基于复合抛物面聚光器的太阳能综合利用系统

彭 雨, 程鹏飞, 郝正航, 谭 兴, 张庆芳

(贵州大学 电气工程学院, 贵州 贵阳 550025)

通信作者:郝正航(1972—),男,河南开封,博士,教授,研究方向为智能电网及其仿真技术.

基于复合抛物面聚光器的太阳能综合利用系统

彭 雨, 程鹏飞, 郝正航, 谭 兴, 张庆芳

(贵州大学 电气工程学院, 贵州 贵阳 550025)

研究了基于复合抛物面聚光器的太阳能综合利用系统。以太阳能综合利用为核心,设计MPPT控制以实现光伏发电系统获得最大的电功率输出；引入电储热水箱作为储能单元,提高对用户供冷和供热的稳定性,更好地调节随季节变化而变化冷热需求比例。对系统的每个环节进行了建模,并采用Matlab/Simulink对其进行仿真分析。通过仿真结果表明,该系统提高了太阳能的综合利用率。

冷热电联产； 太阳能综合利用； 聚光集热器； 电储热水箱； Simulink仿真

近年来,太阳能利用技术发展迅速。但是,要实现对太阳能的利用更高效、更合理,就需要对太阳能转换技术进行更深入的研究。一般情况下,太阳能光伏电池的发电效率在15%左右,其余80%以上的太阳辐射则被电池板吸收转换成热量,其中一部分热量通过对流方式直接传递到大气中,一部分热量导致太阳能光伏电池的温度升高、发电效率降低。除此之外,太阳能光伏电池长期工作在高温条件下,电池组件的寿命也会大大缩短。因此,单纯使用太阳能进行发电,对于太阳能的利用率并不高[1-4]。

如何使太阳能光伏电池处于一个适合工作的温度环境,充分利用电池的废热,提高太阳能利用率,是一个重要的研究课题。本文提出一种将太阳能余热收集起来对用户进行冷热联供的方案,结合光伏发电系统组成了一套太阳能综合利用系统,以推进太阳能综合利用。

1 聚光型太阳能综合利用系统分析

1.1 聚光型PV/T太阳能综合利用系统

复合抛物面聚光器(CPC)太阳能综合利用系统利用聚光器，将太阳光聚焦在太阳能光伏电池板上,提高电池板单位面积的光照强度而又不会使电池板产生过多的热量,提高了光伏发电的效率,而系统的冷却工质将多余的热量带走加以利用,以充分利用太阳的光能和热能。

CPC太阳能综合利用系统由CPC聚光器、光电系统、换热系统和其他辅助设备组成的。该系统的一个单元PV/T聚光集热器结构如图1所示[5]。

图1 CPC型PV/T单元结构示意图

1.2 太阳能综合利用系统方案

系统冷热电三联供方案如图2所示,引入蓄电池组以及储热水箱作为储能单元。由于本文的研究是基于太阳能的综合利用,方案仅以太阳能为例。为了给用户的供暖更稳定可靠,引入电锅炉,以保证储热水箱

的出水温度。

图2 冷热电三联供方案

图3为复合抛物面聚光器太阳能综合利用系统结构图。供电系统侧含逆变器和储能装置。太阳能光伏电池板发出的电能可以并入主电网或者组网运行,直接向用户供电；供热系统侧含热交换器和温度传感器,可加热储热水箱、供热管网等；溴化锂吸收式制冷机通过输入储热水箱释放的热量制冷[6]。

图3 太阳能综合利用系统结构图

1.3 太阳能综合利用系统的运行概况

CPC型PV/T系统的太阳能光伏电池板在发电的同时对换热工质加热,不但使电池板得到温降，使其工作在稳定、适宜的温度范围内,也为供热系统提供了稳定的热源。在不同的地方或者是不同的季节,用户对于冷、热、电的需求各不相同；就季节来说,一般情况下,夏季阳光充足,而对于供暖的需求较供冷需求更少；冬季阳光较弱,对于电能的供应和供暖远大于供冷。通过调节3个子系统的输入比例,可以使系统得到最合理的利用。

2 系统建模

以某小区(100户)为实例,通常情况下，每户的热负荷为4 kW,小区采用集中联供的方式为各用户供能。由于光伏发电的不稳定性,本方案以供热需求为首要目标。在充分满足用户对供热需求的前提下,将系统转化的电能并网使用。综合光照强度、环境温度、热量损失等变化因素,在留有一定的裕量后,计算集热面积大约是900 m2,以此为依据建立太阳能综合利用系统,并对系统进行建模与仿真。

2.1 光伏发电系统

太阳能光伏电池在实际工作情况下的等效电路如图4所示。图中I表示光伏电池的输出电流,V表示光伏电池的输出电压。

图4 太阳能光伏电池的等效电路

由图4和PN结特性可建立输出电流数学模型[7]

(1)

式中:Io为反向饱和电流；Iph为光生电流；q为电子电荷

(q=1.6×10-19C)；n为常数因子(1≤n≤5)；k为玻尔兹曼常数,k=1.38×10-23J/K;T为电池热力学温度。

对上式进行简化,做以下近似处理并建立工程数学模型[8]:

(1) 开路情况下,I=0、V=Voc；

(2) 在最大功率点,I=Im、V=Vm；

(4) 由于Rs≪Rsh,可以认为Iph=Isc,Isc为短路电流。

式(1)可简化为

(2)

其中:

(3)

(4)

根据以上数学模型,并采用最大功率跟踪(MPPT)控制,建立Simulink的太阳能光伏电池仿真模型(见图5)。

图5 光伏发电simulink仿真模型

2.2 供热系统

2.2.1 CPC型PV/T集热器建模

集热器的性能受制造材料和结构等因素的影响。为方便计算,针对CPC型PV/T集热器，仅建立光照强度与瞬时效率的数学模型，用于后续的系统建模。建立的数学模型如下[9]:

ηGRE=η0GRE-UL×(Ti-Tamd)

(5)

Qu=GRE×η×Ap

(6)

式中:η为太阳能集热器效率；η0为集热器瞬时效率截距,取0.8；UL为热损系数,取1 W/(m2·℃)；GRE为太阳能辐射量,取1 000 W/m2；Qu为太阳能集热器的输出功率；Ap为太阳能集热器面积,m2；Ti为太阳能集热器输出热水温度,℃；Tamd为环境温度,℃；

2.2.2 电储热水箱建模

电储热水箱实际上可以分为2部分,一部分是电加热模块,另一部分是寻常储热模块。电加热模块的功率的计算公式为[10]

QH=PE×ηE

(7)

式中:QH为电加热模块的供热功率,kW；PE为电加热模块的电功率,kW；ηE为电热转化效率,取95%；

水箱在储热的同时也在对用户供暖,其数学模型为

mscω(Ts-Th2)-AsUs(Ts-Ta)

(8)

式中:M为水箱中水的质量,300 kg；Ts为水箱内水的温度,K；As为水箱表面积,m2；Ta为水的常温,K；Us为水箱与空气间的传热系数,取6.5 W/(m2·K)；Tg1为流进水箱的温度,K；T3为流出水箱的温度,取304.15 K；Th2为回水管网的回水温度；K；mc为进口热介质流量；取121 kg/s；ms为热水流出流量,取121 kg/s。

2.2.3 供热管网建模

供热管道在将热水输送至用户侧的时候,由于管道内外的温度差异,会造成一定的热量损失。管网的建模分供水管道和回水管道2部分。为了方便计算,建立简化的数学模型如式(9)、(10)所示[11]。

(9)

(10)

式中:Cs为管网中热水的热容,取16 400 000 J/K；Tg为出水管网的出口温度,K；Kgw为管网传热系数,取11.63 W/(m2·K)；Lgw为管网长度,取80 m；Tsoil为土壤温度,取267.41 K；Th为回水管网的入口温度；K。

2.2.4 低温辐射散热式地热盘管建模

辐射供暖按其散热设备表面的温度分为低温辐射、中温辐射和高温辐射。本文采用低温辐射式的地热盘管。地热盘管敷设于室内地板下面,室内空气通过与地热盘管中热水进行热对流的方式获取热能,从而提升室内的温度。建立的数学模型如式(11)—式(13)所示[12]。

(11)Tpj=Tn+9.82×(qs/1000)0.969

(12)

(13)

式中:Cdr为地热盘管的热容,取Cdr=6.565×10-8J/K；qs为地面的散热量,W/m2；Tpj为地表平均温度,K；Tn为室内温度,K；Rd为地板导热热阻,取0.218 m2·K/W；A为采暖面积,取10 000 m2(假设每户采暖100 m2)。

2.2.5 热用户建模

由于用户的室内温度动态过程受建筑结构、材料等诸多因素影响,为便于研究,对于热用户的建模仅考虑室外的温度变化对室内温度的影响,建立的数学模型如式(14)、(15)所示[13]。

(14)

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

(15)

式中:Cn为室内空气的热容,J/K；Tw为室外温度,K；Ur为室内外的传热系数,W/K。

2.3 供冷系统

供冷系统主要是由溴化锂吸收式制冷机制冷,溴化锂吸收式制冷机可以利用电储热水箱所输入的热能驱动,结构简单、安全可靠。溴化锂吸收式制冷机的制冷性能系数(COP)受诸多因素影响,为了便于计算,取额定工况值0.7,那么输入热功率与制冷功率的数学模型可建立为[14]

Qc=Qh×COP

(16)

式中:Qc为溴化锂吸收式制冷机的制冷功率,kW；Qh为输入制冷机的热功率,kW；COP为溴化锂吸收式制冷机的制冷性能系数,取0.7。

冷热联供系统仿真模型如图6所示。

图6 冷热联供系统仿真模型

3 Simulink仿真结果分析

3.1 MPPT仿真结果分析

图7所示为设定的电池板温度变化曲线,通过仿真验证电池板的发电功率随电池板温度的升高而降低。

图7 太阳能光伏电池板的设定温度变化

本文选取典型的APM72M180W光伏阵列进行仿真,太阳能光伏电池各参数非常易于查询,不一一列出。依据900 m2的集热面积,可建设25×25的光伏阵列。图8所示为光伏电池的输出功率仿真结果。

图8 最大功率跟踪(MPPT)仿真结果

从图8中可以看出,在最大功率跟踪控制下,系统能够快速准确地找到最大功率点,从而提高光伏发电系统的发电效率。在光照充分、环境温度适宜的理想条件下,光伏发电系统的功率可以达到40 kW。通常情况下,普通家庭每日用电量大约为3～5 kW·h,因此,该光伏发电系统的发电量基本能满足该小区住户的用电需求。在冬季光伏发电不足的情况下,需由大电网补充供电。

3.2 供暖系统仿真结果分析

供暖系统主要针对冬季室外温度较低的地区。本文分别进行室外温度为-20℃和-10℃的环境下供暖系统仿真。图9为设定的冬季室外温度变化曲线。

图9 设定室外温度变化曲线

如图10所示为供暖系统对用户供暖的仿真结果。图中分别显示的是电热水箱的供水温度、回水管网的回水温度、经供暖调控之后的室内温度。

图10 供暖系统仿真结果

可以看出,室内温度调控在20 ℃～30 ℃之间,非常适宜居民生活。

图11为供热负荷的仿真图。从图中可以看出对用户的供暖功率略高于热负荷,但是当室外温度发生跃变时,需经过较长的时间系统才能达到稳定状态,这说明了供暖系统是一个大滞后系统。因此，在进行太阳能综合利用系统仿真的时候,在供暖部分和供冷部分都需要一个较大的仿真步长。

图11 供热负荷仿真结果

3.3 制冷系统仿真结果分析

太阳能综合利用系统中的制冷部分采用溴化锂吸收式制冷机,以高温热水为驱动制冷。图12为室外温度40℃时制冷功率仿真图。图12表明:在供冷初始阶段,室内温度尚高,对于供冷需求量大；当室内温度逐渐趋于稳定时,供冷功率亦趋于平稳。

图12 供冷功率仿真结果

4 结语

在太阳能综合利用系统中,太阳能光伏发电系统中采用最大功率跟踪(MPPT)控制,可以使发电系统快速、准确地跟踪到最大功率点,大大提高了发电系统的发电效率；采用CPC型聚光集热器,充分收集利用了太阳能余热；冷热联供系统引入电储热水箱,对用户进行更稳定的供暖和供冷。在上位机中搭建完整的Simulink模型,采用两个不同步长的目标机对其进行实时仿真,实现稳定、可用的冷、热、电联产；实现了太阳能高效率的综合利用。

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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

国家自然科学基金项目(51467003)；贵州大学研究生创新基金项目(研理工2017063)；贵州大学青年教师科研基金项目(自然科学类2012012)

彭雨(1993—),男,四川乐山,硕士研究生,主要研究方向为电力电子与电力传动

E-mail:1075126228@qq.com

E-mail:haozhenghang@163.com

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.031