楊晨輝 邢琳

西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)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(tǒng)的能耗占建筑總能耗的近一半，在發(fā)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(fā)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(fā)電機形成獨立微電網(wǎng)。前一種模式投資大、運行困難。后者不僅破壞了島嶼的生態(tài)環(huán)境，而且柴油運輸和儲存增加了的額外成本[3]。合理開發(fā)利用島嶼附近風(fēng)光可再生資源是解決該區(qū)域建筑用能的重要舉措之一。

很多學(xué)者對不同地區(qū)風(fēng)光混合系統(tǒng)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(shè)計了一種風(fēng)光混合動力系統(tǒng)。S.M.Shaahid 等[5]研究了印度某地風(fēng)光混合系統(tǒng)用于家庭負荷的可行性，并做了技術(shù)和經(jīng)濟評價。我國夏熱冬暖地區(qū)島嶼分布眾多，該地區(qū)全年均有空調(diào)負荷需求，本文以該區(qū)域某島嶼建筑為例，提出風(fēng)光柴蓄混合系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)柴油發(fā)電系統(tǒng)及另外兩種系統(tǒng)形式進行比較分析，以尋求技術(shù)經(jīng)濟性較好的系統(tǒng)形式。

1 系統(tǒng)方案及工作原理

海島地區(qū)用能困難，隨著化石能源的緊缺和海島地區(qū)的快速發(fā)展，利用傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機組進行供電已難以滿足要求且成本較高，環(huán)境危害較大。本文將傳統(tǒng)的柴油發(fā)電系統(tǒng)作為對比方案1，風(fēng)光混合無蓄能系統(tǒng)作為對比方案2，光蓄柴系統(tǒng)作為對比方案3。

本文提出了一種考慮蓄電池壽命的風(fēng)光柴蓄混合供能系統(tǒng)為建筑供能，作為方案 4，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。該系統(tǒng)的工作原理為利用發(fā)電裝置將風(fēng)光資源轉(zhuǎn)化為電能，用于用戶日?？照{(diào)負荷，當(dāng)發(fā)電過剩時，為蓄電池充電。當(dāng)發(fā)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(fēng)光柴蓄混合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(qū)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(qū)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(shè)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(fēng)力發(fā)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(jié)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(qū)，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(diào)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(fēng)光發(fā)電模型

2.2.1 風(fēng)光數(shù)據(jù)來源

風(fēng)速來自美國國家航空航天局距地 50 m 高的風(fēng)速。太陽能數(shù)據(jù)來自美國國家可再生能源實驗室太陽輻射數(shù)據(jù)庫。

通過典型城市近海區(qū)域的數(shù)據(jù)提取，對其近海區(qū)域的有效風(fēng)能密度和太陽年平均輻射進行計算，年均有效風(fēng)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(jù)我國對于太陽能和風(fēng)能的資源區(qū)域劃分標(biāo)準(zhǔn)，該地屬于風(fēng)能與太陽能資源均處于定義的較豐富區(qū)，開發(fā)潛力較大。全年太陽輻射強度呈現(xiàn)4～9 月份較強，10 月份至來年3 月份相對較低的特點。風(fēng)力資源全年較為平穩(wěn)和豐富，在夜間無太陽時主要依靠風(fēng)力發(fā)電，可作為補充電源。

圖4 太陽能、風(fēng)能月能量密度分布圖

2.2.2 風(fēng)力發(fā)電模型

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

其中，V0是測量高度或參考高度的風(fēng)速；V是新高度下的新風(fēng)速；H1和H2分別是測量高度和新高度；a是摩擦指數(shù)，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(wěn)定度高的地區(qū)通常取1/7。

本文將通過功率風(fēng)速計算法計算風(fēng)機輸出功率，風(fēng)力發(fā)電機的每小時輸出功率為[7]：

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

表1 風(fēng)力發(fā)電機參數(shù)表

圖5 風(fēng)力發(fā)電機仿真模型

2.2.3 光伏發(fā)電模型

為了提高光伏發(fā)電數(shù)學(xué)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(fā)電效率模型，其光伏板發(fā)電功率為[7]：

式中，η0為太陽能光電系統(tǒng)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(shù)表如表 2所示。

表2 光伏組件參數(shù)表

本文采用帶有最大功率點跟蹤（MPPT）調(diào)節(jié)功能的光伏組件，即光伏發(fā)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(diào)節(jié)的儲能系統(tǒng)，其使用策略對系統(tǒng)產(chǎn)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(nèi)，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(huán)周期大小及放電深度有關(guān)。蓄電池的壽命是蓄電池充放電周期內(nèi)充放電深度的函數(shù)[8]，蓄電池充放電循環(huán)次數(shù)與放電深度的關(guān)系曲線如圖6 所示。

圖6 蓄電池循環(huán)次數(shù)放電深度關(guān)系曲線

兩者關(guān)可以表示為 [8]：

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

3 評價指標(biāo)與方法

技術(shù)經(jīng)濟評價指標(biāo)是衡量微電網(wǎng)性能的重要尺度，是否合理準(zhǔn)確地選取評價指標(biāo)會影響到對系統(tǒng)方案的判斷[9]。評價指標(biāo)主要分為經(jīng)濟性指標(biāo)，可靠性指標(biāo)和環(huán)保性指標(biāo)。本節(jié)通過對不同系統(tǒng)形式的三個指標(biāo)的對比，來評價系統(tǒng)的可行性。

3.1 經(jīng)濟性

可使用總凈現(xiàn)成本(NPC)來表示系統(tǒng)全壽命周期成本。CNPC是將系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)產(chǎn)生的各成本值折算到初始年進行統(tǒng)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(zhuǎn)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(xiàn)值；Cre是置換成本凈現(xiàn)值；Cf lue是總?cè)剂铣杀緝衄F(xiàn)值；Csalvage是總殘值凈現(xiàn)值；Cp ollution是總污染排放罰金凈現(xiàn)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(xiàn)成本更妥當(dāng)。

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

式中：N為系統(tǒng)生存年限。

系統(tǒng)主要組成及成本如表3 所示。

表3 系統(tǒng)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(tài)的程度。本文考慮當(dāng)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(fā)電機之外的總輸出功率值。

3.3 環(huán)保性

本文以污染氣體排放量和污染物排放治理費用為環(huán)保性的技術(shù)評價指標(biāo)?；剂系南臅a(chǎn)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(fā)電量，φn代表有害氣體排放系數(shù)。表4 為柴油發(fā)電機主要排放有害氣體的排放系數(shù)與治理費用系數(shù)。

表4 柴油機排放治理費用

4 結(jié)果分析與討論

在Matlab 平臺上進行了系統(tǒng)仿真，計算出全年逐時風(fēng)光發(fā)電量（圖 7），與空調(diào)電力負荷進行對比發(fā)現(xiàn)，全年逐月光伏發(fā)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(fā)電無法使用，風(fēng)力發(fā)電恰好可以對這部分空缺進行補充。

圖7 逐月風(fēng)光發(fā)電量與電力負荷需求

將不同系統(tǒng)方案的結(jié)果對比（表 5、圖 8），蓄電池的使用讓系統(tǒng)的等年值成本分別降低了 51.21%和57.86%，風(fēng)光混合系統(tǒng)相對于光伏系統(tǒng)等年值成本降低了13.63%，使用可再生能源系統(tǒng)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(tǒng)方案對比

表5 不同系統(tǒng)方案結(jié)果比較

在經(jīng)濟性方面，風(fēng)光柴蓄混合系統(tǒng)有著明顯優(yōu)勢，等年值成本占柴油發(fā)電系統(tǒng)不足一半。島嶼無柴油情況下缺電率風(fēng)光柴蓄混合供能系統(tǒng)最低，為10.31%。全年污染物排放量最低，為33.41t。風(fēng)光柴蓄混合供能系統(tǒng)方案無論在各方面指標(biāo)均優(yōu)于其它幾種系統(tǒng)方案，技術(shù)經(jīng)濟可行性高，在降低發(fā)電成本和減少環(huán)境污染的同時，可滿足島嶼建筑空調(diào)負荷需求。

5 結(jié)論

本文利用DeST 模擬了夏熱冬暖地區(qū)某海島建筑的建筑負荷需求，對該區(qū)域的風(fēng)光資源進行判斷，對四種供能系統(tǒng)方案進行技術(shù)經(jīng)濟性對比，結(jié)論如下：

1）夏熱冬暖地區(qū)島嶼建筑負荷太陽能風(fēng)能資源較為豐富，年均有效風(fēng)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(qū)，開發(fā)潛力巨大。

2）本文對四種不同的系統(tǒng)方案進行技術(shù)經(jīng)濟性對比，提出的考慮蓄電池壽命特性的風(fēng)光柴蓄混合系統(tǒng)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(fēng)光柴蓄混合供能系統(tǒng)方案無論在各方面指標(biāo)均優(yōu)于其它幾種系統(tǒng)方案，技術(shù)經(jīng)濟可行性高。