基于风热机组的新型风光储综合能源系统模拟研究.pdf
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1、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
2、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 unit
3、YANG 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 mod
4、el 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 1
5、4.4%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 a
6、nd 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
7、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
8、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
9、: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
10、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
11、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;
12、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-Ts
13、ky/()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
14、,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
15、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
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