彭 雨, 程鵬飛, 郝正航, 譚 興, 張慶芳

(貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 貴州 貴陽(yáng) 550025)

通信作者:郝正航(1972—),男,河南開(kāi)封,博士,教授,研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)及其仿真技術(shù).

基于復(fù)合拋物面聚光器的太陽(yáng)能綜合利用系統(tǒng)

彭 雨, 程鵬飛, 郝正航, 譚 興, 張慶芳

(貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 貴州 貴陽(yáng) 550025)

研究了基于復(fù)合拋物面聚光器的太陽(yáng)能綜合利用系統(tǒng)。以太陽(yáng)能綜合利用為核心,設(shè)計(jì)MPPT控制以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)獲得最大的電功率輸出；引入電儲(chǔ)熱水箱作為儲(chǔ)能單元,提高對(duì)用戶(hù)供冷和供熱的穩(wěn)定性,更好地調(diào)節(jié)隨季節(jié)變化而變化冷熱需求比例。對(duì)系統(tǒng)的每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了建模,并采用Matlab/Simulink對(duì)其進(jìn)行仿真分析。通過(guò)仿真結(jié)果表明,該系統(tǒng)提高了太陽(yáng)能的綜合利用率。

冷熱電聯(lián)產(chǎn)； 太陽(yáng)能綜合利用； 聚光集熱器； 電儲(chǔ)熱水箱； Simulink仿真

近年來(lái),太陽(yáng)能利用技術(shù)發(fā)展迅速。但是,要實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的利用更高效、更合理,就需要對(duì)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行更深入的研究。一般情況下,太陽(yáng)能光伏電池的發(fā)電效率在15%左右,其余80%以上的太陽(yáng)輻射則被電池板吸收轉(zhuǎn)換成熱量,其中一部分熱量通過(guò)對(duì)流方式直接傳遞到大氣中,一部分熱量導(dǎo)致太陽(yáng)能光伏電池的溫度升高、發(fā)電效率降低。除此之外,太陽(yáng)能光伏電池長(zhǎng)期工作在高溫條件下,電池組件的壽命也會(huì)大大縮短。因此,單純使用太陽(yáng)能進(jìn)行發(fā)電,對(duì)于太陽(yáng)能的利用率并不高[1-4]。

如何使太陽(yáng)能光伏電池處于一個(gè)適合工作的溫度環(huán)境,充分利用電池的廢熱,提高太陽(yáng)能利用率,是一個(gè)重要的研究課題。本文提出一種將太陽(yáng)能余熱收集起來(lái)對(duì)用戶(hù)進(jìn)行冷熱聯(lián)供的方案,結(jié)合光伏發(fā)電系統(tǒng)組成了一套太陽(yáng)能綜合利用系統(tǒng),以推進(jìn)太陽(yáng)能綜合利用。

1 聚光型太陽(yáng)能綜合利用系統(tǒng)分析

1.1 聚光型PV/T太陽(yáng)能綜合利用系統(tǒng)

復(fù)合拋物面聚光器(CPC)太陽(yáng)能綜合利用系統(tǒng)利用聚光器，將太陽(yáng)光聚焦在太陽(yáng)能光伏電池板上,提高電池板單位面積的光照強(qiáng)度而又不會(huì)使電池板產(chǎn)生過(guò)多的熱量,提高了光伏發(fā)電的效率,而系統(tǒng)的冷卻工質(zhì)將多余的熱量帶走加以利用,以充分利用太陽(yáng)的光能和熱能。

CPC太陽(yáng)能綜合利用系統(tǒng)由CPC聚光器、光電系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)和其他輔助設(shè)備組成的。該系統(tǒng)的一個(gè)單元PV/T聚光集熱器結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]。

圖1 CPC型PV/T單元結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 太陽(yáng)能綜合利用系統(tǒng)方案

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

的出水溫度。

圖2 冷熱電三聯(lián)供方案

圖3為復(fù)合拋物面聚光器太陽(yáng)能綜合利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。供電系統(tǒng)側(cè)含逆變器和儲(chǔ)能裝置。太陽(yáng)能光伏電池板發(fā)出的電能可以并入主電網(wǎng)或者組網(wǎng)運(yùn)行,直接向用戶(hù)供電；供熱系統(tǒng)側(cè)含熱交換器和溫度傳感器,可加熱儲(chǔ)熱水箱、供熱管網(wǎng)等；溴化鋰吸收式制冷機(jī)通過(guò)輸入儲(chǔ)熱水箱釋放的熱量制冷[6]。

圖3 太陽(yáng)能綜合利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.3 太陽(yáng)能綜合利用系統(tǒng)的運(yùn)行概況

CPC型PV/T系統(tǒng)的太陽(yáng)能光伏電池板在發(fā)電的同時(shí)對(duì)換熱工質(zhì)加熱,不但使電池板得到溫降，使其工作在穩(wěn)定、適宜的溫度范圍內(nèi),也為供熱系統(tǒng)提供了穩(wěn)定的熱源。在不同的地方或者是不同的季節(jié),用戶(hù)對(duì)于冷、熱、電的需求各不相同；就季節(jié)來(lái)說(shuō),一般情況下,夏季陽(yáng)光充足,而對(duì)于供暖的需求較供冷需求更少；冬季陽(yáng)光較弱,對(duì)于電能的供應(yīng)和供暖遠(yuǎn)大于供冷。通過(guò)調(diào)節(jié)3個(gè)子系統(tǒng)的輸入比例,可以使系統(tǒng)得到最合理的利用。

2 系統(tǒng)建模

以某小區(qū)(100戶(hù))為實(shí)例,通常情況下，每戶(hù)的熱負(fù)荷為4 kW,小區(qū)采用集中聯(lián)供的方式為各用戶(hù)供能。由于光伏發(fā)電的不穩(wěn)定性,本方案以供熱需求為首要目標(biāo)。在充分滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)供熱需求的前提下,將系統(tǒng)轉(zhuǎn)化的電能并網(wǎng)使用。綜合光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度、熱量損失等變化因素,在留有一定的裕量后,計(jì)算集熱面積大約是900 m2,以此為依據(jù)建立太陽(yáng)能綜合利用系統(tǒng),并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真。

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)

太陽(yáng)能光伏電池在實(shí)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(yáng)能光伏電池的等效電路

由圖4和PN結(jié)特性可建立輸出電流數(shù)學(xué)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(shù)因子(1≤n≤5)；k為玻爾茲曼常數(shù),k=1.38×10-23J/K;T為電池?zé)崃W(xué)溫度。

對(duì)上式進(jìn)行簡(jiǎn)化,做以下近似處理并建立工程數(shù)學(xué)模型[8]:

(1) 開(kāi)路情況下,I=0、V=Voc；

(2) 在最大功率點(diǎn),I=Im、V=Vm；

(4) 由于Rs?Rsh,可以認(rèn)為Iph=Isc,Isc為短路電流。

式(1)可簡(jiǎn)化為

(2)

其中:

(3)

(4)

根據(jù)以上數(shù)學(xué)模型,并采用最大功率跟蹤(MPPT)控制,建立Simulink的太陽(yáng)能光伏電池仿真模型(見(jiàn)圖5)。

圖5 光伏發(fā)電simulink仿真模型

2.2 供熱系統(tǒng)

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(jié)構(gòu)等因素的影響。為方便計(jì)算,針對(duì)CPC型PV/T集熱器，僅建立光照強(qiáng)度與瞬時(shí)效率的數(shù)學(xué)模型，用于后續(xù)的系統(tǒng)建模。建立的數(shù)學(xué)模型如下[9]:

ηGRE=η0GRE-UL×(Ti-Tamd)

(5)

Qu=GRE×η×Ap

(6)

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

2.2.2 電儲(chǔ)熱水箱建模

電儲(chǔ)熱水箱實(shí)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(chǔ)熱模塊。電加熱模塊的功率的計(jì)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(zhuǎn)化效率,取95%；

水箱在儲(chǔ)熱的同時(shí)也在對(duì)用戶(hù)供暖,其數(shù)學(xué)模型為

mscω(Ts-Th2)-AsUs(Ts-Ta)

(8)

式中:M為水箱中水的質(zhì)量,300 kg；Ts為水箱內(nèi)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(shù),取6.5 W/(m2·K)；Tg1為流進(jìn)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(wǎng)的回水溫度；K；mc為進(jìn)口熱介質(zhì)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(wǎng)建模

供熱管道在將熱水輸送至用戶(hù)側(cè)的時(shí)候,由于管道內(nèi)外的溫度差異,會(huì)造成一定的熱量損失。管網(wǎng)的建模分供水管道和回水管道2部分。為了方便計(jì)算,建立簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型如式(9)、(10)所示[11]。

(9)

(10)

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

2.2.4 低溫輻射散熱式地?zé)岜P(pán)管建模

輻射供暖按其散熱設(shè)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?zé)岜P(pán)管。地?zé)岜P(pán)管敷設(shè)于室內(nèi)地板下面,室內(nèi)空氣通過(guò)與地?zé)岜P(pán)管中熱水進(jìn)行熱對(duì)流的方式獲取熱能,從而提升室內(nèi)的溫度。建立的數(shù)學(xué)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?zé)岜P(pán)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(nèi)溫度,K；Rd為地板導(dǎo)熱熱阻,取0.218 m2·K/W；A為采暖面積,取10 000 m2(假設(shè)每戶(hù)采暖100 m2)。

2.2.5 熱用戶(hù)建模

由于用戶(hù)的室內(nèi)溫度動(dòng)態(tài)過(guò)程受建筑結(jié)構(gòu)、材料等諸多因素影響,為便于研究,對(duì)于熱用戶(hù)的建模僅考慮室外的溫度變化對(duì)室內(nèi)溫度的影響,建立的數(shù)學(xué)模型如式(14)、(15)所示[13]。

(14)

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

(15)

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

2.3 供冷系統(tǒng)

供冷系統(tǒng)主要是由溴化鋰吸收式制冷機(jī)制冷,溴化鋰吸收式制冷機(jī)可以利用電儲(chǔ)熱水箱所輸入的熱能驅(qū)動(dòng),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠。溴化鋰吸收式制冷機(jī)的制冷性能系數(shù)(COP)受諸多因素影響,為了便于計(jì)算,取額定工況值0.7,那么輸入熱功率與制冷功率的數(shù)學(xué)模型可建立為[14]

Qc=Qh×COP

(16)

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

冷熱聯(lián)供系統(tǒng)仿真模型如圖6所示。

圖6 冷熱聯(lián)供系統(tǒng)仿真模型

3 Simulink仿真結(jié)果分析

3.1 MPPT仿真結(jié)果分析

圖7所示為設(shè)定的電池板溫度變化曲線(xiàn),通過(guò)仿真驗(yàn)證電池板的發(fā)電功率隨電池板溫度的升高而降低。

圖7 太陽(yáng)能光伏電池板的設(shè)定溫度變化

本文選取典型的APM72M180W光伏陣列進(jìn)行仿真,太陽(yáng)能光伏電池各參數(shù)非常易于查詢(xún),不一一列出。依據(jù)900 m2的集熱面積,可建設(shè)25×25的光伏陣列。圖8所示為光伏電池的輸出功率仿真結(jié)果。

圖8 最大功率跟蹤(MPPT)仿真結(jié)果

從圖8中可以看出,在最大功率跟蹤控制下,系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地找到最大功率點(diǎn),從而提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。在光照充分、環(huán)境溫度適宜的理想條件下,光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率可以達(dá)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(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量基本能滿(mǎn)足該小區(qū)住戶(hù)的用電需求。在冬季光伏發(fā)電不足的情況下,需由大電網(wǎng)補(bǔ)充供電。

3.2 供暖系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

供暖系統(tǒng)主要針對(duì)冬季室外溫度較低的地區(qū)。本文分別進(jìn)行室外溫度為-20℃和-10℃的環(huán)境下供暖系統(tǒng)仿真。圖9為設(shè)定的冬季室外溫度變化曲線(xiàn)。

圖9 設(shè)定室外溫度變化曲線(xiàn)

如圖10所示為供暖系統(tǒng)對(duì)用戶(hù)供暖的仿真結(jié)果。圖中分別顯示的是電熱水箱的供水溫度、回水管網(wǎng)的回水溫度、經(jīng)供暖調(diào)控之后的室內(nèi)溫度。

圖10 供暖系統(tǒng)仿真結(jié)果

可以看出,室內(nèi)溫度調(diào)控在20 ℃～30 ℃之間,非常適宜居民生活。

圖11為供熱負(fù)荷的仿真圖。從圖中可以看出對(duì)用戶(hù)的供暖功率略高于熱負(fù)荷,但是當(dāng)室外溫度發(fā)生躍變時(shí),需經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的時(shí)間系統(tǒng)才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),這說(shuō)明了供暖系統(tǒng)是一個(gè)大滯后系統(tǒng)。因此，在進(jìn)行太陽(yáng)能綜合利用系統(tǒng)仿真的時(shí)候,在供暖部分和供冷部分都需要一個(gè)較大的仿真步長(zhǎng)。

圖11 供熱負(fù)荷仿真結(jié)果

3.3 制冷系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

太陽(yáng)能綜合利用系統(tǒng)中的制冷部分采用溴化鋰吸收式制冷機(jī),以高溫?zé)崴疄轵?qū)動(dòng)制冷。圖12為室外溫度40℃時(shí)制冷功率仿真圖。圖12表明:在供冷初始階段,室內(nèi)溫度尚高,對(duì)于供冷需求量大；當(dāng)室內(nèi)溫度逐漸趨于穩(wěn)定時(shí),供冷功率亦趨于平穩(wěn)。

圖12 供冷功率仿真結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

在太陽(yáng)能綜合利用系統(tǒng)中,太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中采用最大功率跟蹤(MPPT)控制,可以使發(fā)電系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確地跟蹤到最大功率點(diǎn),大大提高了發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率；采用CPC型聚光集熱器,充分收集利用了太陽(yáng)能余熱；冷熱聯(lián)供系統(tǒng)引入電儲(chǔ)熱水箱,對(duì)用戶(hù)進(jìn)行更穩(wěn)定的供暖和供冷。在上位機(jī)中搭建完整的Simulink模型,采用兩個(gè)不同步長(zhǎng)的目標(biāo)機(jī)對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可用的冷、熱、電聯(lián)產(chǎn)；實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能高效率的綜合利用。

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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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51467003)；貴州大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(研理工2017063)；貴州大學(xué)青年教師科研基金項(xiàng)目(自然科學(xué)類(lèi)2012012)

彭雨(1993—),男,四川樂(lè)山,碩士研究生,主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)

E-mail:1075126228@qq.com

E-mail:haozhenghang@163.com

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.031