分布式风能-光能-沼气互补储能的供暖系统应用探索研究

周国峰，胡晓稼，周辰旭，张金航，李满峰

(华北水利水电大学环境与市政工程学院，郑州 450046)

1 研究背景及意义

目前，边防哨所地区由于环境恶劣、位置偏远和资源匮乏，不具备集中供暖条件，因此大部分边防哨所地区仍沿用燃煤锅炉自供暖方式。然而，使用燃煤锅炉供暖存在安全隐患多和对环境污染较大的问题。但是，边防哨所地区普遍具有丰富的风能和光能，如果能将其合理地运用，将会极大程度改善边防哨所地区的能源匮乏问题[1]。

作为可再生能源，风能与光能以其取之不尽、用之不竭、就地可取和分布广泛等优点逐渐受到各国的重视，已经成为新能源领域中开发利用水平高、技术成熟和商业化发展前景的新型能源。然而，风能和光能的发电量受天气的影响较大，风光发电不稳定。为此，需要在这些发电系统中增加相应的储能装置，实现对电能的存储来保证风光发电不足时能正常供应供暖所需要的耗电量[2]。

为解决上述边防哨所供暖存在的问题，本文设计出了一套更加完善的供暖系统来保证边防哨所地区的供暖需求，并对发电问题以及储能问题进行了相关分析，同时对供暖问题进行了相关的创新和整合，提出了“分布式风能-光能-沼气互补储能的供暖系统”的概念。

2 工作原理

通过使用风光互补发电系统向电加热锅炉提供电量和加热供暖系统所需要的热水。同时，利用超级电容器的快速充放电与电容量大的特点在保证供电的稳定性的基础上对电能进行大量储存。边防哨所供暖热用户的回水首先流经沼气池的底部，利用回水的余热来维持沼气池的最佳产气条件，以保证充足的气源。当风光互补发电系统供电量不足时，利用控制系统自动打开燃气锅炉，利用沼气的燃烧持续为边防哨所供暖。经过沼气池后的回水重新输送回锅炉，加热后再次向边防哨所热用户供暖。

3 系统整体设计方案

基于目前的风光互补发电系统，我们设计了该分布式风能-光能-沼气互补储能的供暖系统，其系统流程如图1所示。

图1 系统流程图

太阳能电板模块和风力发电机组向电加热锅炉提供电量，超级电容器对多余电能进行储存。供暖回水流经沼气池底部以维持生物质最佳产气条件。最不利条件下，控制系统自动打开燃气锅炉，利用生物质能为边防哨所供暖。

3.1 风光互补发电模块

北方边防哨所地区存在着充足的风能与光能，因此将风光互补发电模块运用到我们的系统中。经过设计计算，决定采用占地面积为1 000 m3的太阳能电池板模块NE-10000G与三座功率为10 kW的风力发电机组为系统提供电能[3]。

3.2 超级电容器储能模块

超级电容器内部有正极和负极两块极板，当有电压作用在极板上后，正负极板会各自存储不同极性的电荷从而两板之间会有电势差的存在并形成一个电场，在电场的作用下电解液中的离子迅速向两极板靠拢并形成电荷层。目前市面上广泛使用的超级电容器多为活性炭材料，活性炭表面多孔的特征也使得可接触的电极表面积增大，因此相比传统的蓄电池而言超级电容器的容量非常大。超级电容器示意图如图2所示。

图2 超级电容器示意图

由图2可知，当外部电压作用在两极板上并存在电势差时，电解液中的电荷会通过移动在电解液界面形成双电层。相比于电池类产品将能量通过氧化还原反应存储在相应的化学键中，超级电容器的电荷只是暂时停留在活性物质的表面，基于两种存储机制的不同，超级电容器的充放电速度远远快于普通的电池。基于超级电容器的优点，我们决定用它代替传统的蓄电池储能，保证供暖系统的稳定[4]。

3.3 沼气储能模块

沼气储能模块由四个半径为5 m的半球型沼气池组成。在沼气池底部布置回水管道，采用辐射供暖的方式，利用热用户回水的余热来保证沼气池内部的受热均匀，使其内部温度维持在30～35 ℃，保证充足的气源。在风光发电量不足时，利用沼气的燃烧来保证边防哨所热用户的供暖需求。

3.4 自动控制模块

在电加热锅炉不能维持供暖系统所需的供水温度时，需要立即启动燃气锅炉，保证供暖系统的稳定运行。由于人工操作存在一定的滞后性，我们设计了自动控制模块来启动或关闭燃气锅炉，自动控制模块如图3所示。

图3 自动控制模块

在电加热锅炉出口的供水管设置温度感受器，当供水温度低于设计要求时，通过自动控制模块启动燃气锅炉来维持供水温度。当温度低于设定值时，迅速将信号传输给PCL控制系统的信号接受器，然后信号接受器将信号传输给信号处理器，指令控制器将根据信号处理器的处理结果，向电动控制阀发送开启指令，电动控制阀将打开，启动燃气锅炉维持正常的供水温度[5]。

4 理论设计计算

以东极边防哨所为例[6]。

4.1 供暖热负荷计算

东极哨所各气象参数见表1，各围护结构及其传热系数见表2。

表1 东极哨所各气象参数

表2 各围护结构及其传热系数

通过表1和表2的相关参数，由公式：

Q=K×A×△T

(1)

式(1)中，Q为围护结构的基本耗热量，W；K为围护结构的传热系数，W/(m2·℃)；A为围护结构的面积，m2，△T为温度差，℃。

求出各围护结构基本耗热量，考虑实际情况需要对热负荷进行修正。

4.1.1 围护结构附加耗热量Q1

(1)朝向修正率：南向取为-20%。

(2)风力附加率：取外围护结构热负荷附加5%～10%。

(3)外门附加率：公共建筑或生产厂房的主要出入口取附加率为500%。

(4)高度附加率：查规定：当民用建筑和工业企业辅助建筑的房间净高超过4 m时，每增加1 m附加率为2%，但最大附加率不超过15%。

4.1.2 门窗缝隙渗透入冷空气的耗热量Q2

门窗缝隙渗透入冷空气的耗热量

Q2=0.027 8×L×ρaocp(tR-to·h)

(2)

总负荷Q=Q′+Q1+Q2

(3)

式(2)和式(3)中，Q为总负荷，W；Q′为基本耗热量，W；Q1为加热门窗冷风渗透耗热量，W；Q2为加热外门冷风侵入耗热量，W；L为渗透冷空气量，m3/h；可按《规范》附录F.0.2给出的公式计算；ρao为供暖室外计算温度下的空气密度，kg/m3；cp为空气定压比热，cp=1 kJ/(kg·℃)；tR为室外计算温度，℃；to·h为供暖室外计算温度，℃。

由公式(2)求得门窗缝隙渗透入冷空气的耗热量。将基本耗热量、修正后的耗热量和附加耗热量相加得到整栋建筑物的热负荷Q为52 729 W。

4.2 风光系统供电量计算

以该热负荷为基础，设计边防哨所的供热负荷为60 kW。查得电加热锅炉转换效率η1为90%，得到风光发电系统对电加热锅炉提供的电能为：

(4)

将该电功率乘以1.1得到一定的富余量，得到风光互补发电系统应提供的电能为：

Q4=k×Q3

(5)

式(4)和(5)中，k为富裕系数，取k为1.1；Qh为热负荷，kW；Q3为电加热锅炉需要的电能，kW；Q4为设计风光互补发电系统需要提供的电能，kW；η1为电加热锅炉转换效率，取η1为90%。

由上式得到所需电功率为73.7 kW，取为75 kW，分别由风光系统两者承担。

4.2.1 太阳能和风能发电系统规格确定

将75 kW的功率按3∶2进行分配，使得风力发电和光能发电分别承担的发电功率为45 kW和30 kW。

查得东极边防哨所全年平均的风能功率密度为200～300 W/m2，取风能功率密度q1为240 W/m2。

有效发电功率密度：

q2=q1×η2=120 W/m2

(6)

风力发电机有效发电面积：

(7)

A2=π×R2

(8)

A1=n×A2

(9)

式(6)～(9)中，q1为东极边防哨所地区风能密度，取q1=240 W/m2；q2为有效发电功率密度，W/m2；Q5为风能承担的发电功率，取Q5=45 kW；η2为风电转换效率，取η2为50%；A1为风力发电机有效发电面积，m2；A2为单个风力发电机有效发电面积，m2；R为风力发电机的扇叶半径，m；n为风力发电机组的组数，组。

初步选定三个风力发电机提供电量，则由计算得到所选取的风力发电机的扇叶R≈6.4 m。

查得东极边防哨所地区全年平均太阳辐射功率密度在130～158 W/m2之间，取太阳辐射功率密度q3为150 kW/m2，取光电转换效率η3为25%，则：

有效发电功率密度：

q4=q3×η3=37.5 kW/m2

(10)

太阳能发电板面积 ：

A3=Q6/q4=800m2

(11)

式(10)和(11)中，q3为太阳辐射功率密度，取q3为150 kW/m2；q4为有效发电功率密度，W/m2；η3为光电转换效率，取η3为25%；Q6为太阳能发电系统供给电量，取Q6为30 kW；A3为太阳能发电板面积，m2。

计算得太阳能发电板所需面积为800 m2。为了避免在实际操作中出现供给不足的状况，需要留取一定的富裕度，因此我们确定太阳能板的面积为1 000 m2。

4.2.2 超级电容器储能组数的确定

选取直流电压为Uc为187 MJ，储能量S为3.8 MJ，额定功率P为10 kW的超级电容器。设计在最不利天气下，风光系统停止工作，白天的14 h供暖时间内电加热锅炉所需的耗电量全由超级电容储能器提供，耗电量计算如下：

白天14 h所需电量总值为

Q7=t·Qh·η1=3 600 MJ

(12)

式(12)中，t为最不利条件下所需电量的时长，取t为50 400 s；Qh为边防哨所的供热负荷，取Qh为60 kW；η1电为加热锅炉转换效率，取η1为90%；Q7为最不利条件下所需电量。

由于单个电容器组所能储存的电量S为3.8 MJ，因此所需的电容器组数N的值为：

(13)

式(13)中，Q7为超级电容器的储电量；N为超级电容器的组数。

4.3 沼气所需量等数据相关计算

沼气易制易得，热值大，环境污染小，因此我们选择沼气进行供暖。沼气在整个系统中作为辅助设备与风光发电系统和超级电容储能装置相互配合。当风光互补发电量不足时启动燃气锅炉来保证边防哨所的供暖需求。

4.3.1 沼气需求量计算

以最不利状况为例，按夜晚10 h的供热量全由沼气的燃烧提供。假设半球体沼气池的数量为4个，由于供暖热负荷为60 kW，因此每个沼气池所承担的热负荷Q8为15 kW。查得燃气锅炉的效率为η4为90%，则：

每个沼气池产生的沼气燃烧所提供的热负荷

Q9=Q8/η4=16.66 kW

(14)

每个沼气池需要产生的沼气量

V=V1×t=24 m3

(15)

式(14)和(15)中，Q8为单个沼气池所承担的热负荷，kW；Q9为单个沼气池产生沼气燃烧所提供的热负荷，kW；V1为单个沼气池每秒需要供给的沼气量，取V1为0.000 666 67 m3。

4.3.2 沼气池尺寸的计算

每立方米沼气池地窖可以产出0.15 m3的沼气，则所需的沼气池的体积为：

V总=V/0.15=160 m3

(16)

(17)

V总=V设

(18)

式(16)～(18)中，V为每天需要的沼气量，m3；V总为所需的沼气池的体积，m3；V设为设计建筑的沼气池的体积，m3；R为设计建造的沼气池的半径，m。

4.4 系统经济性分析

风光发电系统总发电功率为75 kW，因此工作一天供电量w=75 kW×24 h=1 800 kW·h，目前居民的用电价格为0.58元/(kW·h)。假定每年供暖期为8个月(每月按30 d计算)，则每年可节省电费开支为0.58元/(kW·h)×240 d×1 800 kW·h=250 560元。

同时如果使用该系统的供热设备作为取代当地供暖的燃煤锅炉，经计算可一年大致可节省91 300 t的燃煤量，总体分析后该系统既经济又环保。系统投资预算表见表3。

5 结语

基于北方边防哨所供暖问题，以东极哨所为例，提出了一种“分布式风能-光能-沼气互补储能供暖系统”来保证冬季的供暖需求。根据当地气象参数和供暖需求量，综合分析该系统具有经济、环保等优点，主要结论如下：

表3 系统投资预算表

(1)新分布式风能-光能-沼气互补储能的供暖系统运用了自动控制装置，实现了燃气锅炉的自动切换。

(2)采用超级电容器实现了对电能的大量储存，并保证了电网内的稳定；充分利用余热，依靠回水的余热使沼气池内部保持在最佳产气条件。

(3)因地制宜，根据边防哨所特殊的地理、环境因素设计出了一套清洁、环保可靠的供暖系统。

该系统对于边海防哨所地区、集中供暖未覆盖以及新建工业园区等地区的供暖具有很大的应用价值，这些地区缺少能源的供给，很难保证正常的供暖需求。我们所设计的系统能够很好的解决这些问题，具有广阔的推广应用前景。