摘要：在促进太阳能与常规能源联合应用的基础上，文中提出了一种光伏发电与固体储热联合供暖系统，并以张家口某一企业为例，设计联合供暖系统。利用Meteonorm收录的张家口气象站太阳辐射量数据，模拟该企业光伏系统的发电量，与固体储热联合供暖。光伏系统的发电量供暖期用来减少供暖系统的用电量，非供暖期实现并网盈利用来减少供暖系统的运行费用。通过与其原有供暖系统对比分析发现光伏发电与固体储热联合供暖系统前2年可实现盈利，在第25年运行费用为12.8万元，远低于原有供暖系统，同时还能减少污染物的排放。
“双碳”目标下，应深入推动供热系统的节能改造工作，着力提升系统能效水平。加强太阳能与常规能源的联合应用，大幅提升低碳能源供热能力，减少传统热源建设规模。因地制宜选择热电联产、地热能、电能、生物质能、太阳能等清洁、低碳的供热方式，积极构建多能源互补的供热体系。其中蓄热式电锅炉可充分消纳可再生能源，减少弃风、弃光现象，实现电网科学调峰。加强太阳能与储热技术相结合，可推动太阳能系统在条件适宜地区的应用。为此文中提出光伏发电与固体储热联合供暖系统，固体储热系统可充分利用光伏系统的发电量以及夜间低价谷电，实现供暖系统低能耗、低排放运行。
1光伏发电与固体储热联合供暖系统
1.1光伏发电与固体储热联合供暖原理
日间，光照充足时，光伏组件将太阳能转化为电能，通过逆变器、变压器等组件变为可供使用的交流电，固体蓄热电锅炉利用光伏系统的发电量，电热丝通电被加热将电能转化为热能，其中一部分热量储存在固体蓄热镁砖中，另一部分热量被循环风机通过高温热风带入管壳式换热器中加热采暖热水，用于建筑物采暖;夜间当储存在蓄热镁砖中的热量难以满足用户用热需求时，固体蓄热电锅炉利用夜间低价谷电，来补充供暖系统的供热量，既能满足晚上用户的用热需求，又能通过高温热风加热采暖热水用于建筑物采暖。光伏系统和固体蓄热电锅炉共同运行，并利用光伏系统的发电量为电锅炉辅助供热，减少电锅炉从国家电网的用电量。供暖系统原理如图1所示。
1.2光伏发电与固体储热联合供暖运行模式
光伏发电系统的发电量受光伏组件、太阳辐射等因素的影响;固体蓄热电锅炉系统的用电量受锅炉功率、用热需求等因素的影响，因此光伏系统的发电量与固体蓄热电锅炉的用电量之间存在的差异，影响着整个供暖系统的运行模式。此外天气状况的不同，也影响供暖系统的运行。考虑到不同地区实际情况的不同，导致整个系统的选型出现较大差异。又因为太阳能达某一地面的能量既是间断的，又极不稳定。因此为保证整个系统的供暖效果，又同时充分合理运用清洁能源，需要根据实际情况的不同，采用不同的运行模式。具体运行模式如表1所示。
图1光伏发电与固体储热联合供暖系统
表1联合运行模式
2联合供暖系统设计计算
2.1企业供暖现状
文中结合张家口某一企业的用热需求，进行了联合供暖方案设计。目前企业热源构成较为简单，主要为2台燃气锅炉，供暖依赖于天然气的供应，冬季用气高峰时曾出现天然气气源不足造成的停气、停暖事故，对企业用热造成极大影响。企业为节约采暖成本，实际运行中采暖供水远低于设计供水温度，热用户采暖体验较差。
2.2光伏发电系统
2.2.1分布式光伏系统发电系统设计
企业位于北纬42.699°，年水平太阳光照小时数为1533h，企业地点水平面的全年平均日照辐射总量约1533kW·h/㎡，即项目所在地多年平均太阳辐射量约5518.8MJ/㎡。依据太阳能资源丰富程度评估指标(“资源很丰富”太阳总辐射年总量：5040~6300MJ/(㎡·a))，属“资源很丰富”，从资源利用的角度来讲，适合建设光伏电站工程。受既有建筑朝向影响，方位角定为南偏东31°，斜面倾角为12°时，对应日照光照小时数为1655.9h。通过对冬至日光伏组件影子长度的计算，当斜面倾角为12°时，可保证光伏组件在暂定位置全年每日6h以上互不遮挡，提高系统发电量。
光伏发电系统的峰值功率取决于光伏组件铺设的数量，而铺设光伏组件的多少则受到建筑屋顶可利用面积的制约。初步调研结果显示，目前可利用屋顶面积约为10026㎡。按可利用屋顶面积进行初步估算，企业在现有可利用屋顶上可布置装机容量为0.7~1.7MWp的中型光伏发电系统。在不影响既有建筑的使用与美观的前提下，拟在部分可利用屋顶上铺设光伏板，共铺设光伏组件2182块。现有屋顶情况较为复杂，部分屋顶上有不便挪动的设备，为方便后期调整，已在铺设计算时留出空间。
2.2.2分布式光伏系统设备选型
光伏发电系统一般由光伏组件、汇流箱、逆变器以及变压器组成。考虑到光伏组件布置的灵活性、可靠性，选用550Wp单晶硅光伏组件，其组件开路电压为49.8V，工作电压为41.6V，开路电压温度系数为-0.26%/℃。光伏组件采用20块串联的方式。
20块550WP晶硅光伏组件串联功率为：
该方案使用225kW/1500V规格的并网逆变器。单晶硅光伏组件峰值功率为550Wp，20块550Wp晶硅光伏组件串联功率为11kWp，单台逆变器可并联路数为20路。原则上单台逆变器可接入光伏组件功率为：
满足逆变器使用要求。共选用6个225kW/1500V组串式逆变器，组串式逆变器应结合现场情况分散布置在就地各自发电单元的光伏组件的中心位置。
交流汇流箱在光伏发电系统中的作用是将多个逆变器输出的交流电汇集于一路，节省电缆费用和铺设成本，便于管理。依照逆变器选型结果，交流汇流箱选用1台6汇1交流汇流箱，即可完成光伏发电系统交流电的汇集。选用1台10kV/1250kVA箱式变压器，由变压器输送出来的10kV高压电并入锅炉房10kV电路侧。
2.2.3分布式光伏系统发电量估算
经初步计算和图纸设计，分布式光伏发电系统峰值功率为1.2MWp，最北一排光伏组件按固定式支架倾角37°放置，其余光伏组件按固定式支架倾角12°放置。基于Meteonorm气象数据进行年发电量估算，图2给出了一年内发电量估算结果。张家口供暖期为11月到次年3月，供暖期共5个月，首年光伏系统供暖期发电量为531427kW·h，非供暖期发电量为1123658kW·h。根据所选用光伏组件参数，光伏系统效率10年内衰减不超过7%，25年内衰减不超过15%。25年总发电量约为37835240kW·h，光伏电站年均发电量为1513410kW·h。按两部制1~10kV大工业峰电电价0.763468元/kW·h计算，如果分布式光伏发电系统的发电量均用来并网盈利，年均收益为115.5万元。
图2光伏电站各月发电量
2.3.1负荷计算
供暖设计热负荷采用热指标的计算方法，在热指标选取时，既要考虑热媒在管网流动过程的热损失，也要考虑当极端天气出现时，能满足用户用热需求。综合考虑，热指标取为50W/㎡。张家口供暖期室外平均温度为-3.9℃，供暖期室外计算温度为-13.6℃，计算供暖平均热负荷。经计算，结果如表2所示。
该企业供暖期含法定节假日共151天，除开法定节假日共131天，不计周末和法定节假日共109天。
考虑到建筑物的不同使用功能，所需的供暖时段也不同，为降低供暖成本，整个企业采用分区分时的供暖方式。在建筑物供暖的时段内，将管网内的热媒温度保持在18℃左右，不在供暖时段管内的热媒温度保持低温运行。这样可以在保证供暖效果的同时降低整个系统的运行费用。各建筑物的年度耗热量如下表2所示。
表2各区域年耗热量
2.3.2热源的确定及设备选型
固体蓄热电锅炉在低谷电时段采用廉价谷电进行蓄热，在供暖时段将储存的热量释放出来，利用尖、峰、谷、平电价差实现低成本清洁供暖，对平衡电网负荷有着巨大作用。还能充分利用张家口丰富的风、光弃电经行供暖，节省供暖系统的运行费用。固体蓄热电锅炉为清洁电供暖设备，运行过程中不排放有害气体、黑烟、粉尘等污染物。固体蓄热电锅炉具有在极寒天气稳定供暖并保持较高运行的能力，因而在寒冷地区得到广泛应用。
按供暖设计热负荷对固体蓄热电锅炉进行选型计算，供暖设计热负荷约为1.14MW。固体蓄热电锅炉按谷电时长、供暖设计热负荷以及供暖设计供热量选型，谷电时长8h。表3给出了固体蓄热电锅炉的选型结果，其额定输出功率大于供暖设计热负荷，且额定蓄热量可满足白天供暖需求。
表3固体蓄热电锅炉选型
3改造效益分析
3.1经济效益
通过光伏发电与固体储热联合供暖系统与其原燃气供暖系统的对比分析，说明光伏发电与固体储热联合供暖系统可以有效的达到节约资源、降低供暖运行费用的目的。25年内供暖运行费用结果如图3所示。
图3供暖系统运行费用
燃气供暖系统运行费用为105万元，光伏发电与固体储热供暖系统，第1年、第2年可以实现2.4、0.3万元的盈利，第25年的运行费用为12.8万元。通过对两种供暖系统运行费用的比较分析，发现光伏发电与固体储热联合供暖系统，降低运行费用的效果显著。联合供暖系统因为光伏发电每年的效率衰减，导致联合供暖系统每年的运行费用有所上升，但其运行费用仍远低于原燃气供暖系统的运行费用。
3.2环境效益
企业原有的燃气锅炉，每年供暖期消耗大量天然气，排放CO2等气体。改造后采用光伏发电与固体储热联合供暖系统，充分利用太阳能等绿色清洁可再生能源，显著降低供暖系统的碳排放，助力推进未来“双碳”目标的实现。
将方案中提供的绿色能源转换为节约标准煤质量，以此为基准计算减少的标准煤燃烧时产生的各类污染物排放量，来表明该企业供暖改造后所带来的环境效益。
将每年所需的绿色能源转化为标准煤的质量，可以按照下式(1)计算
式中，标准煤热值qe，取29.3MJ/kg;标准煤燃烧效率ηc取70%，Qa表示每年节省的热量。通过上式计算分布式光伏发电年度节约标准煤约为265.74t，固体蓄热电锅炉年度节约标准煤约为373.52t。各类大气污染物排放减少如表4所示。
表4年度污染物减少量表
4改造效益分析
随着光伏发电与固体储热系统的提出到应用，可以看出在太阳能资源丰富的地区，采用光伏发电与固体储热供暖系统，将太阳能与固体储热技术相结合，可增强低碳能源的供热能力，推进储热技术的应用，促进储热技术与低碳能源供热模式的发展。整个系统在不同时期采用不同的运行方式，充分利用太阳能等可再生绿色能源，降低整个供暖系统的运行费用。从而实现供暖系统的低排放、低污染，对将来“双碳”目标的实现产生积极影响，推动绿色清洁能源在企业中的应用。
本文转自《河北水利电力学院学报》，作者：裴文浩，贾鸿源，闫孟哲，杜浩浩，均来自河北建筑工程学院能源工程系/河北省储能供热技术创新中心。
