何采蔚，劉光明，溫喬維，曾浩升，王璋元＊

（廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州 510006）

引言

21 世紀以來，我國經(jīng)濟迅猛發(fā)展，各領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新都不斷推動著國民經(jīng)濟發(fā)展，這就意味著能源需求增長是我國高速發(fā)展時期必須解決的問題。《BP 世界能源展望2017 版中國專題》指出，2035 年中國能源的進口依存度將達到21%，石油增長到79%，天然氣將增長到40%[1]。因此，分布式能源在能源供應(yīng)體系中發(fā)揮著重要的作用，但可再生能源系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化難度也較高[2]。

許多學(xué)者對分布式可再生能源軟件設(shè)計的研究進行了深層次的分析，并且獲得良好的發(fā)展成效[3]。但這些軟件所涉及的模型規(guī)模復(fù)雜性較高，預(yù)測計算時輸入的參數(shù)也大不相同。預(yù)測模型應(yīng)在實際運用中具備易用性和精確性等特點[4]。Bahramara 等人[5]使用HOMER 對海島的能源系統(tǒng)進行研究，達到了電力部門對二氧化碳排放的要求，還獲得了系統(tǒng)最低的投資和運營成本。曹建軍等人[6]建立了應(yīng)用蓄熱技術(shù)的可再生能源分布式系統(tǒng)模型，一次性能源節(jié)約率為13.16%。金紅光等人[7]提出多能互補分布式能源的重點領(lǐng)域包括了光伏、風(fēng)電與聚光太陽能耦合技術(shù)等。

然而，現(xiàn)有的模擬軟件主要針對單體建筑尺度，存在邊界條件精度要求高、輸入復(fù)雜等問題，其性能不能滿足區(qū)域尺度、復(fù)雜多樣化的建筑條件下的系統(tǒng)設(shè)計工作。因此本研究將建筑與多個基礎(chǔ)的可再生能源技術(shù)和能效技術(shù)相結(jié)合，提出了一個基于風(fēng)、光等環(huán)境參數(shù)的可再生能源預(yù)測軟件。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 風(fēng)電模塊

本模塊選用常規(guī)風(fēng)力發(fā)電機進行分析，其風(fēng)能發(fā)電機組的發(fā)電量分別與風(fēng)機功率、測風(fēng)高度、輪轂高度及輪轂處風(fēng)速相關(guān)，通過功率和風(fēng)機輪轂處的風(fēng)速，可得到發(fā)電機組的發(fā)電量，如式（1）所示。

式中：W1為風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電量，kW；P(v)為以風(fēng)速為自變量的風(fēng)機功率函數(shù)，W。

通過風(fēng)機風(fēng)速可計算風(fēng)機功率，如式（2）所示。

式中：v 為風(fēng)機輪轂位置的平均風(fēng)速，m/s；v切入、v切出為切入、切出風(fēng)速，m/s；v額定為額定風(fēng)速，m/s；ρ 為空氣密度，kg/m2；A風(fēng)為風(fēng)輪掃掠面積，m2；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)；P額定為風(fēng)機總額定功率，W。

1.2 太陽能集熱模塊

本模塊選用肋片型CPC 熱管式真空管集熱器作為參照模型進行熱效率分析，假設(shè)各種邊界條件處于穩(wěn)態(tài)過程，光能集熱的集熱量計算如式（3）所示。考慮到真空管壁與導(dǎo)熱油兩者的溫度相同，CPC 的集熱效率如式（4）所示。

式中：Q1為集熱器的理論集熱量，kJ；Ii為小時平均太陽輻射強度，W/m2；ηl為集熱效率；t2為集熱器獲取太陽輻射作用的時長，s；A1為集熱器水平接收面積，m2；F 為集熱效率因子；ηop為集熱器的光學(xué)效率；Ut為集熱器熱損失系數(shù)；Tf為得熱流體的平均溫度，K；Ta為空氣溫度，K；CR 為集熱器聚光比。

1.3 光伏發(fā)電模塊

本模塊選用常見多晶光伏板進行分析，以求得一定組件容量下的光伏板的發(fā)電量預(yù)測值。小時光伏發(fā)電上網(wǎng)電量可通過式（5）計算。

式中：Ep為小時上網(wǎng)發(fā)電量，kW·h；HA為小時單位面積內(nèi)的太陽能輻射，kW·h/m2；Es為標準環(huán)境的輻照度，1kW·h/m2；PAZ為組件安裝容量，kWp；K 為綜合效率系數(shù)。

1.4 光伏板余熱回收模塊

本模塊將微通道平板環(huán)路熱管與光伏板相結(jié)合，形成一個新型的太陽能光伏光熱系統(tǒng)進行余熱回收。系統(tǒng)熱效率如式（6）所示。分析時忽略光伏面板外表面反射所產(chǎn)生的能量損失，則太陽能光伏板的余熱量和有效傳熱量可由式（7）和式（8）計算。

式中：ηh為系統(tǒng)熱效率；Qu為有效傳熱量，kJ；Qh為光伏板的余熱量，kJ；th為光伏板溫度，℃；tw為得熱流體的溫度，℃；Rre為傳熱總熱阻，(m2·K)/W；A3為換熱面積，m2；QA為太陽能總輻射量。

2 軟件描述

2.1 軟件設(shè)計原理

現(xiàn)有對建筑可再生能源進行預(yù)測集中于單一模塊中，將風(fēng)電產(chǎn)能、光熱產(chǎn)能、光伏組件產(chǎn)能、光伏板余熱回收產(chǎn)能等四個模塊結(jié)合成一個軟件，在區(qū)域尺度下對建筑可再生能源進行預(yù)測，對滿足整個區(qū)域能源規(guī)劃、節(jié)約能源系統(tǒng)實施起到較為重要的作用，是將單一建筑能耗推算至區(qū)域尺度的解決方法之一。基于上述四個模塊的運行模型和所含數(shù)學(xué)運算公式，利用MATLAB 代碼將模塊進行程序化編寫，并基于Qt進行開發(fā)界面設(shè)計及C++語言編寫，設(shè)計出可供用戶使用的界面及可運行的EXE 執(zhí)行應(yīng)用的桌面程序，界面主要包括參數(shù)輸入?yún)^(qū)、輸出區(qū)及變量繪圖區(qū)，將四個模塊整合為一個可再生能源預(yù)測軟件。

2.2 運行流程

參數(shù)輸入：用戶需要先輸入/選擇各項參數(shù)值，并打開相應(yīng)環(huán)境參數(shù)的Excel 文件應(yīng)用于程序計算中，參數(shù)輸入?yún)^(qū)將被激活。結(jié)果輸出：運算流程結(jié)束后，軟件將輸出一份相應(yīng)預(yù)測估算值的Excel 文件并繪制相應(yīng)的圖形曲線。用戶可輸入預(yù)測模塊所需參數(shù)、工質(zhì)物性參數(shù)和外部環(huán)境參數(shù)等進行相應(yīng)的可再生能源產(chǎn)量預(yù)測，并可以在界面右邊獲得數(shù)據(jù)曲線分布。最后能將數(shù)據(jù)以表格形式輸出，見圖1。

圖1 圖形曲線生成示例

3 模擬及驗證分析

3.1 風(fēng)電模塊

可通過對比分析不同風(fēng)速下風(fēng)電機組軟件模擬和實際運行的輸出功率研究模型的可靠性。型號為DU93W210 的風(fēng)機設(shè)計參數(shù)及運行環(huán)境參數(shù)為v切入=3 m/s，v切出=20 m/s，v額定=9 m/s，ρ1.057 kg/m2，A風(fēng)=63.6 m2，P額定=10 kW。在不同風(fēng)速條件下，計算所得的風(fēng)機功率模擬值與實際測試條件下所測得的風(fēng)機功率及其對比，見表1。

表1 不同風(fēng)速下風(fēng)機功率的模擬值與真實值及其對比

同一風(fēng)機在多個風(fēng)速頻段下，風(fēng)機輸出功率的真實值與模擬值之間誤差均在5%以內(nèi)且波動極小，表明模型具備一定的可靠性。

3.2 太陽能集熱模塊

根據(jù)給定的兩個實驗用CPC 熱管式真空管集熱器的設(shè)計參數(shù)[8]及假定的運行環(huán)境參數(shù)，分別計算它們的理論和實際集熱器效率，兩個工況下集熱器的理論與實際效率曲線對比見圖2、圖3。

圖2 集熱器1 的流體溫差與集熱效率圖

圖3 集熱器2 的流體溫差與集熱效率圖

由圖2、圖3 可知，太陽輻射強度不變時，集熱流體與空氣兩者溫度差不斷增加，集熱效率隨之減小，實際與理論值的誤差逐漸增大。當(dāng)空氣與得熱流體溫差達100 ℃時，集熱器1 最大誤差為12.3%，集熱器2最大誤差為11.74%。但模型與實驗的集熱效率變化趨勢相吻合，但優(yōu)化集熱器的設(shè)計可使誤差縮小。因此，該模型的預(yù)測具備一定的可靠性。

3.3 光伏發(fā)電模塊

選取光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范《GB 50797.2012》中的標準化模型作為估算光伏發(fā)電站的發(fā)電量的參照。某地光伏發(fā)電站[9]的裝機總?cè)萘繛?0 MW，當(dāng)太陽輻射強度保持一致時，其理論與實際的發(fā)電量對比見表2。

表2 同等太陽輻射強度下理論發(fā)電量與實際值

由表2 可知，個別月份的估算產(chǎn)電量與實際產(chǎn)電量的誤差較大，但誤差范圍均在20%內(nèi)，按1-12 月份的總量對比估算值與實際值，誤差僅有3.8%。從上述結(jié)果中可知，誤差均整體可控且在長期估測值上小于5%，說明該模型具有一定可靠性。

3.4 光伏板余熱回收模塊

本模塊建立了關(guān)于微通道熱管系統(tǒng)的傳熱模型，案例中微通道熱回收系統(tǒng)通過利用模擬太陽光作為光源，在不同恒定的光照強度下進行實驗以獲取系統(tǒng)在穩(wěn)定運行的情況下的熱回收效率。不同工況下的模擬值和實際值的對比見表3。

表3 不同工況下的熱回收效率模擬值和實際值

由表3 可知，模擬與實際熱回收效率最小差值為2.8%（工況4），最大差值出現(xiàn)為6.9%（工況6）。模型的建立過程是假設(shè)系統(tǒng)一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，其運行條件保持理想狀態(tài)，因此熱回收效率模擬值均高于實際值，但兩者誤差均值小于5%，故模型具有一定可靠性。

4 結(jié)論

針對現(xiàn)階段的可再生能源系統(tǒng)相關(guān)的模擬軟件存在的條件精度要求高、輸入繁瑣、性能無法滿足區(qū)域尺度的建筑條件下的設(shè)計優(yōu)化工作等問題，通過對風(fēng)電、太陽能集熱、光伏發(fā)電和光伏板余熱回收四種常見的可再生能源利用手段進行理論分析和建立數(shù)學(xué)模型，通過Qt 窗口環(huán)境編譯和GUI 界面設(shè)計工具實現(xiàn)軟件可視化。結(jié)果表明，風(fēng)電模塊的誤差均值為7.48%，太陽能集熱模塊的誤差在可接受范圍內(nèi)，最大值為12.3%，光伏發(fā)電模塊和光伏板余熱回收模塊的誤差均值均小于5%。因此，該軟件能為可再生能源系統(tǒng)的設(shè)計及預(yù)測提供有意義的參數(shù)參考。