近海岛屿建筑风光混合供能系统可行性研究

杨晨辉 邢琳

西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院

0 引言

近年来，我国建筑能耗在社会总能耗的比例占到约28%[1]。其中HVAC 系统的能耗占建筑总能耗的近一半，在发达国家甚至更高[2]。我国岛屿众多，岛屿建筑用能问题成为阻碍其发展的重要因素之一。目前海岛供电方式主要有两种：一种是通过海底电缆输送电力，另一种是依靠柴油发电机形成独立微电网。前一种模式投资大、运行困难。后者不仅破坏了岛屿的生态环境，而且柴油运输和储存增加了的额外成本[3]。合理开发利用岛屿附近风光可再生资源是解决该区域建筑用能的重要举措之一。

很多学者对不同地区风光混合系统的可行性进行了研究。Nayar C 等[4]针对马尔代夫共和国偏远岛屿的电力需求设计了一种风光混合动力系统。S.M.Shaahid 等[5]研究了印度某地风光混合系统用于家庭负荷的可行性，并做了技术和经济评价。我国夏热冬暖地区岛屿分布众多，该地区全年均有空调负荷需求，本文以该区域某岛屿建筑为例，提出风光柴蓄混合系统，并与传统柴油发电系统及另外两种系统形式进行比较分析，以寻求技术经济性较好的系统形式。

1 系统方案及工作原理

海岛地区用能困难，随着化石能源的紧缺和海岛地区的快速发展，利用传统的柴油发电机组进行供电已难以满足要求且成本较高，环境危害较大。本文将传统的柴油发电系统作为对比方案1，风光混合无蓄能系统作为对比方案2，光蓄柴系统作为对比方案3。

本文提出了一种考虑蓄电池寿命的风光柴蓄混合供能系统为建筑供能，作为方案 4，系统结构示意图如图1 所示。该系统的工作原理为利用发电装置将风光资源转化为电能，用于用户日常空调负荷，当发电过剩时，为蓄电池充电。当发电不足时，首先蓄电池进行放电，若到达放电下限仍不满足要求，则柴油机追踪剩余负荷。

图1 风光柴蓄混合系统结构示意图

2 模型建立

2.1 DeST 模拟建筑能耗

2.1.1 DeST 模型建立

利用DeST 软件模拟了夏热冬暖地区某近海城市某旅馆的年冷负荷和年热负荷，并计算了该旅馆的负荷用电需求，用来近似替代所在区域沿海岛屿的建筑能耗。该旅馆建筑面积约为 3000 m2，屋面可铺设光伏板总面积约1200 m2，由于土地稀缺，附近最多仅允许安装一台50 kW 的风力发电机，该旅馆的建筑模型如图2 所示。

图2 建筑模型图

2.1.2 DeST 模拟结果及分析

利用DeST 模拟计算，可得出该处建筑全年逐时负荷，如图3 所示。该地属于夏热冬暖地区，昼夜温差小，四季气温变化幅度低，全年主要负荷类型为空调冷负荷，且 5～9 月份冷负荷需求相对较高，最大冷负荷需求为375 kW。

图3 全年逐时负荷

2.2 风光发电模型

2.2.1 风光数据来源

风速来自美国国家航空航天局距地 50 m 高的风速。太阳能数据来自美国国家可再生能源实验室太阳辐射数据库。

通过典型城市近海区域的数据提取，对其近海区域的有效风能密度和太阳年平均辐射进行计算，年均有效风能密度 171.15 W/m2，太阳全年日均辐射量4.31 kW/m2/ day，如图4 所示。根据我国对于太阳能和风能的资源区域划分标准，该地属于风能与太阳能资源均处于定义的较丰富区，开发潜力较大。全年太阳辐射强度呈现4～9 月份较强，10 月份至来年3 月份相对较低的特点。风力资源全年较为平稳和丰富，在夜间无太阳时主要依靠风力发电，可作为补充电源。

图4 太阳能、风能月能量密度分布图

2.2.2 风力发电模型

风力发电机在特定位置的输出功率取决于轮毂安装高度的风速和特定风力发电机的输出特性。特定轮毂高度的风速为[6]：

其中，V0是测量高度或参考高度的风速；V是新高度下的新风速；H1和H2分别是测量高度和新高度；a是摩擦指数，受地面平整程度粗糙度、大气等因素影响，其值通常取值在 1/7 到 1/4 之间，开阔、平坦、稳定度高的地区通常取1/7。

本文将通过功率风速计算法计算风机输出功率，风力发电机的每小时输出功率为[7]：

其中，Vci，Vr，Vco分别为风机的启动风速、额定风速和切出风速，PR是风机额定功率，a=PR/ (V r3-V ci3)，b=V ci3/ (V r3-V ci3) 。本文采用的风力发电机参数表如表 1所示。根据式 2 和表 1 参数在 MATLAB/Simulink 中搭建风力发电输出功率的仿真模型，如图5 所示。

表1 风力发电机参数表

图5 风力发电机仿真模型

2.2.3 光伏发电模型

为了提高光伏发电数学模型的实用性，在保证工程精度的前提下，本文采用便于计算的光伏发电效率模型，其光伏板发电功率为[7]：

式中，η0为太阳能光电系统效率，A为太阳能光伏阵列总面积，I T,t为瞬时辐射照度。光伏组件参数表如表 2所示。

表2 光伏组件参数表

本文采用带有最大功率点跟踪（MPPT）调节功能的光伏组件，即光伏发电的最终输出功率不大于最大可输出功率，如式（4）所示：

2.2.4 蓄电池模型

本文采用蓄电池作为短时间进行峰谷调节的储能系统，其使用策略对系统产生直接影响。工作过程中，蓄电池t时刻的SOC 值需保持在一定范围内，如式（5）所示。

蓄电池的实际使用寿命与蓄电池的充放电循环周期大小及放电深度有关。蓄电池的寿命是蓄电池充放电周期内充放电深度的函数[8]，蓄电池充放电循环次数与放电深度的关系曲线如图6 所示。

图6 蓄电池循环次数放电深度关系曲线

两者关可以表示为 [8]：

式中：N为放电深度为D N时的等效循环次数；a1、a2、a3、a4和a5分别为相关系数。为提高蓄电池寿命，降低系统成本，本文考虑蓄电池SOCmin=0.3、S OCmax=0.9。

3 评价指标与方法

技术经济评价指标是衡量微电网性能的重要尺度，是否合理准确地选取评价指标会影响到对系统方案的判断[9]。评价指标主要分为经济性指标，可靠性指标和环保性指标。本节通过对不同系统形式的三个指标的对比，来评价系统的可行性。

3.1 经济性

可使用总净现成本(NPC)来表示系统全寿命周期成本。CNPC是将系统全寿命周期内产生的各成本值折算到初始年进行统计，包括初始投资成本、运维成本、置换成本、燃料成本、残值和污染排放罚金等。其中，污染物排放量被转化为污染排放罚金的方式一并计算在全寿命周期成本中。

式中：Cin是初始投资成本；Com是运行成本净现值；Cre是置换成本净现值；Cf lue是总燃料成本净现值；Csalvage是总残值净现值；Cp ollution是总污染排放罚金净现值。

不同工程寿命周期存在差异，采用等年值成本分析相较于总净现成本更妥当。

式中：Cann是等年值成本；i是年利率（折现率），本文取0.05；Rproj是工程寿命；CRF是资金恢复因数，计算具体如下式：

式中：N为系统生存年限。

系统主要组成及成本如表3 所示。

表3 系统主要组成及成本

3.2 可靠性

由于某种原因电力负荷需求无法得到满足时，一般用负荷缺电率LPSP来衡量这种状态的程度。本文考虑当柴油运输受阻或岛上存量不足时的LPSP值。

式中：PL(t)是t时刻的负荷功率；PD G(t)是t时刻除柴油发电机之外的总输出功率值。

3.3 环保性

本文以污染气体排放量和污染物排放治理费用为环保性的技术评价指标。化石燃料的消耗会产生CO2、S O2、N Ox等大气污染物。污染气体总排放量用Mp ol表示。

式中：n代表有害气体种类，Pd g代表柴油机发电量，φn代表有害气体排放系数。表4 为柴油发电机主要排放有害气体的排放系数与治理费用系数。

表4 柴油机排放治理费用

4 结果分析与讨论

在Matlab 平台上进行了系统仿真，计算出全年逐时风光发电量（图 7），与空调电力负荷进行对比发现，全年逐月光伏发电量与负荷需求趋势基本一致，5～9月份稍有不足，且夜间光伏发电无法使用，风力发电恰好可以对这部分空缺进行补充。

图7 逐月风光发电量与电力负荷需求

将不同系统方案的结果对比（表 5、图 8），蓄电池的使用让系统的等年值成本分别降低了 51.21%和57.86%，风光混合系统相对于光伏系统等年值成本降低了13.63%，使用可再生能源系统的全年污染物排放量分别降低了57.10%、81.31%、89.11%。

图8 不同系统方案对比

表5 不同系统方案结果比较

在经济性方面，风光柴蓄混合系统有着明显优势，等年值成本占柴油发电系统不足一半。岛屿无柴油情况下缺电率风光柴蓄混合供能系统最低，为10.31%。全年污染物排放量最低，为33.41t。风光柴蓄混合供能系统方案无论在各方面指标均优于其它几种系统方案，技术经济可行性高，在降低发电成本和减少环境污染的同时，可满足岛屿建筑空调负荷需求。

5 结论

本文利用DeST 模拟了夏热冬暖地区某海岛建筑的建筑负荷需求，对该区域的风光资源进行判断，对四种供能系统方案进行技术经济性对比，结论如下：

1）夏热冬暖地区岛屿建筑负荷太阳能风能资源较为丰富，年均有效风能密度达 171 W/m 2，太阳全年日均辐射量达 4.31 kW/m 2/day，均属于我国定义的资源较丰富区，开发潜力巨大。

2）本文对四种不同的系统方案进行技术经济性对比，提出的考虑蓄电池寿命特性的风光柴蓄混合系统的等年值成本最低。在岛屿无柴油情况下负荷缺电率最低，仅为 10.31%，全年污染物排放量最低，仅33.41t。风光柴蓄混合供能系统方案无论在各方面指标均优于其它几种系统方案，技术经济可行性高。