力設(shè)備,完全依靠建筑結(jié)構(gòu)造成的吸熱、隔熱、保溫、通風等特性,來達到冬暖夏涼的目的。主動式太陽房一般由集熱器、傳熱流體、蓄熱器、控制系統(tǒng)及適當?shù)妮o助能源系統(tǒng)構(gòu)成。利用這套系統(tǒng)可以接收、轉(zhuǎn)換和傳輸太陽能,滿足建筑物的采暖要求。它需要熱交換器、水泵和風機等設(shè)備,電源也是不可缺少的,因此這種太陽房的造價較高,但是室溫能主動控制,使用也很方便。

3 新能源應(yīng)用實例分析

3.1 太陽能利用實例及存在問題

上海某高校新校學生公寓分為南苑公寓和北苑公寓,南苑學生公寓總用地面積25 230m2,總建筑面積30 997m2,由7幢6層建筑組成。公寓總套數(shù)802套,可供3 202名本科生住宿。北苑一期學生公寓由23棟本科生樓和6棟碩士生樓組成,可滿足9 340名本科生,2 376名碩士生的入住?，F(xiàn)在研究生學生公寓裝設(shè)了太陽能熱水系統(tǒng),可供給學生洗浴用熱水。當太陽光照充足時系統(tǒng)所需熱量全部由太陽能集熱器提供;當太陽能集熱器提供的熱量不能滿足需求時則需要開啟電加熱器進行輔助加熱。太陽能熱水系統(tǒng)利用了可再生、無污染的太陽能,減少了洗浴用熱水的能耗,實現(xiàn)了節(jié)能減排。然而太陽能熱水系統(tǒng)受氣候條件影響較大,在陰雨天氣和夜晚時所需能量基本全部由電加熱器提供,消耗大量的電能。冬季是熱水需求的高峰期,太陽能系統(tǒng)也很難滿足學生對熱水的需求。

3.2 風能太陽能聯(lián)合系統(tǒng)

如上所述,學生公寓太陽能熱水系統(tǒng)存在著不足之處,并且冬季時學生公寓需要室內(nèi)取暖和洗浴用熱水等,熱能需求量較大,而夏季只需少量洗浴熱水,熱能需求量較少,相反需要將室內(nèi)熱量排出室外,降低室內(nèi)溫度。由于學生公寓建筑特點的限制,不能采用“太陽房”的形式來采暖和降溫。為了解決學生公寓太陽能熱水系統(tǒng)的不足,并且滿足冬季和夏季的不同需求,并且考慮到高校位于臨港新城,臨近上海市東海大橋100MW風電場,風力資源豐富,所以設(shè)計以下風能太陽能聯(lián)合利用系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以利用太陽能致熱,而且還可以利用風能致熱和致冷,聯(lián)合利用太陽能和風能,充分利用可再生能源以滿足學生公寓夏季和冬季的不同需求,以達到節(jié)能減排的目的。該系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。

圖1 太陽能風能聯(lián)合利用系統(tǒng)原理圖

該系統(tǒng)的工況可以分為：冬季工況和夏季工況。系統(tǒng)的壓縮機可以由風力機或電動機驅(qū)動,風力充足時由風力機單獨驅(qū)動;風力不能滿足系統(tǒng)需求時可以由電動機輔助驅(qū)動;無風時則由電動機獨立驅(qū)動。熱水箱也安裝有輔助電熱設(shè)備,以備系統(tǒng)供熱量不足時用來加熱熱水。換向閥和三通轉(zhuǎn)換閥用來完成系統(tǒng)兩種工況間的轉(zhuǎn)換。

3.3 冬季工況

3.3.1 冬季工況原理

冬季工況時,操作各換向閥和三通轉(zhuǎn)換閥,使得各閥的狀態(tài)如下。換向閥4和換向閥11都在左位,三通轉(zhuǎn)換閥5使管a和管b相通,三通轉(zhuǎn)換閥6使管b和管d相通,三通轉(zhuǎn)換閥9使管f和管g相通,三通轉(zhuǎn)換閥10使管g和管j相通,三通轉(zhuǎn)換閥14使管k和管m相通,三通轉(zhuǎn)換閥16使管n和管o相通,三通轉(zhuǎn)換閥18使管p和管q相通,三通轉(zhuǎn)換閥19使管r和管s相通,這樣系統(tǒng)冬季工況的原理圖如圖2所示。

圖2 學校太陽能風能聯(lián)合利用系統(tǒng)(冬季工況)

3.3.2 冬季工況工作過程

制熱循環(huán)中的工質(zhì)經(jīng)過太陽能集熱器7時,吸收太陽能受熱蒸發(fā)汽化,然后進入由風力機驅(qū)動的壓縮機3內(nèi),進行壓縮升溫。壓縮后的工質(zhì)氣體輸入到換熱器15中,在這里將水加熱而工質(zhì)被冷卻,然后工質(zhì)進入換熱器13被進一步冷卻,冷凝液化,放出的熱量被換熱器中循環(huán)的水吸收。液化了的工質(zhì)則通過膨脹閥12減壓后又返回到太陽能集熱器中去,這樣反復循環(huán),便可從外界太陽能和風能中獲得能量;在換熱器15中獲得熱量被加熱的水則可儲存在熱水箱中以供洗浴用;在換熱器13中獲得熱量被加熱的水則被送往各宿舍,在各宿舍的換熱器中進行冷卻同時加熱了宿舍的空氣,使室溫升高,被冷卻的水再返回換熱器13中,如此進行循環(huán)。

3.4 夏季工況

夏季工況時,操作各換向閥和三通轉(zhuǎn)換閥,使得各閥的狀態(tài)如下。

3.4.1 夏季工況原理

換向閥4和換向閥11都在右位,三通轉(zhuǎn)換閥5使管a和管c相通,三通轉(zhuǎn)換閥6使管e和管d相通,三通轉(zhuǎn)換閥9使管f和管h相通,三通轉(zhuǎn)換閥10使管i和管j相通,三通轉(zhuǎn)換閥14使管k和管l相通,三通轉(zhuǎn)換閥16使管l和管o相通,三通轉(zhuǎn)換閥18使管e和管q相通,三通轉(zhuǎn)換閥19使管h和管s相通,這樣系統(tǒng)夏季工況就變?yōu)閮蓚€相互獨立的系統(tǒng),其原理圖如圖3所示,

圖3 學校太陽能風能聯(lián)合利用系統(tǒng)(夏季工況)

3.4.2 夏季工況工作過程

(1)制冷系統(tǒng)。制冷循環(huán)中的工質(zhì)由換熱器13經(jīng)管道進入由風力機驅(qū)動的壓縮機3內(nèi),進行壓縮升溫。壓縮后高溫高壓的工質(zhì)氣體進入空氣冷卻器8中進行冷卻變成液態(tài),液態(tài)工質(zhì)再經(jīng)膨脹閥12節(jié)流降壓后進入換熱器13,在這里工質(zhì)氣化吸熱,帶走冷卻水的熱量,然后再次進入壓縮機進行循環(huán);流經(jīng)換熱器13的冷卻水放出熱量降溫后再流入各宿舍的換熱器吸收宿舍內(nèi)的熱量,使宿舍內(nèi)的空氣溫度降低,然后水再流入換熱器13進行循環(huán)。

(2)太陽能系統(tǒng)。太陽能系統(tǒng)已經(jīng)獨立出來單獨加熱水,以供夏季洗浴之用。通過分析可看出,此系統(tǒng)在冬季工況可以產(chǎn)生較多的熱量來滿足冬季宿舍取暖和洗浴熱水的需求;夏季工況則可以兼顧宿舍降溫和洗浴熱水之需。

4 結(jié)語

本文所談的風能太陽能聯(lián)合利用系統(tǒng)只是一種設(shè)想,要去實現(xiàn)的話還是有很多困難的。如要解決系統(tǒng)的自動控制問題,系統(tǒng)中要控制的參數(shù)較多,如何選擇合適的控制方法以使系統(tǒng)的運行達到最佳循環(huán)工質(zhì)的選取問題,需要尋找一種既能滿足夏季工況又能滿足冬季工況的循環(huán)工質(zhì);風力機與系統(tǒng)的功率匹配問題,需要計算出系統(tǒng)所需的能量輸入,查閱相關(guān)氣象資料,選擇合適的風力機等。

近年來,能源供需矛盾日益加劇以及傳統(tǒng)化石能源帶來的環(huán)境污染壓力已嚴重阻礙了經(jīng)濟的發(fā)展,世界各國都開始重視開發(fā)與利用可持續(xù)發(fā)展的新能源和可再生能源。風能和太陽能是目前最具開發(fā)利用前景和技術(shù)較為成熟的新能源和可再生能源,利用的經(jīng)濟性隨著技術(shù)的改進在不斷提高。我國的風能和太陽能資源蘊藏豐富,可供開發(fā)的很多。而且我國內(nèi)蒙古、新疆等較偏遠地區(qū)風能和太陽能資源較為豐富,這些地區(qū)能源的最終使用方式主要是熱能,如采暖、加熱、保溫、烘干、家禽飼養(yǎng)及蔬菜大棚等,使用風力致熱最為有利、便捷。本文所提出的風能太陽能聯(lián)合利用設(shè)想方案非常適合這些地區(qū)的生活采暖和夏季降溫之用,既可解決偏遠地區(qū)電力輸送困難且損耗大的問題,又充分利用了當?shù)刎S富的風能和太陽能等可再生能源,起到了節(jié)能減排,保護環(huán)境的作用。因此,進一步投入研發(fā)力量,加快這方面的研究,對緩解我國能源壓力,減輕環(huán)境污染,提高生產(chǎn)、生活質(zhì)量具有重要的意義。

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