周國峰，胡曉稼，周辰旭，張金航，李滿峰

(華北水利水電大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，鄭州 450046)

1 研究背景及意義

目前，邊防哨所地區(qū)由于環(huán)境惡劣、位置偏遠(yuǎn)和資源匱乏，不具備集中供暖條件，因此大部分邊防哨所地區(qū)仍沿用燃煤鍋爐自供暖方式。然而，使用燃煤鍋爐供暖存在安全隱患多和對環(huán)境污染較大的問題。但是，邊防哨所地區(qū)普遍具有豐富的風(fēng)能和光能，如果能將其合理地運用，將會極大程度改善邊防哨所地區(qū)的能源匱乏問題[1]。

作為可再生能源，風(fēng)能與光能以其取之不盡、用之不竭、就地可取和分布廣泛等優(yōu)點逐漸受到各國的重視，已經(jīng)成為新能源領(lǐng)域中開發(fā)利用水平高、技術(shù)成熟和商業(yè)化發(fā)展前景的新型能源。然而，風(fēng)能和光能的發(fā)電量受天氣的影響較大，風(fēng)光發(fā)電不穩(wěn)定。為此，需要在這些發(fā)電系統(tǒng)中增加相應(yīng)的儲能裝置，實現(xiàn)對電能的存儲來保證風(fēng)光發(fā)電不足時能正常供應(yīng)供暖所需要的耗電量[2]。

為解決上述邊防哨所供暖存在的問題，本文設(shè)計出了一套更加完善的供暖系統(tǒng)來保證邊防哨所地區(qū)的供暖需求，并對發(fā)電問題以及儲能問題進(jìn)行了相關(guān)分析，同時對供暖問題進(jìn)行了相關(guān)的創(chuàng)新和整合，提出了“分布式風(fēng)能-光能-沼氣互補(bǔ)儲能的供暖系統(tǒng)”的概念。

2 工作原理

通過使用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)向電加熱鍋爐提供電量和加熱供暖系統(tǒng)所需要的熱水。同時，利用超級電容器的快速充放電與電容量大的特點在保證供電的穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上對電能進(jìn)行大量儲存。邊防哨所供暖熱用戶的回水首先流經(jīng)沼氣池的底部，利用回水的余熱來維持沼氣池的最佳產(chǎn)氣條件，以保證充足的氣源。當(dāng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)供電量不足時，利用控制系統(tǒng)自動打開燃?xì)忮仩t，利用沼氣的燃燒持續(xù)為邊防哨所供暖。經(jīng)過沼氣池后的回水重新輸送回鍋爐，加熱后再次向邊防哨所熱用戶供暖。

3 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

基于目前的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，我們設(shè)計了該分布式風(fēng)能-光能-沼氣互補(bǔ)儲能的供暖系統(tǒng)，其系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖

太陽能電板模塊和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向電加熱鍋爐提供電量，超級電容器對多余電能進(jìn)行儲存。供暖回水流經(jīng)沼氣池底部以維持生物質(zhì)最佳產(chǎn)氣條件。最不利條件下，控制系統(tǒng)自動打開燃?xì)忮仩t，利用生物質(zhì)能為邊防哨所供暖。

3.1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電模塊

北方邊防哨所地區(qū)存在著充足的風(fēng)能與光能，因此將風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電模塊運用到我們的系統(tǒng)中。經(jīng)過設(shè)計計算，決定采用占地面積為1 000 m3的太陽能電池板模塊NE-10000G與三座功率為10 kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為系統(tǒng)提供電能[3]。

3.2 超級電容器儲能模塊

超級電容器內(nèi)部有正極和負(fù)極兩塊極板，當(dāng)有電壓作用在極板上后，正負(fù)極板會各自存儲不同極性的電荷從而兩板之間會有電勢差的存在并形成一個電場，在電場的作用下電解液中的離子迅速向兩極板靠攏并形成電荷層。目前市面上廣泛使用的超級電容器多為活性炭材料，活性炭表面多孔的特征也使得可接觸的電極表面積增大，因此相比傳統(tǒng)的蓄電池而言超級電容器的容量非常大。超級電容器示意圖如圖2所示。

圖2 超級電容器示意圖

由圖2可知，當(dāng)外部電壓作用在兩極板上并存在電勢差時，電解液中的電荷會通過移動在電解液界面形成雙電層。相比于電池類產(chǎn)品將能量通過氧化還原反應(yīng)存儲在相應(yīng)的化學(xué)鍵中，超級電容器的電荷只是暫時停留在活性物質(zhì)的表面，基于兩種存儲機(jī)制的不同，超級電容器的充放電速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于普通的電池。基于超級電容器的優(yōu)點，我們決定用它代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蓄電池儲能，保證供暖系統(tǒng)的穩(wěn)定[4]。

3.3 沼氣儲能模塊

沼氣儲能模塊由四個半徑為5 m的半球型沼氣池組成。在沼氣池底部布置回水管道，采用輻射供暖的方式，利用熱用戶回水的余熱來保證沼氣池內(nèi)部的受熱均勻，使其內(nèi)部溫度維持在30～35 ℃，保證充足的氣源。在風(fēng)光發(fā)電量不足時，利用沼氣的燃燒來保證邊防哨所熱用戶的供暖需求。

3.4 自動控制模塊

在電加熱鍋爐不能維持供暖系統(tǒng)所需的供水溫度時，需要立即啟動燃?xì)忮仩t，保證供暖系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。由于人工操作存在一定的滯后性，我們設(shè)計了自動控制模塊來啟動或關(guān)閉燃?xì)忮仩t，自動控制模塊如圖3所示。

圖3 自動控制模塊

在電加熱鍋爐出口的供水管設(shè)置溫度感受器，當(dāng)供水溫度低于設(shè)計要求時，通過自動控制模塊啟動燃?xì)忮仩t來維持供水溫度。當(dāng)溫度低于設(shè)定值時，迅速將信號傳輸給PCL控制系統(tǒng)的信號接受器，然后信號接受器將信號傳輸給信號處理器，指令控制器將根據(jù)信號處理器的處理結(jié)果，向電動控制閥發(fā)送開啟指令，電動控制閥將打開，啟動燃?xì)忮仩t維持正常的供水溫度[5]。

4 理論設(shè)計計算

以東極邊防哨所為例[6]。

4.1 供暖熱負(fù)荷計算

東極哨所各氣象參數(shù)見表1，各圍護(hù)結(jié)構(gòu)及其傳熱系數(shù)見表2。

表1 東極哨所各氣象參數(shù)

表2 各圍護(hù)結(jié)構(gòu)及其傳熱系數(shù)

通過表1和表2的相關(guān)參數(shù)，由公式：

Q=K×A×△T

(1)

式(1)中，Q為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基本耗熱量，W；K為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；A為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積，m2，△T為溫度差，℃。

求出各圍護(hù)結(jié)構(gòu)基本耗熱量，考慮實際情況需要對熱負(fù)荷進(jìn)行修正。

4.1.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)附加耗熱量Q1

(1)朝向修正率：南向取為-20%。

(2)風(fēng)力附加率：取外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷附加5%～10%。

(3)外門附加率：公共建筑或生產(chǎn)廠房的主要出入口取附加率為500%。

(4)高度附加率：查規(guī)定：當(dāng)民用建筑和工業(yè)企業(yè)輔助建筑的房間凈高超過4 m時，每增加1 m附加率為2%，但最大附加率不超過15%。

4.1.2 門窗縫隙滲透入冷空氣的耗熱量Q2

門窗縫隙滲透入冷空氣的耗熱量

Q2=0.027 8×L×ρa(bǔ)ocp(tR-to·h)

(2)

總負(fù)荷Q=Q′+Q1+Q2

(3)

式(2)和式(3)中，Q為總負(fù)荷，W；Q′為基本耗熱量，W；Q1為加熱門窗冷風(fēng)滲透耗熱量，W；Q2為加熱外門冷風(fēng)侵入耗熱量，W；L為滲透冷空氣量，m3/h；可按《規(guī)范》附錄F.0.2給出的公式計算；ρa(bǔ)o為供暖室外計算溫度下的空氣密度，kg/m3；cp為空氣定壓比熱，cp=1 kJ/(kg·℃)；tR為室外計算溫度，℃；to·h為供暖室外計算溫度，℃。

由公式(2)求得門窗縫隙滲透入冷空氣的耗熱量。將基本耗熱量、修正后的耗熱量和附加耗熱量相加得到整棟建筑物的熱負(fù)荷Q為52 729 W。

4.2 風(fēng)光系統(tǒng)供電量計算

以該熱負(fù)荷為基礎(chǔ)，設(shè)計邊防哨所的供熱負(fù)荷為60 kW。查得電加熱鍋爐轉(zhuǎn)換效率η1為90%，得到風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)對電加熱鍋爐提供的電能為：

(4)

將該電功率乘以1.1得到一定的富余量，得到風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)提供的電能為：

Q4=k×Q3

(5)

式(4)和(5)中，k為富裕系數(shù)，取k為1.1；Qh為熱負(fù)荷，kW；Q3為電加熱鍋爐需要的電能，kW；Q4為設(shè)計風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)需要提供的電能，kW；η1為電加熱鍋爐轉(zhuǎn)換效率，取η1為90%。

由上式得到所需電功率為73.7 kW，取為75 kW，分別由風(fēng)光系統(tǒng)兩者承擔(dān)。

4.2.1 太陽能和風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)規(guī)格確定

將75 kW的功率按3∶2進(jìn)行分配，使得風(fēng)力發(fā)電和光能發(fā)電分別承擔(dān)的發(fā)電功率為45 kW和30 kW。

查得東極邊防哨所全年平均的風(fēng)能功率密度為200～300 W/m2，取風(fēng)能功率密度q1為240 W/m2。

有效發(fā)電功率密度：

q2=q1×η2=120 W/m2

(6)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)有效發(fā)電面積：

(7)

A2=π×R2

(8)

A1=n×A2

(9)

式(6)～(9)中，q1為東極邊防哨所地區(qū)風(fēng)能密度，取q1=240 W/m2；q2為有效發(fā)電功率密度，W/m2；Q5為風(fēng)能承擔(dān)的發(fā)電功率，取Q5=45 kW；η2為風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率，取η2為50%；A1為風(fēng)力發(fā)電機(jī)有效發(fā)電面積，m2；A2為單個風(fēng)力發(fā)電機(jī)有效發(fā)電面積，m2；R為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的扇葉半徑，m；n為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的組數(shù)，組。

初步選定三個風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供電量，則由計算得到所選取的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的扇葉R≈6.4 m。

查得東極邊防哨所地區(qū)全年平均太陽輻射功率密度在130～158 W/m2之間，取太陽輻射功率密度q3為150 kW/m2，取光電轉(zhuǎn)換效率η3為25%，則：

有效發(fā)電功率密度：

q4=q3×η3=37.5 kW/m2

(10)

太陽能發(fā)電板面積 ：

A3=Q6/q4=800m2

(11)

式(10)和(11)中，q3為太陽輻射功率密度，取q3為150 kW/m2；q4為有效發(fā)電功率密度，W/m2；η3為光電轉(zhuǎn)換效率，取η3為25%；Q6為太陽能發(fā)電系統(tǒng)供給電量，取Q6為30 kW；A3為太陽能發(fā)電板面積，m2。

計算得太陽能發(fā)電板所需面積為800 m2。為了避免在實際操作中出現(xiàn)供給不足的狀況，需要留取一定的富裕度，因此我們確定太陽能板的面積為1 000 m2。

4.2.2 超級電容器儲能組數(shù)的確定

選取直流電壓為Uc為187 MJ，儲能量S為3.8 MJ，額定功率P為10 kW的超級電容器。設(shè)計在最不利天氣下，風(fēng)光系統(tǒng)停止工作，白天的14 h供暖時間內(nèi)電加熱鍋爐所需的耗電量全由超級電容儲能器提供，耗電量計算如下：

白天14 h所需電量總值為

Q7=t·Qh·η1=3 600 MJ

(12)

式(12)中，t為最不利條件下所需電量的時長，取t為50 400 s；Qh為邊防哨所的供熱負(fù)荷，取Qh為60 kW；η1電為加熱鍋爐轉(zhuǎn)換效率，取η1為90%；Q7為最不利條件下所需電量。

由于單個電容器組所能儲存的電量S為3.8 MJ，因此所需的電容器組數(shù)N的值為：

(13)

式(13)中，Q7為超級電容器的儲電量；N為超級電容器的組數(shù)。

4.3 沼氣所需量等數(shù)據(jù)相關(guān)計算

沼氣易制易得，熱值大，環(huán)境污染小，因此我們選擇沼氣進(jìn)行供暖。沼氣在整個系統(tǒng)中作為輔助設(shè)備與風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)和超級電容儲能裝置相互配合。當(dāng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電量不足時啟動燃?xì)忮仩t來保證邊防哨所的供暖需求。

4.3.1 沼氣需求量計算

以最不利狀況為例，按夜晚10 h的供熱量全由沼氣的燃燒提供。假設(shè)半球體沼氣池的數(shù)量為4個，由于供暖熱負(fù)荷為60 kW，因此每個沼氣池所承擔(dān)的熱負(fù)荷Q8為15 kW。查得燃?xì)忮仩t的效率為η4為90%，則：

每個沼氣池產(chǎn)生的沼氣燃燒所提供的熱負(fù)荷

Q9=Q8/η4=16.66 kW

(14)

每個沼氣池需要產(chǎn)生的沼氣量

V=V1×t=24 m3

(15)

式(14)和(15)中，Q8為單個沼氣池所承擔(dān)的熱負(fù)荷，kW；Q9為單個沼氣池產(chǎn)生沼氣燃燒所提供的熱負(fù)荷，kW；V1為單個沼氣池每秒需要供給的沼氣量，取V1為0.000 666 67 m3。

4.3.2 沼氣池尺寸的計算

每立方米沼氣池地窖可以產(chǎn)出0.15 m3的沼氣，則所需的沼氣池的體積為：

V總=V/0.15=160 m3

(16)

(17)

V總=V設(shè)

(18)

式(16)～(18)中，V為每天需要的沼氣量，m3；V總為所需的沼氣池的體積，m3；V設(shè)為設(shè)計建筑的沼氣池的體積，m3；R為設(shè)計建造的沼氣池的半徑，m。

4.4 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)總發(fā)電功率為75 kW，因此工作一天供電量w=75 kW×24 h=1 800 kW·h，目前居民的用電價格為0.58元/(kW·h)。假定每年供暖期為8個月(每月按30 d計算)，則每年可節(jié)省電費開支為0.58元/(kW·h)×240 d×1 800 kW·h=250 560元。

同時如果使用該系統(tǒng)的供熱設(shè)備作為取代當(dāng)?shù)毓┡娜济哄仩t，經(jīng)計算可一年大致可節(jié)省91 300 t的燃煤量，總體分析后該系統(tǒng)既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保。系統(tǒng)投資預(yù)算表見表3。

5 結(jié)語

基于北方邊防哨所供暖問題，以東極哨所為例，提出了一種“分布式風(fēng)能-光能-沼氣互補(bǔ)儲能供暖系統(tǒng)”來保證冬季的供暖需求。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)和供暖需求量，綜合分析該系統(tǒng)具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)點，主要結(jié)論如下：

表3 系統(tǒng)投資預(yù)算表

(1)新分布式風(fēng)能-光能-沼氣互補(bǔ)儲能的供暖系統(tǒng)運用了自動控制裝置，實現(xiàn)了燃?xì)忮仩t的自動切換。

(2)采用超級電容器實現(xiàn)了對電能的大量儲存，并保證了電網(wǎng)內(nèi)的穩(wěn)定；充分利用余熱，依靠回水的余熱使沼氣池內(nèi)部保持在最佳產(chǎn)氣條件。

(3)因地制宜，根據(jù)邊防哨所特殊的地理、環(huán)境因素設(shè)計出了一套清潔、環(huán)?？煽康墓┡到y(tǒng)。

該系統(tǒng)對于邊海防哨所地區(qū)、集中供暖未覆蓋以及新建工業(yè)園區(qū)等地區(qū)的供暖具有很大的應(yīng)用價值，這些地區(qū)缺少能源的供給，很難保證正常的供暖需求。我們所設(shè)計的系統(tǒng)能夠很好的解決這些問題，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。