太阳能冷热电联供系统在城市建筑中的适用性分析

郭建生

摘要：现阶段，随着社会的飞速发展，我国的能源的使用情况也越来越严重。当前，能源的消费与供给之间存在着巨大的矛盾，同时能源的不合理使用也加剧了环境污染，节能减排的观念日益深入人心。分布式热电冷联产（CombinedCoolingHeatingandPower，CCHP）系统因其能效高、污染少的特点，在城市建筑中得到了广泛应用。同时，太阳能作为清洁能源的代表，通过以光伏组件或太阳能集热器为载体，也慢慢地走进了城市中的各个角落。太阳能与CCHP系统相结合，不仅可以提高CCHP机组的利用率，还可以弥补太阳能不稳定的缺陷，因此太阳能冷热电联供系统正在成为研究热点。针对住宅建筑节能减排潜力的研究，通过调查进行了一定的阐述，但并未给出实际解决方案。

关键词：太阳能；冷热电联供系统；城市建筑；适用性分析

引言

以太阳能冷热电联供集成系统为研究对象，设计了光伏组件、太阳能集热器与冷热电联供集成系统。以传统分供系统为参照对象，通过“以电定热”和“以热定电”两种运行方式，提出了一定区域内光伏组件和太阳能集热器的功率公式，并以节能减排率作为该系统的评价指标来评价太阳能在3种典型城市建筑（办公建筑、商业建筑、住宅建筑）中的合理使用方式。结果表明，以热定电模式运行时，太阳能联供系统在办公建筑中存在太阳能的最佳耦合方式；以电定热模式运行时，太阳能联供系统在不同建筑中均以光伏形式耦合。

1供能系统物理模型及其运行策略

1．1供能系统物理模型

太阳能冷热电联供系统与传统能源系统的能流图如图1所示。传统能源系统即所谓热电分供系统，由电网和燃气锅炉为用户提供能源需求，用户的电负荷由电网提供，冷负荷由电制冷满足，热负荷和热水负荷通过燃气锅炉提供。本文设计的太阳能三联供系统主要由光伏组件、太阳能集热器和冷热电三联供系统组成。该系统中的电力负荷由燃气轮机发电和光伏发电来供应，不足部分由电网提供；原动机拟用微型燃气轮机，以天然气作为燃料，为系统提供电能的同时，其产生的高温烟气所携带的热能一部分由吸收式制冷机回收制冷，另一部分通过换热器来采暖和提供生活热水；优先使用光伏集热器承担热负荷，不足热负荷由燃气锅炉提供，通过吸收式制冷机供应冷负荷，辅以电制冷机来增强供应的可靠性。

1.2系统运行策略

以热定电和以电定热是当前联供系统最常采用的运行方式，采用不同的运行策略，均会有多余的电量损耗或热量损耗。如何将太阳能联供系统耦合到合适的建筑中，尽可能地减少能量损耗，是本文的研究初衷，故本文需讨论这两种运行策略。（1）以热定电建筑可用面积吸收的太阳能以不同的比例发电、制热，不足的热能部分由微型燃气轮机供给。微型燃气轮机因此产生的电能和太阳能光伏发电机组发出的电能共同承担系统的电负荷，不足的部分由电网补给。（2）以电定热建筑可用面积吸收的太阳能以不同的比例发电、制热，不足的电能部分由微型燃气轮机供给。微型燃气轮机因此产生的余热由余热锅炉收集，与太阳能集热器产生的热能共同承担系统的冷热负荷，不足的部分由燃气锅炉补给。

2关键技术以及解决方案

系统中关键技术在于：

（1）太阳能的高效利用：随着光照强度、温度以及负载特性的变化，光伏电池的输出功率随之变化，输出功率不稳定。研究最大功率点跟踪（MPPT），以获取光伏电池的最大功率输出，从而最大限度的利用太阳能。

（2）由于太阳能的不稳定性、间断性和不可控性，系统配入蓄电池作为储能元件，如何给给蓄电池充电，实现最优充电，亦是本课题的另一重点

（3）冷热联供：本课题采用半导体制冷器实现冷热联供。应用其冷端对水制冷，并收集其热端热量，用于水的加热。

（4）余热利用。通过基于单片机的自动水循环系统以及光伏电池板集热器、半导体制冷器散热装置，以水为介质充分吸收系统产生的余热，达到能源梯级利用的目的。基于上述分析，具体设计如下：

2.1光伏电池的最大功率跟踪

光伏电池与其负载有一个最佳的匹配点，当二者匹配时，光伏电池将工作在最大功率点上，既能够输出的最大功率。光伏电池随着外界环境的改变，其输出的特性发生改变，如果光伏电池没有工作在与之匹配的工作点上，将会造成能量的损失。解决这一问题的途径就是最大功率点跟踪（MPPT）。它是能够实时检测光伏阵的输出功率，采用一定的算法预测当前工况下阵列可能的最大功率输出，通过改变当前的阻抗情况来使太阳能电池板输出工作在最大功率点上。

本系统采用扰动观察法实现了MPPT控制。[3]扰动观察法（P&O，Perturbationandobservation）扰动观测法通过选定一定的D初值以及适当的占空比调整值D达到逐步逼近最大功率点的目的。检测当前时刻的电压、电流值Un、In，计算此时的输出功率Pn=Un*In，先通过增加PWM占空比来增加一个电压扰动值，再次检测电压、电流值Un+1、In+1。计算Pn+1=Un+1*In+1，然后与前一功率值Pn进行比较。本方法中占空比的变化与功率值变化的关系为：①D增加时，P增加，则应让D进一步增加D；②D增加时，P减小，则应让D减小D；③D减小时，P增加，则应让D进一步减小D；④D减小时，P减小，则应让D增加D。

2.2基于TL494的Buck电路设计

在本课题中，光伏电池板输出电压等级为24v，而冷热电联供系统各负载的电压等级均为12v及以下，电压等级不合；另外各个负载的运行状态根据具体需求而定，并不一定时刻工作在额定电压下。故必须设计Buck（降压可调电路）电路来实现光伏电池板与冷热电联供系统的连接。

我们设计的基于TL494芯片PWM调制式的Buck电路原理图如图4所示：1脚为反馈电压输入端，通过5.1K电阻接入电压输出端，反馈电压由R10和R11调节；3脚所接的0.1u电容及47K、1.0M电阻是斜率补偿为了增加电路的稳定性。震荡频率由C2和R2决定，fosc=2.34×10^2Hz；8脚输出PWM波通过R1和R3加于MOS管GS两端，从而控制MOS的通断。C1和C5均为滤波电容；TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如下：fosc=1.1/（CT*RT）

整个电路的原理是：开关元件MOS由TL494芯片的输出脉冲控制，假设在t=时，驱动MOS导通，电源E向负载供电，二极管截止，电容C5处于充电状态，电感L处于储能状态，负载电流I0成指数上升。当t=t1时，控制MOS关断，由于电感电流IL无法瞬时变化，故电感将释放储能，使负载电流缓慢下降，二极管起到续流作用，电容处于放电状态，负载电流缓慢下降。至一个周期T结束，再驱动MOS导通，重复上述过程，当电路工作于稳态时，

U0=ton/（ton+toff）E=αE

式中，ton是导通时间，toff是断开时间，α为导通占空比。

结语

本文选取住宅、办公、商业3种典型城市建筑，对太阳能冷热电联供系统的适用性进行了分析，在机组最优容量确定的情况下，得到以下结论。（1）不同建筑类型因其负荷结构、用能密度的不同，对太阳能联供系统的节能减排率极值有一定的限制，办公建筑、住宅建筑和商业建筑的最大节能减排率分别为65．63%，52．22%，46．83%。（2）不同运行方式对系统节能减排效果有一定的影响。通过调整光伏耦合率，能够达到最大的节能减排效果。如在以热定电运行策略下，办公建筑和住宅建筑分别在光伏耦合率为91%和82%时，取得最佳的节能减排效果。

参考文献：

［1］蒋润花，蔡睿贤，韩巍，等．太阳能与冷热电联产系统集成［J］．工程热物理学报，2009，30（5）：721-724．

［2］于志．多种太阳能新技术在示范建筑中的应用研究［D］．合肥：中国科学技术大学，2014．

［3］荆有印，白鹤．太阳能冷热电联供系统的多目标优化设计与运行策略分析［J］．中国电机工程学报，2012，32（20）：82-87．