基于风热机组的新型风光储综合能源系统模拟研究.pdf

节能基础科学27NO.12 2023节能 ENERGY CONSERVATION基于风热机组的新型风光储综合能源系统模拟研究杨兴豪1 勾昱君1*钟晓晖2 纪明达1（1.华北理工大学冶金与能源学院，河北 唐山 063210；2.中国科学院工程热物理研究所 国家能源风电叶片研发（实验）中心，北京 100190）摘要：基于风热机组，采用光伏光热一体化技术(PV/T)和蓄能装置构建新型风光储综合能源系统，利用Matlab/Simulink软件构建系统的动态仿真模型，以甘肃白银市示范基地为例，初步探讨系统的可行性。结果显示：PV/T的光电效率、发电量较普通光伏板分别提高约14.4%和11.2%；在模拟时间段内蓄热水箱温度上升13.6 K，室内温度上升6.7 K，此技术可以较好地满足供暖工况及室内舒适性的要求；新型风光储综合能源系统的COP平均值为2.83，具有较高的能效比。关键词：PV/T；风热机组；太阳能；蓄热水箱；室内温度中图分类号：TK16 文献标志码：A 文章编号：1004-7948（2023）12-0027-05 doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.008Simulation research of a new wind-solar-storage integrated energy system based on wind-heat unitYANG Xing-hao GOU Yu-jun ZHONG Xiao-hui JI Ming-daAbstract：This study explores a new wind-solar-storage integrated energy system based on a wind-heat unit,incorporating photovoltaic-thermal(PV/T)integration technology and energy storage devices.Using Matlab/Simulink software,a dynamic simulation model of the system was constructed,taking the demonstration base in Baiyin City,Gansu Province,as an example to preliminarily assess the systems feasibility.The results show that the photoelectric efficiency and electricity generation of the photovoltaic-thermal(PV/T)system increase by approximately 14.4%and 11.2%,respectively,compared to conventional photovoltaic panels.During the simulation period,the temperature of the thermal storage tank rose by 13.6 K,and the indoor temperature increased by 6.7 K,demonstrating that this technology effectively meets the requirements for heating conditions and indoor comfort.The average coefficient of performance(COP)for the new wind-solar storage integrated energy system is 2.83,indicating high energy efficiency.Key words:PV/T;Wind-Heat Unit;solar energy;hot water storage tank;indoor temperature引言传统能源消耗量逐年增长，供暖能耗较高，人们需要寻找新的供暖方式1。我国大力提倡节能减排，加强对可再生能源的利用是实现节能减排的有效措施，特别是对太阳能和风能的有效利用。风能是清洁的可再生能源，储量巨大，具有大规模开发的前景2。国内外学者提出利用风能驱动热泵供热，开辟了风能利用新方向3-9。利用风能驱动热泵可以进行风电供暖10-12，但风力发电限制因素多，导致风能利用率较低。实际应用过程中，风力发电机转换效率只有40%左右；风力机也可直接将风能通过机械能的形式转化为热能。钟晓晖13等提出机械储能直驱式风能热泵系统，通过机械储能装置解决风能多变问题，提高了系统效率。中国科学院工程热物理研究所基于空气动力学与热力学交叉理论提出了风热机组概念，将风力机产生的机械能直接转换为热能，从而实现高效制热13。太阳能光伏光热(PV/T)系统可以将太阳能转换成电能，同时收集余热并加以利用14。在光伏电池板背部增加集热器能够较好地带走光伏电池板的余热，提升其发电效率，实现了光伏和光热的综合应用。房文轩15建立了PV/T系统的热学模型，以耦合和解耦的方式获得其在夏日、冬日的运行特性。太阳能和风能一般单独应用，利用率均不高。为了提高太阳能和风能的综合利用率，结合PV/T系统、风热机组和储能设备，建立新型风光储综合能源系统，系统作者简介：杨兴豪（1997），男，硕士，研究方向为热泵节能。通信作者：勾昱君（1978），女，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为风机叶片防覆冰、节能等。收稿日期：2023-01-11引用本文：杨兴豪，勾昱君，钟晓晖，等.基于风热机组的新型风光储综合能源系统模拟研究 J.节能，2023，42（12）：27-31.节能基础科学28节能 ENERGY CONSERVATIONNO.12 2023利用光伏电池板余热作为热泵系统的低温热源，利用风力机驱动压缩机带动热泵循环，从而实现由风能和太阳能向电能和热能的转换。通过PV/T系统、风能热泵和储能设备之间的配合，该新型综合能源系统能够提供电能和热能。以甘肃省白银市示范区为例，初步探讨以PV/T、风力机、热泵、蓄热水箱为核心构建新型风光储综合能源系统的可行性，为推进新型风光储综合能源系统的实际应用提供参考。1新型风光储综合能源系统新型风光储综合能源系统结构如图1所示。能源系统主要包括风力机、齿轮箱、压缩机、光伏光热板、换热器、逆变器等结构部件。新型风光储综合能源系统工作过程如下：光伏光热系统将太阳能转换成热能与电能，产生的热能作为该新型风光储综合能源系统的低温热源，产生的电能供给用户，余电上网连接市政电网；蓄热水箱将热量储存起来并向用户提供热量。2系统模型2.1风力机模型依托FAST风力机仿真软件进行仿真。根据叶素理论，风力机风轮的总转矩T为：T=ndT=nRR0122rlClsinI(1-cotI)dr(1)式中：R0风轮轮毂半径，m；R风轮半径，m；空气密度，kg/m3；气流相对叶片的速度，m/s；r半径，m；l弦长，m；Cl升力系数；I攻角与桨距角之和，。2.2PV/T模型PV/T集热器接收到的太阳能辐射量中，部分由光伏组件反射出去，为反射的辐射能；部分由光伏组件吸收，转化为电能和热能，为吸收的辐射能。G=G+G(2)G=Epv+QT+QL(3)式中：G总辐射量，J；G反射的辐射能，J；G吸收的辐射能，J；QL散失到环境中的热量，J；Epv转化的电能，J；QT转化成的热能，J。PV/T组件的实际吸收率与有效反射率分别为：=glasscell1-glasscell(4)=glass+cell2glass1-glasscell(5)式中：glass玻璃盖板的透过率，取0.95；glass玻璃盖板的反射率，取0.05；cellPV吸收面吸收率，取0.92；cellPV吸收面反射率，取0.08。PV/T组件的热量损失包括光伏电池与环境之间的对流换热以及光伏电池与天空之间的辐射换热。QL=UL(Tpv-Ta)(6)UL=hcv+hr,pv-s(7)式中：QL光伏电池的热损失，W/(m2 K)；TpvPV板温度，；Ta环境温度，；hcv光伏电池与环境之间的对流换热系数，W/(m2 K)；hr,pv-s光伏电池与天空之间的辐射换热系数，W/(m2 K)。光伏电池与外界环境之间的对流换热系数通常选用经验公式。hcv=5.7+3.8v(8)hr,pv-s=pv()Tpv+Tsky()Tpv2+Tsky2()Tpv-Tsky/()Tpv-Ta(9)式中：v风速，m/s；pv玻璃盖板的表面发射率；蒂芬-玻尔兹曼常数，取5.6710-8 W/(m2 K4)；Tsky天空背景温度，取0.055 2T1.5a。PV/T集热器的能量守恒方程为：ACFRG-UL(Tpv-Ta)-EPV=cpm(tout-tin)(10)式中：ACPV/T集热器面积，m2；FR集热器热迁移因子；cp流体的定压比热容，kJ/(kg K)；m流体质量流量，kg/h；tout流体出口温度，；tin流体进口温度，。2.3热泵机组模型2.3.1压缩机模型双螺杆压缩机理论体积流量为：qVk=CnCD02Ln1vol(11)式中：qVk压缩机的体积流量，m3/min；Cn面积系数，取0.52；C扭角系数，取0.98；D0转子的公称直径，mm；L转子长度，mm；n1阳转子转速，r/min；vol容积效率。vol=1.012 5-0.012 5PinPout(12)式中：Pin压缩机吸气压力，Pa；Pout压缩机排气压力，Pa。压缩机的质量流量mk为：mk=kqVk(13)式中：k压缩机吸气密度，kg/m3。压缩机的排气焓值hout为：hout=hin+kW(14)式中：hin压缩机进口焓值，kJ/kg；k压缩机图1新型风光储综合能源系统结构节能基础科学29NO.12 2023节能 ENERGY CONSERVATION的等熵效率；W风力机传递给压缩机的轴功率，W。2.3.2换热器模型制冷剂工质的能量方程为：Qr=mr(hr,in-hr,out)(15)式中：Qr工质的换热量，W；mr工质的质量流量，kg/s；hr,in工质进口焓值，kJ/kg；hr,out工质的出口焓值，kJ/kg。工质水的能量方程为：Qa=ma(ha,in-ha,out)(16)式中：Qa工质水吸热量，W；ma工质水流量，kg/s；ha,in工质水吸热前的焓值，kJ/kg；ha,out工质吸热后的焓值，kJ/kg。微元换热方程为：Q=UAiTm(17)式中：U基于制冷剂侧换热面积的总传热系数，W/(m2 K)；Ai制冷剂侧换热面积，m2；Tm对数平均温差，K。2.4蓄热水箱模型根据简化后的模型，水箱内水的能量守恒方程为：mt,wcp,wdTt,wd=m w,hcp,w(Tin,h-Tt,w)-m w,bcp,w(Tin,b-Tt,w)(18)式中：mt,w水箱中水的质量，kg；cp,w水的比热容，kJ/(kg K)；Tt,w水箱水温，K；m w,h、m w,b分别为热泵侧、建筑侧水的质量流量，kg/s；Tin,h、Tin,b分别为蓄热水箱的热泵侧水、建筑负荷侧水的进水温度，K。2.5用户端模型根据简化后的模型，建筑的热负荷Q为：Q=AwallKwall(Troom-Tamb)(19)式中：Awall围护结构的传热系数，W/(m2 K)；Kwall围护结构的外表面积，m2；Troom室内的空气温度，K；Tamb环境温度，K。室内空气的能量守恒方程为：mroomcp,airdTroomd=m wcp,w(Tw,r,in-Tw,r,out)-Q(20)式中：mroom室内空气的质量，kg；cp,air空气的比定压热容，kJ/(kg K)；m w水箱内水的质量，kg；Tw,r,in、Tw,r,out分别为换热器内水的进、出口温度，K。用户室内暖气与空气换热量的关系为：m wcp,w(Twr,in-Tw,r,out)=AhKhTr(21)式中：Ah换热器的换热面积，m2；Kh换热器与空气的传热系数，W/(m2 K)；Tr室内空气与换热器的平均换热温差，K。2.6新型风光储综合能源系统模型根据上述公式，利用Matlab/Simulink软件构建动态仿真模型，新型风光储综合能源系统动态仿真模型如图2所示。3新型风光储综合能源系统仿真及性能分析选用100 kW的水平风力机进行仿真。计算条件为常温、标准大气压、空气密度1.225 kg/m3，风力机静态时桨矩角为0，模拟风速为416 m/s。在低风速状态下，风力机保持在恒定叶片桨距和可变转速下工作，在最佳空气动力学范围内运行；在高风速状态下，风力机受速度和变桨距控制，使风轮保持在恒定功率下工作。结合太阳能和PV/T模型得到低温热源温度。根据热泵本身的循环特性，得到热泵性能参数随着太阳辐射变化的趋势。新型风光储综合能源系统的功率特性仿真曲线和热泵性能参数曲线如图3和图4所示。新型风光储综合能源系统的热泵性能参数曲线如图5所示。由图3和图4可知，随着风速、太阳辐射量的增加，综合系统的制热量、PV/T板的发电量都在增加。综上所述，风速和太阳辐射量的变化对该综合能源系统的运行具有较大的影响，系统制热量、发电量的变化与风速和太阳辐射的变化呈现正相关的关系。由图5可知，随着图2新型风光储综合能源系统仿真模型图3综合能源系统制热量仿真曲线图4综合能源系统发电量仿真曲线节能基础科学30节能 ENERGY CONSERVATIONNO.12 2023太阳辐射量的增加，COP和低温热源温度呈增加趋势。太阳辐射量的变化导致低温热源温度变化，使蒸发压力上升，根据热泵循环理论，此时COP增加。额定工况下系统蒸发冷凝压力可以较稳定地保持在设计工况内，使COP保持较为稳定的数值。4供暖工况下新型风光储系统综合能源仿真结果模拟选用供暖季典型日9：0010：30，将风力机的叶片和翼型参数以及该日时间段的风速填入对应的FAST输入文件，得到功率、转速等数据。根据实测气象参数拟合用于模拟计算的太阳辐射函数。将太阳辐射等气象参数导入仿真模型，模拟系统供暖工况时的运行特性。4.1PV/T与普通光伏板对比PV/T与普通光伏板的光伏特性对比如图6所示。模拟时间内，PV/T发电量达到49.5 kW，而普通光伏板的发电量约为44.2 kW，PV/T的发电量比普通光伏板提高约11.9。PV/T的光电效率平均值约为19.1%；普通光伏板的光电效率平均值约为16.7%，PV/T的光电效率较普通光伏板约提高了14.4。随着太阳辐射强度增加，普通光伏板的板温增加，光电效率逐渐降低；但PV/T的光电效率出现先增大后减小的趋势，原因是开始时PV/T板温度较低，PV/T板内工质具有较强的冷却作用，光电效率有所提升，太阳辐射强度进一步增加，PV/T板温度逐渐升高，光电效率开始下降。4.2风力机输出功率和转速分析风力机输出转速仿真变化曲线如图7所示。风能直接驱动压缩机，压缩机转速为2 4003 000 r/min，能够保证压缩机处在合理载位上运行，压缩机载位达到最大值即转速达到3 000 r/min时，机组进入恒转矩运行模式。FAST对风力机进行变桨控制，限制风热机组获取的风能功率，避免系统超载。风速随时间变化曲线如图8所示。风力机输出功率仿真变化曲线如图9所示。风速具有波动性，风力机在波动风况下运行，风力机的输出功率随着时间段内采集的风速变化呈现较大的变化梯度。由于风力机直接驱动压缩机，FAST风力机模型输出转速，压缩机在此转速下运行，因此压缩机功率和转速与风力机输出功率变化的趋势相同。4.3供暖工况下的性能参数分析在供暖季典型日进行模拟测试，设置蓄热水箱初始温度为40 以满足供暖需求。建筑热负荷变化曲线如图10所示。在模拟测试时间内，环境温度不断上升，建筑热负荷在初始时刻最大，为151.1 kW，后不断减小至模拟结束时的120.8 kW。系统的制热量变化曲线如图11所示。由于风速的波动，导致该系统制热量存在波动，通过蓄热水箱进行储存。蓄热水箱温度与室内温度的变化曲线如图12所示。室内温度变化趋势和蓄热水箱温度的变化趋势相同，均先降低后逐渐升高。系统刚开启阶段，室内温度较低，系统集热量小于热泵与水箱的换热量，水箱温度短暂降低；随着室内温度逐渐升高，室内换热降低，且系统集热量随着太阳辐射强度增加，使水箱内水温开始升高。图6PV/T与普通光伏板的光伏特性对比图7风力机输出转速仿真变化曲线图8风速随时间变化曲线图9风力机输出功率仿真变化曲线图5新型风光储综合能源系统的热泵性能参数曲线节能基础科学31NO.12 2023节能 ENERGY CONSERVATION综合能源系统开始运行时，室外温度最低且水箱的取热量小于建筑房间负荷，室内温度略微下降。随着环境温度的升高，建筑热负荷下降，系统集热量与负荷的差值逐步减小，集热量大于建筑负荷时，室内温度逐渐上升。COP为制热工况下热泵冷凝器的制热量与风力机输出功率之比。系统COP变化曲线如图13所示。由图3可知，系统模拟运行时，COP随着制热量和风力机输出功率的变化而变化。风力机输出功率不能维持压缩机的额定工况时，系统COP降低。系统COP平均值为2.83。5结语文中构建新型风光储综合能源系统的仿真模型，基于100 kW风力机的特性（输出转速和功率等）对系统在典型供暖工况下的蓄热水箱、用户室内温度进行模拟研究和分析，得出以下结论：与普通光伏板相比，PV/T的光电效率提高约14.4%，发电量提高约11.9%，PV/T的综合优势较为明显。新型风光储综合能源系统的蓄热水箱温度呈上升趋势，从初始的320 K上升到334 K，模拟时间段内温升为14 K，可以为室内供暖。室内温度先下降后逐渐升高，从初始的290 K上升到296.7 K，温升为6.7 K。新型风光储综合能源系统模拟运行时，COP随着风力机输出功率的变化而变化。模拟时间段内系统的COP平均值为2.83。新型风光储综合能源系统中，蓄热水箱有效地弥补了风能不稳定的缺陷，仿真模型在供暖工况下运行时具有良好的可行性，可以用来对供暖工况下的运行特性进行预测分析。参考文献1 Song M J，Mao N，Xu Y J，et al.Challenges in，and the development of，building energy saving techniques，illustrated with the example of an air source heat pumpJ.Thermal Science and Engineering Progress，2019，10：337-356.2 赵福艳，李家春.探求未来风电产业可持续发展之路 J.风能，2016（2）：24-25.3 Zhao M，Zhang M M，Xu J Z.Analysis of flow transition effects on the performances of a wind power heat pump system 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