家用智能可再生能源热电联产系统性能实验研究

牛海霞　董正茂　樊志勇

摘 要：按照家用智能可再生能源热电联产系统优化设计方案，结合牧区居民环境和用热及用电调研结果，分析市场供热、供电设备性能和价格，选择一套适合牧区家用可再生能源热电联产设备，经安装调试后，进行了系统测试研究。研究结果表明：当光功率预测值700W/m2时，产热设备将生产多余热量，此时可集中安排生活及生产用热;当风功率预测值大于5米/秒、2台风力发电机组工作或当风功率预测值大于7米/秒、1台风力发电机组工作，将生产多余电量，此时可集中安排生活及生产用电。

关键词：可再生能源;智能控制;热电联产;性能实验

中图分类号：TB 文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.10.079

内蒙古牧区人民居住不集中，无法实现集中供热、供电，而牧民生活、生产又急需热和电，为解决这一矛盾，优化设计了一套家用智能可再生能源热电联产系统。利用牧区天然的风光可再生能源来解决牧民供热、供电问题，既不破坏草原生态，又不对草原造成污染。经过深入研究，利用智能可再生能源热电联产系统中的风、光功率预测设备，能指引牧民正确用热和用电，具体系统设备选型及性能实验如下。

1 太阳能供热系统设备选型

内蒙古牧区太阳能资源丰富，平均日太阳总辐射量在14.8 MJ/m2-16.1MJ/m2之间，日照时数在5.5-9.5小时之间。本供热系统，利用槽式集热器，吸收太阳辐射能，转化为传热工质熔盐的热能，经加热的熔盐通过热交换器把热量传递给供热水箱，当供热水箱到达设置温度后，就不需要继续加热，加热熔盐多余的热量就存储在蓄热罐中，以便槽式集热器停止运行后，从蓄热罐中释放热能，继续加热供热水箱。

1.1 太阳能供热系统设备选型依据

经调查，内蒙古牧区牧民用热主要包括生活日用热水、冬季住房取暖、冬季牲畜产房、冬季食物储存及冰水融化，所以冬季是牧民用热高峰，考虑到牧区冬季漫长，用热高峰持续时间较长，本次产热设备选型，以冬季日平均用热量进行估算。

内蒙古牧区冬季日照时数在5.5-7.5小时之间，为减少蓄热量，降低蓄热设备造价，将牧民用热高峰集中安排在白天产热高峰期间进行，蓄热设备主要考虑非产热时间段内，住房取暖和生产用房温度维持。

1.2 太阳能供热系统设备型号

结合目前市场供热设备产品，考虑维修简单方便性，综合衡量设备性价比，本次供热主设备选型如下：

（1）集热器：槽式太陽能集热器。

（2）蓄热罐：圆柱形熔盐蓄热罐。

（3）循环泵：熔盐泵。

（4）热交换器：涡流热摸换热器。

（5）传热工质：熔盐。

2 风能供电系统设备选型

内蒙古牧区风能资源丰富，100米高度年平均风速在4米/秒—9米/秒之间。本供电系统，利用风力发电机原理，把风能转化为电能，此时电能质量较差，经整流和逆变后方可使用。为向牧民提供可靠电源，利用储能设备把大风期间，多余电能储存起来，以备弱风期间使用。

2.1 风能供电系统设备选型依据

经调查，内蒙古牧民用电设备主要包括家用电器设备（如：照明、电视、冰箱及洗衣机等）、生活水泵、电动铡刀及水箱辅助加热器等，本次发电设备选型，即参考上述电器设备极大负荷，又参照全天用电量。考虑到风力大小的不稳定性，本供电系统配置了一套蓄能设备，在风大时，把多余电能存储起来，以便弱风时，风力发电机出力不够，蓄能设备向系统供电，保障牧民持续用电。

2.2 风能供电系统设备型号

结合目前市场供电设备产品，考虑维修简单方便性，综合衡量设备性价比，本次供电主设备选型如下：

（1）发电设备：2台500W风力发电机组。

（2）储能设备：500Ah铅酸蓄电池。

（3）整流设备：2台10A整流器。

（4）逆变设备：1000W逆变器。

（5）自控设备：一套自动控制柜。

3 可再生能源热电联产系统性能实验

本套可再生能源热电联产系统主要包括供热系统、供电系统及智能控制系统。采用了智能控制，热能、电能的供应都是自动化实现，无需牧民人工参与，整体设备维修简单，系统设计图如图1所示。

3.1 可再生能源热电联产系统产热曲线

为了避免因传热工质温度不同对产热效率的影响，本次测试使用传热工质温度保持室温下进行，不同太阳辐照度下，产热设备功率曲线如图2。

依据实验结果，当光功率预测值大于700W/m2时，产热设备将生产多余热量，此时可集中安排生活及生产用热。

3.2 可再生能源热电联产系统发电曲线

为了保障安全可靠用电，本次设备选型时，选用了2台500W风力发电机组，当1台有故障时，另外一台风力发电机组可满足牧民日常家庭设备用电，每台风力发电机组功率曲线如图3。

依据实验结果，当风功率预测值大于5米/秒、2台风力发电机组工作或当风功率预测值大于7米/秒、1台风力发电机组工作时，将生产多余电量，此时可集中安排生活及生产用电。

4 结论

本研究提出了一种可再生能源热电联产系统，为内蒙古牧区人民用热、用电提供了一种解决方案，并利用风光预测系统，正确指引牧民用热、用电，具体实验结果如下：

（1）根据牧民用热设备，已计算出牧民常用热量负荷，当光功率预测值大于700W/m2时，产热设备将生产多余热量，此时可集中安排生活及生产用热。

（2）根据牧民使用电器设备，已计算出牧民常用电器设备负荷，当风功率预测值大于5米/秒、2台风力发电机组工作时或当风功率预测值大于7米/秒、1台风力发电机组工作，将生产多余电量，此时可集中安排生活及生产用电。

参考文献

[1]张远巍，郭枭.新型太阳能光伏光热一体化系统性能实验研究[J].可再生能源，2018，36（10）.

[2]闫勃东.光热电站蒸汽发生系统设计[J].技术与市场，2017，24（6）.

[3]仇韬，许粲羚.塔式太阳能光热电站控制系统研究[J].南方能源建设，2020，（7）.

基金项目：内蒙古机电职业技术学院科学研究项目“北方地区草原上智能光热供热系统的研究”（NJDZR1911）。

作者简介：牛海霞（1984-），女，硕士研究生，副教授，研究方向：机械电子工程。