孫建波 王海鳴 曾偉明 方華亮 李大虎 許沛東 陳睿博

(1. 國網(wǎng)湖北省電力公司， 武漢 430077；2. 武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 武漢 430072)

隨著社會的發(fā)展進步，人們對能源的需求越來越大，在能源短缺的形勢下，新能源的開發(fā)和利用成為了人們的焦點．光伏是新能源發(fā)電之一，而且光伏板可以鋪設(shè)在居民的屋頂，可以節(jié)省土地資源．居民可以使用光伏產(chǎn)生的電能為用電設(shè)備供電，這樣既節(jié)省了能源也省去了電費．光伏具有隨機性[1]，白天有光照的時候電能比較充足，而到了晚上電能較少．這與居民的用電習(xí)慣發(fā)生了沖突，因為居民大多白天外出工作，因此白天用電量較少，呈現(xiàn)用電低谷的狀態(tài)，而夜晚回到家后用電量明顯增加，出現(xiàn)用電高峰．若想在夜間使用光伏產(chǎn)生的電能則需要解決光伏的逆調(diào)峰．

光伏與負荷聯(lián)合實時消納，與應(yīng)用有機結(jié)合，由光伏產(chǎn)生的電能被即時消納，如光伏在路燈中的應(yīng)用，可移動安裝，靈活方便[2]、光伏在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，為大棚供暖[3]；或者將產(chǎn)生的電能儲存起來，在負荷高峰時釋放電能，達到削峰填谷、減少系統(tǒng)備用需求的作用[4]．國內(nèi)外一直在研究光伏存儲技術(shù)，應(yīng)用最多的是使用蓄電池儲能，后來使用飛輪電池儲能，隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)儲能也變得越來越主流[5]，現(xiàn)在也較多利用光伏控制電機將空氣壓縮儲能[6]，目前比較成熟的儲能方法是用太陽能光伏抽水蓄能[7]．

人們生活水平的提高，導(dǎo)致空調(diào)能耗所占的比例越來越大．空調(diào)已經(jīng)成為電力系統(tǒng)中的耗能“大戶”，在我國某些地區(qū)，空調(diào)設(shè)備的耗電量超過了城市總用電量的40%[8]．農(nóng)村等地區(qū)空調(diào)的耗電量逐漸增加，電網(wǎng)升級緩慢，無法滿足用電高峰所需電量，造成了夏季高峰用電困難．將光伏和用戶聯(lián)合起來，提高光伏的利用率，減少棄光，實現(xiàn)光伏的逆調(diào)峰是解決用電困難的可行方式．

本文提出光伏+冰蓄冷空調(diào)運行模式，將太陽能以冰的形式存儲下來利用．給出了光伏+冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制方法，接著對某一地區(qū)的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)和常規(guī)空調(diào)的經(jīng)濟性進行分析，證實了光伏+冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟可行性．

1 光伏+冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了解決目前能源緊缺，電網(wǎng)中城市用電峰谷差日趨加大的問題，越來越多的用戶使用戶用太陽能供電．而為了適應(yīng)居民日出夜歸的生活習(xí)慣，本文將光伏發(fā)電系統(tǒng)與冰蓄冷空調(diào)相結(jié)合．光照強度大時，制冷負荷較大，而光照強度小時，制冷負荷通常較小，而且空調(diào)制冷可以間歇工作，不受光伏波動性影響．

所謂冰蓄冷空調(diào)，就是在電力負荷低時，即用電低谷期空調(diào)電動制冷機工作制冷，利用蓄冷介質(zhì)的顯熱特性，將冷量以一定方式儲存起來．在電力負荷較高時，即用電高峰期把已經(jīng)儲存的冷量釋放出來，以滿足用戶的需要．這樣，制冷系統(tǒng)都是在用電低谷期耗電，與普通空調(diào)相比，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)能夠均衡電網(wǎng)峰谷負荷，而且恰好解決了使用戶用太陽能出現(xiàn)的問題[9]．

空調(diào)系統(tǒng)主要由兩大部分組成，一部分是制冷裝置，另一部分是風(fēng)機盤管系統(tǒng)．冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的組成部分包括：制冷主機(雙工況機組)，蓄冷設(shè)備，用戶風(fēng)機盤管系統(tǒng)．太陽能光伏供電系統(tǒng)+冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示．

圖1 冰蓄冷空調(diào)結(jié)構(gòu)示意圖

由于戶用光伏和冰蓄冷空調(diào)的特點是：白天光伏發(fā)電，冰蓄冷空調(diào)的制冷設(shè)備工作蓄冰；到了夜晚，將白天儲存的冷量釋放制冷，故冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)相比效率偏低．但冰蓄冷空調(diào)工作特性是在用電低谷時工作，儲存冷量，而在用電高峰時只有輔助設(shè)備工作進行冷量釋放，從而避開了用電高峰，緩解了電網(wǎng)供電壓力，起到了削峰填谷的作用，而且對提高發(fā)電設(shè)備效率和保護環(huán)境都有巨大的社會經(jīng)濟效益[10]．

2 系統(tǒng)模型與控制流程

光伏發(fā)電離不開光照，而且在太陽光強的時候，系統(tǒng)的發(fā)電能力較強；在太陽光弱的時候，系統(tǒng)的發(fā)電能力較弱．太陽能發(fā)電的這種特點導(dǎo)致了光伏發(fā)電不是恒定的，而是一個隨機的過程，隨著當時天氣情況的不同，系統(tǒng)所產(chǎn)生的電能多少也不一樣，是不受控制的．

光伏電池的發(fā)電功率為：

Pm=I·S·η·[1-α(T-25)]

(1)

式中，I為板面接受的光照強度；S為光伏電池面積；α為溫度系數(shù)；T為組件溫度；η為光伏發(fā)電系統(tǒng)的損耗率，常規(guī)因素包括組件光電轉(zhuǎn)化率、表面灰塵的損失、電池方陣組合的損失、最大功率點偏離損失、逆變器的轉(zhuǎn)換損耗、線路損耗等．

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能隨時間變化的曲線如圖2所示．

圖2 不同時間光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能

從圖2可以看出，光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電主要集中在早上6：00至晚上18：00這段，其他時間光伏系統(tǒng)不產(chǎn)生電能．其中因為早上6：00和晚上18：00光伏系統(tǒng)接收的太陽輻射最小，因此光伏系統(tǒng)輸出功率最小，正午12：00的光伏系統(tǒng)接收的太陽輻射量最大，對應(yīng)最大的輸出功率[11]．理論上跟隨太陽光的強度，光伏發(fā)電應(yīng)類似于正態(tài)分布，但從圖中可以看出光伏發(fā)電有些時段受天氣變化影響波動較大，光伏發(fā)電是不確定的，是一個隨機的過程．

相比之下，冰蓄冷空調(diào)的工作情況是可控的，用戶可以選擇在某一時間使其工作在某一個狀態(tài)，可以控制冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)白天的儲冰量多少．儲冰量的多少與空調(diào)系統(tǒng)的制冷機組的工作狀態(tài)有關(guān)，而冷源系統(tǒng)的工作狀態(tài)取決于白天太陽能產(chǎn)生的電能多少．冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的蓄冰量V為

V=E-Ee=E-V·ηe=E/(1+ηe)

(2)

式中，E為空調(diào)系統(tǒng)接收到的能量，這里指光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電能；Ee為在儲冰過程中換熱損失的能量；ηe為儲存單位冷量損失的能量．

由公式(2)可知，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的蓄冰量多少取決于光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的能量多少，空調(diào)系統(tǒng)可以根據(jù)光伏系統(tǒng)在白天產(chǎn)生的能量儲存冷量．太陽能光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電能是隨太陽光照強度變化的，是不確定的，且只在白天才產(chǎn)生電能，夜晚不產(chǎn)生電能．而居民區(qū)用電的高峰期卻是在夜晚，所以令冰蓄冷空調(diào)在白天的時候利用太陽能光伏產(chǎn)生的電能進行儲冰．

由上面的分析可知，光伏發(fā)電是不確定的，但光照強度和制冷負荷之間存在著一定的關(guān)系：在陽光不充足的時候系統(tǒng)產(chǎn)生的電能較少，冰蓄冷空調(diào)在白天利用光伏產(chǎn)生的電能只能儲存較少的冷量，但在這種陽光不足的情況，天氣往往比較清涼，夜晚使用空調(diào)時不需要太多的冷量，能夠滿足用戶的需求；而在天氣較炎熱時，陽光的強度也較大，光伏產(chǎn)生的電能較多，冰蓄冷空調(diào)在白天儲存的冷量也十分充足，能夠滿足用戶夜間降溫的需要．根據(jù)圖2可知光伏發(fā)電具有隨機性，在光照弱時制冷機組制冰功率下降，制冰時間延長，但只要當日儲存足夠的冷量即可．若是系統(tǒng)預(yù)測光伏產(chǎn)生的電能不足，無法儲存足量的冷量，系統(tǒng)將接入市電進行制冷儲冰．太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)結(jié)合使用的控制流程如圖3所示．

通過這種方法，就可以使光伏白天產(chǎn)生的電能在夜晚得到充分的利用，解決了光伏發(fā)電系統(tǒng)存在的逆調(diào)峰的問題．此外，由于冰蓄冷空調(diào)是在用電低谷時進行儲冰，在用電高峰時融冰制冷，大大緩解了電網(wǎng)運行的壓力，起到了削峰填谷的作用．

圖3 光伏和冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的控制流程

3 光伏+冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟性分析

冰蓄冷空調(diào)的經(jīng)濟效益包括用戶經(jīng)濟效益和社會經(jīng)濟效益兩部分．本文主要對用戶的經(jīng)濟性進行分析．

3.1 社會經(jīng)濟效益

在電網(wǎng)側(cè)，由于冰蓄冷空調(diào)的使用，實現(xiàn)了削峰填谷的作用，減輕了電網(wǎng)的運行壓力，因此調(diào)峰電站的容量及輸電設(shè)施的容量可以適當?shù)臏p小，可以節(jié)約不少的電力設(shè)施投資成本．而且減少了用電峰谷差，使電網(wǎng)側(cè)的用電負荷趨于平穩(wěn)，發(fā)電站常用發(fā)電機組負荷率均衡，發(fā)電效率明顯提高，減少了能源的消耗，也就減少了污染物的排放，一定程度上保護了地球環(huán)境[12]，對社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義．

3.2 用戶經(jīng)濟效益

投入一套空調(diào)系統(tǒng)運行，費用由兩部分組成：初投資和運行費用．初投資指購買空調(diào)設(shè)備所需的費用，運行費用指的是系統(tǒng)運行所需的電費和維護費用等．

與常規(guī)空調(diào)相比，冰蓄冷空調(diào)增加了蓄冰裝置、熱交換器等設(shè)備，因此冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的初投資一般比普通空調(diào)高5%～20%．由于空調(diào)的維護費用都相差無幾，冰蓄冷空調(diào)和普通空調(diào)運行費用相差較大的是運行所消耗的電費，所以運行費用的比較只需要考慮電費即可．冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)儲冰過程和換熱過程會有一定的損耗，總的耗電量比普通空調(diào)高，效率偏低，但是由于冰蓄冷空調(diào)耗電主要發(fā)生在用電低谷期，再配合光伏系統(tǒng)的使用，其運行費用和普通空調(diào)相比大幅度降低．

前面已經(jīng)提到，空調(diào)系統(tǒng)主要由制冷裝置和風(fēng)機盤管系統(tǒng)組成，而冰蓄冷空調(diào)與普通空調(diào)系統(tǒng)的投資差別主要在制冷裝置(冷源系統(tǒng))，所以在進行經(jīng)濟性分析時，集中冷源系統(tǒng)的經(jīng)濟分析．

本文主要對比兩種空調(diào)系統(tǒng)在壽命期內(nèi)的初投資和年運行費用．假設(shè)在空調(diào)壽命期內(nèi)電網(wǎng)電價不變，且冰蓄冷空調(diào)初投資增加只考慮由于蓄冷裝置的差額，空調(diào)部分按普通空調(diào)系統(tǒng)計算．

1)初投資：主要包括設(shè)備購置費、安裝費和電力增容費等．冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)和普通空調(diào)系統(tǒng)的初投資為：

C1=F1+Z1

(3)

C2=F2+Z2

(4)

式中，F(xiàn)1、F2分別為冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)和普通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備投資；Z1、Z2分別為兩種系統(tǒng)的設(shè)備運雜費和電力增容費．設(shè)備安裝費等和電力增容費通過文獻書籍資料可以查詢[13]．

2)運行費用：由于電力部門實行三段式峰谷分時電價政策，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)利用低谷段的低價電蓄冰，在高峰段釋冷，比普通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)約電費．由于每年的電價保持不變，維修費按設(shè)備價格的5%計算．

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)和普通空調(diào)系統(tǒng)年運行總費用分別為：

Y1=D+Dd1+0.05F1

(5)

Y2=D+Dd2+0.05F2

(6)

式中，D為基本電費；Dd1為冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)年運行電費；Dd2為普通空調(diào)系統(tǒng)年運行電費．

普通空調(diào)年運行電費為：

Dd2=N(HQh+MQm+LQl)

(7)

式中，H、M、L分別為高峰期、正常期、低谷期電價；N為年空調(diào)運行時間；Qh、Qm、Ql分別為普通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計日高峰期、正常期和低谷期冷負荷．

冰蓄冷空調(diào)年運行電費為：

(8)

式中，Qxh、Qxm、Qxl和Qdh、Qdm、Qdl為冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)中對應(yīng)三段式電價結(jié)構(gòu)，蓄冷供冷負荷和直接運行供冷負荷．

4 計算結(jié)果分析

本文將一個地區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)統(tǒng)一進行分析，空調(diào)夏季工作時間為120 d．基本電價為12元/月，該地區(qū)電價采用三段分時電價，其電價見表1[14]．冰蓄冷空調(diào)的配置及用電情況見表2、表3．

表1 分時電價表

表2 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的配置及概算

表3 蓄冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備日耗電量情況

普通空調(diào)系統(tǒng)的配置及耗電情況見表4～5．根據(jù)表2～5和公式(3)～(4)可以得到，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)和普通空調(diào)系統(tǒng)的初投資情況，見表6．由公式(7)～(8)可以得到兩種系統(tǒng)的年運行費用，見表7．

由前面得到的數(shù)據(jù)和公式(5)～(6)可得，兩種系統(tǒng)的年運行總費用見表8．

表4 普通空調(diào)系統(tǒng)的配置及概算

表5 普通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備日耗電量情況

表6 初投資費用情況

表7 年運行電費情況

表8 年運行總費用

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)增加的初投資ΔC和全年節(jié)省的運行費用ΔY為：

ΔC=C1-C2

(9)

ΔY=Y2-Y1

(10)

由公式(9)～(10)可得回收期限n為[15]：

n=ΔC/ΔY

(11)

由以上兩種系統(tǒng)的對比分析可知：

1)從表6可知，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備初投資及安裝費用等比常規(guī)空調(diào)多13.83%，可見冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的初投資更多；

2)由于冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)低谷用電的工作特性，根據(jù)表8可得，該系統(tǒng)的年運行總費用比常規(guī)空調(diào)少27.85%；

3)根據(jù)表6～7和公式(11)可以得到回收期限n=2.54<5，靜態(tài)經(jīng)濟評價法一般認為投資回收周期在5年內(nèi)為經(jīng)濟可行[16]，在回收期后每年節(jié)省的運行電費就是該系統(tǒng)產(chǎn)生的經(jīng)濟效益，而且回收期限與電網(wǎng)峰谷電價差有關(guān)，如果加大峰谷電價差，回收期限將會縮短，將會獲得更大的經(jīng)濟效益；

4)由表7可知高峰負荷用電轉(zhuǎn)移率為(ep-ei)/ep=80.723%，其中ep為普通空調(diào)峰段日用電量，ei為冰蓄冷空調(diào)峰段日用電量．光伏+冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)避開了電網(wǎng)的用電高峰，減輕了電網(wǎng)的供電壓力．

冰蓄冷空調(diào)比普通空調(diào)更經(jīng)濟，且由于戶用太陽能和冰蓄冷空調(diào)的使用，用戶可以使用自家太陽能光伏產(chǎn)生的電能進行空調(diào)制冷，而不需要全部從電網(wǎng)進行購買電能，從而極大減少了購電的費用．

而且由于居民白天往往外出工作，夜晚才回到家中用電，這正與太陽能發(fā)電的時間相反，導(dǎo)致了太陽能光伏產(chǎn)生的電能得不到利用，棄光率較高，而夜晚達到了用電高峰，這時太陽能光伏系統(tǒng)不能發(fā)電，居民只能購買市電，增加了用電費用．冰蓄冷空調(diào)的使用恰恰解決了這個問題，白天太陽能光伏發(fā)電，冰蓄冷空調(diào)利用太陽能發(fā)出的電能進行制冰，儲存起來；到了夜晚，太陽能光伏停止發(fā)電，冰蓄冷空調(diào)不再進行制冰，而是將白天儲存的冷量進行釋放達到制冷的效果滿足人們的要求．太陽能光伏+冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)這種運行模式既沒有浪費白天太陽能光伏產(chǎn)生的電能，又實現(xiàn)了將太陽能產(chǎn)生的電能用在了用電高峰的夜晚，從而實現(xiàn)了削峰填谷，并解決了太陽能光伏的逆調(diào)峰．

5 結(jié) 論

由于天氣熱時光照強度較大，光伏產(chǎn)生的電能較多，系統(tǒng)蓄冰制冷能夠滿足居民的需求；光照強度弱時，光伏產(chǎn)生的電能少，蓄冰量少，但是天氣往往比較清涼，能夠滿足居民生活的需要．同時，使用光伏+冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)雖然初投資比普通空調(diào)系統(tǒng)高13.83%，但年總運行費用比普通空調(diào)系統(tǒng)少27.85%，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的回收期限n=2.54<5，在回收期后每年節(jié)省的運行電費就是該系統(tǒng)產(chǎn)生的經(jīng)濟效益．而且光伏+冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)是在用電低谷工作，移峰率高達80.723%，提高了太陽能的利用率，實現(xiàn)電網(wǎng)削峰填谷，緩解供電壓力及電網(wǎng)升級改造．而且對用戶來說還可以省去購電的費用．

目前冰蓄冷空調(diào)容量大，只能應(yīng)用在商場等大型場合或多個用戶共同使用，隨著光伏+冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)的研究和發(fā)展，系統(tǒng)的容量可以減小，戶用系統(tǒng)將成為可能．配合分時電價政策的推廣，光伏+冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)將具有廣闊的發(fā)展前景．

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