賀 康 楊力會

（玖龍紙業(yè)（天津）有限公司 天津 301509）

引言

光伏太陽能發(fā)電技術(shù)目前已經(jīng)成為綠色能源的重要代表之一，尤其是光伏入戶日趨常見，隨著光伏發(fā)電成本逐步降低，人們對光伏發(fā)電也已經(jīng)普遍接受；另外太陽能熱水器在日常生活中也逐漸普及，兩者都是以太陽能為能量來源，利用太陽能發(fā)電、發(fā)熱技術(shù)為千家萬戶提供綠色的能源，本文主要結(jié)合兩者目前存在的問題，利用技術(shù)互補(bǔ)的特點(diǎn)對兩種技術(shù)方案進(jìn)行結(jié)合研究，提供一種新的供能思路。

1 技術(shù)背景

在我國黃河以北地區(qū)，傳統(tǒng)的冬季采暖方法是采用燃煤/燃?xì)猓焊臍猓┨峁嵩?，該種方法消耗煤/燃?xì)膺@類不可再生的化石能源，且在燃燒過程中，排放煙塵、二氧化硫和氮氧化物等造成環(huán)境污染，有部分地方政府已經(jīng)提出了“煤改電”等要求。

電鍋爐、電熱膜等取暖方式是直接將電能轉(zhuǎn)換成熱量的“直熱式”方式，電能轉(zhuǎn)換為熱能的轉(zhuǎn)換效率低于1[1]，存在明顯的效率低、成本高等不良特點(diǎn)，難以大面積推廣。

采用其他方式如“移峰填谷”的方法，“熱庫[1]”及“蓄熱式電暖器”等方式可以利用谷電給[2]“熱庫”及“蓄熱式電暖器”充電蓄熱，具有一定的“削峰填谷[3]”作用，且可以利用谷電的低價格減少用戶電費(fèi)支出，但是這種方式熱轉(zhuǎn)換效率仍然低于1，并且成本較高，對用戶的要求范圍較窄，入門門檻較高。

空氣源熱泵是一種較高效的制熱方式，利用壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器和膨脹閥等部件的工作原理，把不能直接利用的空氣中所含的低位熱能轉(zhuǎn)換為可以利用的高位熱能，電能轉(zhuǎn)化為熱能的效率超過1，通?？梢员３衷?[1]左右的水平；在正常工作狀態(tài)時，轉(zhuǎn)換效率在2－4 之間，是一種高效電熱轉(zhuǎn)換的方式，由于用能負(fù)荷波動，電價存在“尖峰平谷”的情況，負(fù)荷較高時段也是電價較高時段，所以在控制運(yùn)行成本，優(yōu)化供能方案方面，不同的個體之間也存在一定的提升空間。

太陽能光伏發(fā)電原理是一種利用光伏電池組件和蓄電池等將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能的一種技術(shù)，是一種清潔可再生能源，在光伏發(fā)電過程中不使用煤等化石能源，無排放。光伏系統(tǒng)技術(shù)在國內(nèi)非常成熟，在家庭中安裝使用方便，缺點(diǎn)是受外部環(huán)境影響較大，白天夜間存在間斷性，這也是該項(xiàng)能源利用過程中最大的不足。光伏組件發(fā)電系統(tǒng)是將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)，利用的是光生伏特效應(yīng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨(dú)立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和分布式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。它的主要部件是太陽能電池、蓄電池、控制器和逆變器[3]。其特點(diǎn)是可靠性高、使用壽命長、不污染環(huán)境、能獨(dú)立發(fā)電又能并網(wǎng)運(yùn)行。

太陽集熱技術(shù)以提供熱水為目的。主要由集熱器、保溫水箱、控制系統(tǒng)、自動上水控制箱、循環(huán)泵、管路配件等有機(jī)組合而成的。保溫水箱內(nèi)設(shè)有電加熱器，根據(jù)用戶的需要和實(shí)際情況，電加熱功能可以適當(dāng)增減，滿足陰雨天及冬季使用熱水的要求。

如何整合各個方案/技術(shù)原理，將各個方案/技術(shù)原理集成到一個系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，利用各個方案的優(yōu)勢彌補(bǔ)缺點(diǎn)，針對個體提供不同的供能方案，實(shí)現(xiàn)能源清潔化，運(yùn)行成本經(jīng)濟(jì)性，保證各時段的供能方案都處于最優(yōu)狀態(tài)，是本技術(shù)方案的出發(fā)點(diǎn)和最終目的。

2 擬解決問題

（1）無論是太陽能熱水系統(tǒng)還是光伏發(fā)電[2]系統(tǒng)，都存在功能單一的問題，只能實(shí)現(xiàn)發(fā)電或者發(fā)熱，系統(tǒng)功能都存在一定缺陷。

（2）太陽光伏電池發(fā)電的同時產(chǎn)生熱量影響組件發(fā)電效率，且熱量損失無法充分利用，光伏發(fā)電只能并網(wǎng)或者消納無法儲存。

3 技術(shù)方案

3.1 主要工藝流程

設(shè)計通過增加聚光組件和熱量收集器，使用冷卻水對聚光組件發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，同時收集熱量。通過集熱水箱穩(wěn)定存儲需要加熱的冷卻水，通過水箱穩(wěn)定供給系統(tǒng)需要的一定溫度和比例的儲熱用水，系統(tǒng)內(nèi)部通過熱量調(diào)節(jié)系統(tǒng)來調(diào)節(jié)分配循環(huán)路徑，達(dá)到能源的優(yōu)化利用。

光伏集熱區(qū)，主要布置光伏集熱管裝置，設(shè)置管路連接在一起的集熱管區(qū)以及熱水箱，其特征在于集熱管區(qū)以及熱水箱之間還連接有聚光組件區(qū)，聚光組件區(qū)的冷卻水回路與集熱管區(qū)串聯(lián)或者并聯(lián)聯(lián)通。

管路配置包括可伸縮的進(jìn)水波紋管，進(jìn)水波紋管的外端通過快換接頭與太陽能光伏集熱器進(jìn)水孔相連通；在可伸縮的進(jìn)水波紋管的下方設(shè)有一出水波紋管，出水波紋管的外端通過快換接頭與太陽能光伏集熱器出水孔相連通；在進(jìn)水波紋管與出水波紋管的外側(cè)分別活動套設(shè)一防護(hù)管（剛性），剛性防護(hù)管的外側(cè)通過障礙物直接接觸，其他所用管路材質(zhì)按照通常需求匹配即可，不再逐一累述。

光伏集熱發(fā)電單元控制系統(tǒng)，主機(jī)控制單元包括第一主控模塊、房間空氣負(fù)荷表征數(shù)據(jù)采集模塊以及機(jī)環(huán)冷熱交互模塊，第一主控模塊用于獲取多個第一采集周期內(nèi)房間空氣負(fù)荷表征數(shù)據(jù)，采集模塊采集房間空氣負(fù)荷表征數(shù)據(jù)、機(jī)環(huán)冷熱交互模塊采集的用戶對室內(nèi)環(huán)境溫度的冷熱設(shè)定情況以及每個光伏集熱單元中第二主控模塊發(fā)送的光伏集熱器空腔內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)，并根據(jù)獲取的多個第一采集周期內(nèi)房間空氣負(fù)荷表征數(shù)據(jù)、用戶對室內(nèi)環(huán)境溫度的冷熱設(shè)置情況以及每個光伏集熱單元中光伏集熱器空腔內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)，生成每個光伏集熱單元中待驅(qū)動設(shè)備的調(diào)整控制指令；設(shè)置于模塊化[2]建筑物中的多個光伏集熱單元，每個所述光伏集熱單元均包括從機(jī)控制子單元以及光伏集熱器，從機(jī)控制子單元包括從機(jī)控制模塊、第二主控模塊、第一溫度采集模塊、驅(qū)動模塊，光伏集熱器包括待驅(qū)動設(shè)備。其中第一溫度采集模塊用于當(dāng)前第二采集周期獲取光伏集熱器空腔內(nèi)部溫度，并將當(dāng)前第二采集周期獲取溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至第二主控模塊；第二主控模塊用于根據(jù)獲取的溫度數(shù)據(jù)與主機(jī)控制單元進(jìn)行通信，并接受主機(jī)控制單元的控制指令，通過從機(jī)控制模塊、驅(qū)動模塊驅(qū)動待驅(qū)動設(shè)備進(jìn)行調(diào)整。

圖1 集熱系統(tǒng)流程圖

3.2 主要補(bǔ)水、供水系統(tǒng)流程

設(shè)計系統(tǒng)通過光伏發(fā)電為整個集成系統(tǒng)提供電力，多余電力通過熱泵生產(chǎn)熱水保障熱負(fù)荷，同時通過集熱水箱存儲，保證能源利用的最大化。

圖2 補(bǔ)水、供水系統(tǒng)流程圖

3.3 系統(tǒng)運(yùn)行原理說明

（1）該系統(tǒng)通過太陽能集熱管及砷化鎵聚光組件的合并使用，通過聚光組件在效率較低時補(bǔ)償集熱管熱量（系統(tǒng)串聯(lián)），效率較高時也可單獨(dú)作為熱源（系統(tǒng)并聯(lián)）及電源（供給循環(huán)泵、控制柜、熱泵等設(shè)備用電）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效果優(yōu)于純光電及純光熱系統(tǒng)。

（2）集熱溫差循環(huán)：當(dāng)集熱器溫度T1 與儲熱水箱中的水溫T2 溫差≥8℃（默認(rèn)值，可調(diào)）時，集熱循環(huán)泵P1 啟動，將儲熱器中熱水打進(jìn)儲熱水箱中，當(dāng)兩者溫差≤2℃（默認(rèn)值，可調(diào)）時，循環(huán)泵P1 停止；通過不斷循環(huán)將儲熱水箱內(nèi)水溫提高。

（3）水箱間循環(huán)：當(dāng)儲熱水箱溫度T2 與供水水箱的水溫T2 溫差≥5℃（默認(rèn)值，可調(diào)）時，水箱間循環(huán)泵P2 啟動，將供水水箱中低溫水打入儲熱水箱，儲熱水箱內(nèi)的高溫水補(bǔ)充到供水水箱中，當(dāng)兩者溫差≤2℃（默認(rèn)值，可調(diào)）時，循環(huán)泵P2 停止。

（4）集熱管路防凍循環(huán)：冬季當(dāng)集熱管路T4 中溫度低于5℃（默認(rèn)值，可調(diào)），集熱循環(huán)泵P1 開啟進(jìn)行循環(huán)，當(dāng)集熱器管路內(nèi)水溫升高至10℃（默認(rèn)值，可調(diào)）時，循環(huán)泵P1 停止。

（5）高溫斷續(xù)循環(huán)：當(dāng)集熱器溫度T1 高于90℃（默認(rèn)值，可調(diào)），且僅高于水箱溫度2～10℃范圍內(nèi)時，集熱循環(huán)泵P1-1～P1-4 每循環(huán)10 分鐘，停20 分鐘（防空曬炸管）。

（6）低水位補(bǔ)水：為保證供水水箱內(nèi)有足夠熱水供應(yīng)，當(dāng)供水水箱的水位≤3 水位（默認(rèn)值，可調(diào)），補(bǔ)水泵P5 啟動對儲熱水箱補(bǔ)水，將儲熱水箱內(nèi)的高溫水頂入到供水水箱，當(dāng)供水水箱水位≥3 水位（默認(rèn)值，可調(diào)），停止補(bǔ)水。

（7）低水位補(bǔ)水：為保證供水水箱內(nèi)有足夠熱水供應(yīng)，當(dāng)供水水箱的水位≤3 水位（默認(rèn)值，可調(diào)），補(bǔ)水泵P5 啟動對集熱水箱補(bǔ)水，將集熱水箱內(nèi)的高溫水頂入到供水水箱，當(dāng)供水水箱水位≥3 水位（默認(rèn)值，可調(diào)），停止補(bǔ)水。

（8）熱水供水：采用多功能太陽能的熱水給燃?xì)忮仩t供水（代替自來水進(jìn)鍋爐管道），太陽能溫度滿足洗浴熱水需求時，燃?xì)忮仩t不啟動，當(dāng)陰雨天氣太陽能熱水溫度無法滿足時，經(jīng)燃?xì)忮仩t二次加熱后再供入室內(nèi)熱水管網(wǎng)。

（9）管道循環(huán)、即開即熱：當(dāng)管道溫度低于設(shè)定溫度（如45℃），鍋爐回水循環(huán)泵P4 啟動進(jìn)行循環(huán)，達(dá)到使用溫度，鍋爐循環(huán)泵停止。

（10）防結(jié)垢措施：熱水在高溫時容易形成水垢，在冷水補(bǔ)水端加裝硅磷晶水處理器，阻止系統(tǒng)結(jié)垢。

3.4 主要結(jié)構(gòu)示意圖

本技術(shù)方案是一種太陽能發(fā)電集熱系統(tǒng)，圖3 為太陽能發(fā)電集熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。包括通過管路連接在一起的集熱管區(qū)以及熱水箱，所述集熱管區(qū)以及熱水箱之間還連接有聚光組件區(qū)，聚光組件區(qū)的冷卻水回路與集熱管區(qū)串聯(lián)或者并聯(lián)聯(lián)通。聚光組件區(qū)的冷卻水回路與集熱管區(qū)之間通過第一控制閥、第二控制閥、第三控制閥實(shí)現(xiàn)串聯(lián)或者并聯(lián)聯(lián)通。串聯(lián)聯(lián)通時，關(guān)閉所述第二控制閥以及第三控制閥，打開第一控制閥。并聯(lián)聯(lián)通時，所述第一控制閥關(guān)閉，第二控制閥以及第三控制閥打開。其中第一控制閥、第二控制閥以及第三控制閥為電磁閥，聚光組件區(qū)所產(chǎn)生的電量通過控制中心提供給第一控制閥、第二控制閥、第三控制閥、熱循環(huán)泵、循環(huán)泵以及冷水泵。冷水泵與熱水箱之間還設(shè)有硅磷晶水處理裝置，在冷水補(bǔ)水端加裝硅磷晶水處理裝置可以放置系統(tǒng)結(jié)垢，提高系統(tǒng)運(yùn)行壽命以及減少維護(hù)次數(shù)。集熱管區(qū)與供水箱聯(lián)通，供水箱與集熱管區(qū)之間設(shè)有循環(huán)泵，循環(huán)泵的電能供應(yīng)通過聚光組件區(qū)提供。

圖3 太陽能發(fā)電集熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

上面結(jié)合圖3 對本技術(shù)方案進(jìn)行了描述，但是本方案并不局限于上述的具體實(shí)施方式，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本技術(shù)的啟示下，在不脫離本技術(shù)宗旨和技術(shù)要求的情況下，還可做出很多形式，這些均屬該技術(shù)方案創(chuàng)新性的延伸、發(fā)展。

4 方案優(yōu)點(diǎn)

（1）系統(tǒng)可以小型集成，集中進(jìn)行發(fā)電、集熱實(shí)現(xiàn)功能多元化，系統(tǒng)即可獨(dú)立運(yùn)行也可并網(wǎng)供給。項(xiàng)目技術(shù)可操作性強(qiáng)，根據(jù)不同負(fù)荷、需求環(huán)境的特點(diǎn)，可以調(diào)整光伏發(fā)電、光伏集熱、空氣源熱泵、儲熱水箱、供給水箱等重要系統(tǒng)的設(shè)計容量，以滿足最優(yōu)運(yùn)行方案的需要。

（2）冷卻聚光組件實(shí)現(xiàn)高效發(fā)電，同時增加熱量收集。劣勢變優(yōu)勢的點(diǎn)睛之筆，該方案即增加了光伏發(fā)電的發(fā)電效率，又提高了集熱裝置的熱量吸收功率，轉(zhuǎn)劣勢為優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)變廢為寶。

（3）電力就地利用、儲存，實(shí)現(xiàn)能源有效控制、調(diào)節(jié)。利用光伏發(fā)電的高峰時段正好是用電“尖峰平谷”的“尖峰”時間，實(shí)現(xiàn)電量的“變形”轉(zhuǎn)移，變電能為熱能，利用空氣能進(jìn)行儲熱，能量轉(zhuǎn)化效率可以實(shí)現(xiàn)3 的突破，同時利用儲熱水箱最大程度的保證能量存儲。

5 其他方面補(bǔ)充說明

（1）光伏組件自動清洗裝置，為增加系統(tǒng)的運(yùn)行效率，降低人工勞效，可以根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際負(fù)荷的大小參照選用可以自動清洗的光伏組件清洗裝置，該裝置主要適用于負(fù)荷較大項(xiàng)目和光伏組件放置區(qū)不便人工維保的條件，目前自動清洗技術(shù)已經(jīng)較為成熟，根據(jù)不同的技術(shù)方案和現(xiàn)場環(huán)境，自動清洗裝置的選擇也相差較大，本方案提供一種簡便的方案，以供設(shè)計參考。例：一種帶有加壓循環(huán)水泵的自清洗裝置，裝置的功能主要面向戶用光伏組件，包括：多串組光伏組件、加壓水泵和輸水管路系統(tǒng)，所述加壓循環(huán)水泵與輸水管路系統(tǒng)連接，輸水管路系統(tǒng)與裝置的自動噴淋裝置連接，相鄰的光伏組件單元連接交界處裝有噴淋裝置，系統(tǒng)的噴淋裝置可以完成360°旋轉(zhuǎn)噴淋；通過噴淋裝置的設(shè)置，可以以噴淋裝置為中心進(jìn)行半徑輻射噴淋，噴淋裝置360°旋轉(zhuǎn)，對光伏組件區(qū)域各個單元進(jìn)行區(qū)域性清洗，通過對噴淋裝置多點(diǎn)設(shè)置達(dá)到對戶用光伏組件表面全覆蓋清洗。循環(huán)加壓水泵的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)的同時增大了對戶用光伏組件的沖刷清洗能力，通過視頻監(jiān)控和發(fā)電效率的記錄配合，能夠優(yōu)化清洗頻率和便捷清洗、高效清洗，起到定期、專項(xiàng)清洗的作用，從而減小灰塵、污染物等遮擋對發(fā)電效率的影響，有效提高戶用光伏組件的發(fā)電功率。

（2）通過對安裝小型集成式綠色能源供應(yīng)系統(tǒng)后的光伏系統(tǒng)收益進(jìn)行計算量化，可得到安裝小型集成式綠色能源供應(yīng)系統(tǒng)收益測算結(jié)果。但是現(xiàn)有的光伏系統(tǒng)收益測算方法，僅通過單一項(xiàng)目的投資回報收益計算模型，按理想工況粗略概算收益。然而實(shí)際應(yīng)用中，峰谷電價、不同工況下熱泵系統(tǒng)運(yùn)行效率、儲能設(shè)備老化率及平均充放電效率等參數(shù)并不能固定為實(shí)際/理想?yún)?shù)，因此現(xiàn)有方案得到的收益測算結(jié)果準(zhǔn)確度不高，不能有效反映系統(tǒng)實(shí)際的收益情況。

（3）小型集成式綠色能源供應(yīng)方案的系統(tǒng)收益測算方法，獲取待測算周期內(nèi)每天的光伏發(fā)電電量、逆變器交流側(cè)輸出電量及逆變器交流側(cè)輸入電量；光伏集熱系統(tǒng)的每天進(jìn)出水量、進(jìn)出水溫差采用累計值，為方便計算可以用概算方法確定集熱系統(tǒng)的集熱量；確定熱泵系統(tǒng)每天的運(yùn)行時間和功率輸出情況，通過設(shè)備現(xiàn)有計量探測裝置，計算熱泵系統(tǒng)工作熱量和電量消耗量；確定待測算周期內(nèi)每天的峰值電價及谷值電價；計算得到待測算周期內(nèi)每天的小型集成式綠色能源供應(yīng)系統(tǒng)收益；對待測算周期內(nèi)每天的小型集成式綠色能源供應(yīng)能系統(tǒng)收益進(jìn)行累計，得到待測算周期的收益測算結(jié)果。通過上述方案，無需對系統(tǒng)再添加額外的檢測傳感器，就能獲取測算收益所需的各項(xiàng)參數(shù)，再者得到的收益測算結(jié)果為小型集成式綠色能源供應(yīng)系統(tǒng)的實(shí)際收益，相較于現(xiàn)有的收益測算方法，本方法的測算結(jié)果由于考慮了系統(tǒng)的總用能和總產(chǎn)能，相對準(zhǔn)確度更高，更能有效反映系統(tǒng)實(shí)際的收益情況。

結(jié)語

隨著戶用光伏市場的日趨成熟，光伏發(fā)電補(bǔ)貼價格逐步下跌，單獨(dú)的光伏發(fā)電用戶收益也隨之下降。綜合利用光伏集熱與光伏發(fā)電、熱泵系統(tǒng)搭配使用，可規(guī)避分時峰谷電價，且具備提高光伏系統(tǒng)發(fā)電的自發(fā)自用率、集熱系統(tǒng)的高效集熱、熱泵系統(tǒng)的低負(fù)荷持續(xù)保障運(yùn)行能力等優(yōu)點(diǎn)，可以促進(jìn)綠色小型集中供能用戶和儲能市場持續(xù)增長。用戶對新型戶用儲能系統(tǒng)的安裝需求會越來越大。

中國作為一個人口大國、資源大國，能源消耗總量需要巨大，一直以來也主動提倡可持續(xù)發(fā)展，并于2020 年提出“雙碳目標(biāo)”：中國力爭2030 年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和。

如何按計劃承諾實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，需要落實(shí)到每一個具體的低碳項(xiàng)目上去，才能一步步向著目標(biāo)邁進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)當(dāng)初的諾言，太陽能做為重要的可再生綠色能源，各國都在相關(guān)領(lǐng)域開展競爭性研究，在后續(xù)的能源供給組成中，也必將扮演越來越重要的角色，戶用小型集成式綠色能源供應(yīng)技術(shù)的研究，無疑是打開了另一扇門，提供了一種新的思路，也必將為國家的低碳之路貢獻(xiàn)一份重要的力量。