牛海霞，董正茂，侯曉東

(1.內(nèi)蒙古機電職業(yè)技術(shù)學院；2.華潤電力控股有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

我國北方牧區(qū)常規(guī)能源較為短缺，電網(wǎng)覆蓋有限，人民居住分散，許多地區(qū)無法實現(xiàn)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(qū)域范圍廣、清潔安全、循環(huán)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(huán)境的綠色能源；風能是太陽能的一種轉(zhuǎn)化形式，據(jù)估計到達地球的太陽能中雖然只有大約2%轉(zhuǎn)化為風能，但其總量仍是十分可觀的。風力發(fā)電利用的是自然能源，沒有燃料問題，也不會產(chǎn)生輻射或空氣污染，是一種特別好的發(fā)電方式，相對火電、核電等發(fā)電要更加綠色、環(huán)保。內(nèi)蒙古草原上的風力發(fā)電機風能設施日趨進步，大量生產(chǎn)成本較低，在適當?shù)攸c，風力發(fā)電成本已低于發(fā)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(tài)。

目前，我國北方地區(qū)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(chǎn)電能又使用蒸汽對用戶供熱的生產(chǎn)方式稱為熱電聯(lián)產(chǎn)。相對于分別供電、熱能的方式，熱電聯(lián)產(chǎn)更為節(jié)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(xiàn)高效率、無排放、零污染的可再生能源熱電聯(lián)產(chǎn)。

目前，部分地區(qū)牧民使用離網(wǎng)型光伏、風力發(fā)電蓄電池儲能系統(tǒng)供電，僅供日常照明、簡單電氣設備用電。牧區(qū)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(huán)境。為解決牧區(qū)生活和生產(chǎn)供熱、供電問題，改善牧區(qū)人民生活條件，筆者利用太陽能、風能最具規(guī)?；瘽摿Φ臒犭娐?lián)產(chǎn)可再生能源，優(yōu)化設計家用智能可再生能源熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)對于節(jié)能減排、改善環(huán)境以及實現(xiàn)綠色經(jīng)濟具有積極的意義。

1 太陽能供熱系統(tǒng)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(zhuǎn)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(fā)展的基礎(chǔ)能源之一。內(nèi)蒙古全區(qū)日照充足，太陽能資源豐富，全區(qū)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(qū)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(shù)在2 700h～3 400h之間。本設計結(jié)合草原牧區(qū)豐富的光資源，利用光熱轉(zhuǎn)化原理，設計供熱系統(tǒng)，向牧區(qū)人民生活及生產(chǎn)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(zhuǎn)化為電能，如光伏發(fā)電；光熱利用是將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，如太陽能熱水器。太陽能光熱發(fā)電原理是指利用大規(guī)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(fā)電機工作，從而達到發(fā)電的目的。

現(xiàn)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(xù)供熱，本設計利用光熱轉(zhuǎn)化設備，將白天充足的太陽能資源轉(zhuǎn)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(jié)合目前市場蓄熱工質(zhì)使用情況，綜合考慮蓄熱設施經(jīng)濟實用性及維修便利性，本設計使用熔鹽作為蓄熱工質(zhì)，且熔鹽有高溫穩(wěn)定性、低黏度及較大熱容比等特點，已經(jīng)量產(chǎn)，并廣泛應用。

1.1 太陽能供熱系統(tǒng)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(zhì)熔鹽加熱，吸收熱能后的熔鹽進入蓄熱罐，蓄熱罐內(nèi)的熱熔鹽通過熱交換器，把熱能傳輸給水循環(huán)系統(tǒng)，加熱后的水直接用于牧區(qū)人民生活及生產(chǎn)。蓄能是本供熱系統(tǒng)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(xiàn)連續(xù)供熱。

1.2 太陽能供熱系統(tǒng)設計思路

因內(nèi)蒙古牧區(qū)冬季氣溫低于零度，極限溫度達零下45℃，熔鹽容易凝結(jié)，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(huán)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(huán)起來，不斷吸收太陽輻射能，轉(zhuǎn)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(xù)吸熱，利用真空泵，強制把傳熱管道內(nèi)的熔鹽吸入蓄熱罐，以防夜間低溫，導致傳熱管內(nèi)熔鹽凝結(jié)、結(jié)塊。本設計可再生能源供熱系統(tǒng)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(tǒng)、供熱水管、暖氣片及自動控制系統(tǒng)，如圖1所示。

2 風能供電系統(tǒng)工作原理及設計思路

風能作為一種可永續(xù)利用的清潔可再生能源，有著巨大的開發(fā)應用潛力。內(nèi)蒙古全區(qū)整體風能資源較好，全區(qū)風能資源總儲量為13.8億kW，技術(shù)可開發(fā)量3.8億kW，占全國50%以上。全區(qū)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(fā)電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉(zhuǎn)，再通過增速機將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。

因光伏發(fā)電設備在夜間無法發(fā)電，供電間斷性明顯，考慮到草原牧區(qū)冬季季風平均風速高，全天都能發(fā)電，所以本設計采用風力發(fā)電設備供電。利用草原牧區(qū)優(yōu)質(zhì)的風能資源，根據(jù)風電轉(zhuǎn)化原理，設計供電系統(tǒng)，向牧區(qū)人民生活及生產(chǎn)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(tǒng)工作原理

本設計利用小型風力發(fā)電機供電，小型風力發(fā)電機工作原理是利用風力驅(qū)動風機葉片旋轉(zhuǎn)，從而帶動發(fā)電機永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場切割定子繞組，在定子繞組中產(chǎn)生電能。該電能質(zhì)量較差，需經(jīng)整流、逆變后方可使用，逆變后的電能，經(jīng)供電系統(tǒng)向牧區(qū)人民生活及生產(chǎn)供電。

2.2 風能供電系統(tǒng)設計思路

因自然風速無法控制，導致風機轉(zhuǎn)速也隨風速頻繁變化，從而產(chǎn)生的電流大小也不同，為了提供穩(wěn)定電源，需設計整流系統(tǒng)和逆變系統(tǒng)，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(tǒng)主要設備包括風力發(fā)電機、整流系統(tǒng)、蓄電池、逆變系統(tǒng)及自動控制系統(tǒng)，如圖1所示。

3 可再生能源熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)工作原理及優(yōu)化設計

智能控制系統(tǒng)是利用先進的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡通信技術(shù)及綜合布線技術(shù)等，將上述牧區(qū)家用可再生能源熱電聯(lián)產(chǎn)中供熱、供電設備有機結(jié)合起來，通過網(wǎng)絡化綜合智能控制和管理，滿足牧區(qū)家庭生活及生產(chǎn)用電需求。

本設計可再生能源熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)主要包括供熱系統(tǒng)、供電系統(tǒng)及智能控制系統(tǒng)(如圖1所示)，根據(jù)牧民生活、生產(chǎn)習慣，把供熱系統(tǒng)產(chǎn)生的熱能、供電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能，通過智能控制系統(tǒng)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(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

4 結(jié)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(yè)、生活等各個供熱供電需求中。家用智能可再生能源熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的設計將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，風能轉(zhuǎn)化為電能，從而將該部分熱能、電能應用于牧區(qū)日常生活和生產(chǎn)，進而解決牧區(qū)基礎(chǔ)設施落后，生活條件差的處境，提高牧民生活質(zhì)量和增加畜牧產(chǎn)值。通過本次設計，為可再生能源熱電聯(lián)產(chǎn)提供了一種可實施的方案，也是提高牧民生活質(zhì)量的一種手段。