一种具有清洗功能的采光集热太阳能屋面系统

田轩奇

摘 要：太阳能是一种重要的可再生能源。本文根据现有太阳能屋面系统只能利用太阳能发电却不能有效利用热能的缺点，提出了一种带有倾角可调节且具备自动清洗功能的新型采光集热太阳能屋面系统。该系统能够有效地在运用太阳能发电的同时采集热能，提高太阳能的有效利用率。

关键词：太阳能;采光;集热;利用率

中图分类号：F24J2 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）09-0142-02

0 引言

太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量，是一种新兴的可再生能源。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量的22亿分之一，但已高达173000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤，如果这些能量能够得到充分利用，将会解决日益紧张的矿物燃料供应问题。作为太阳能利用实例的一种，太阳能屋面系统，已经成为偏远地区电能来源的一种方式，其放置于屋顶之上，采用大面积的太阳能发电模块将太阳能转化为电能，以满足人们的用电需求，同时也达到了节能减排的效果。但自从太阳能屋面系统问世以来，其外形和结构并未发生太大的变化，在科技飞速发展的今天，其不足之处已经渐渐显露出来。随着人们生活标准的提高，人们对太阳能屋面系统有了更高的要求。例如，现有的太阳能屋面系统，只能利用太阳能进行发电，却将日照所产生的热量白白浪费，而且太阳能发电模块表面温度过高也会降低发电的效率;同时，现有的太阳能屋面系统也不具备自动清洗功能，在日积月累的积尘后，在其表面会形成泥垢，使得太阳能发电效率下降甚至不能发电，人工对其进行清理也比较麻烦和危险;并且，太阳东升西落，现有的大多数太阳能屋面系统不具备太阳跟踪功能，无法实现高效发电。

因此，在利用太阳能发电的同时，应当注意对热能的利用。集热器就是一种可以将接收到的太阳能转化为热能的装置。一般来说，在阳光直射的时候，它提供给集热器的能量最大。一天之中以及一年四季太阳的高度是变化的，因此，需要根据太阳的位置对集热器的角度进行调整来使得集热器采集的热量最高。

1 本文的研究方案

本实用新型旨在设计一种具有清洗功能的采光集热太阳能屋面系统，以解决现有大多数太阳能屋面系统无法充分利用日照产生的热能和热量影响发电效率、系统不具备定时自动清洗功能以及太阳能发电模块面板角度不可自动调整的问题。本新型太阳能屋面系统通过加入集热管和温差发电装置将日照产生的热能根据用户的需要用于产生热水或者发电，充分利用太阳能资源;通过加入自动清洗装置，清洗时先对太阳能发电模块面板表面进行喷水润湿，然后刷子通过导轨运动进行刷洗工作，减少人工清洗带来的麻烦和避免高空作业产生的危险，同时，当太阳能发电模块面板温度过高时，清洗装置的喷水口可对面板进行喷水降温，保证高温状态下太阳能发电效率，避免设备发生高温损伤;通过加入太阳跟踪装置，使得太阳能发电模块面板能够根据日间太阳的角度变化自动调整朝向，保证发电时刻保持在高效状态。在对太阳“跟踪”的技术上，一些人对此已经做出了一些工作。文献[1]提出了一种太阳集热器跟踪台，但是它的结构较为复杂，不利于应用。在跟踪方案上，目前主要有以下几种设计方案。一种是采用实时追踪的方案，即根据太阳的实时位置不断对集热器的角度进行调整，这种方案可以实现对太阳角度的全时跟踪，但装置结构较为复杂，成本较高;一种是根据某一时期采集面接收到太阳热能的最佳倾角设计为这一时期的倾斜角，倾斜角按照时期（例如季节）进行周期调节，这样可以极大降低装置的复杂性，节约成本;另一种则是固定倾角的方案，即在固定角度的条件下寻找这一条件下接收能量最高的角度。按照这一方案设计的装置最为简单，但接收到的总能量就会降低。文献[2]从成本与应用性的角度出发，结合西藏地区的实际情况，提出了一种半自动追光型集热器，根据西藏地区维度与时间气候特征，给出了一种简单易行的角度调节方案。文献[3]则通过仿真实验，提出了按季节周期性调节倾角的一种实用方案。文献[4]对集热器的倾斜角与方位角变化的情况进行研究，得到集热器全年最优倾角由南至北呈下降趋势这一结论。

2 采光集热太阳能屋面系统的设计

现结合附图对本文所述的设计方案对进行进一步说明。一种具有清洗功能的采光集热太阳能屋面系统俯视图、正视剖面图和正视图参见图1、图2和图3。

太阳能屋面系统的组成包括清洗刷（1），用于清洗刷运动的导轨（2），用于发电的太阳能发电模块面板（3），用于对日间太阳角度进行跟踪的太阳跟踪装置（4），收集太阳能发电信息并可对太阳能系统进行控制的无线控制模块（5），用于清洗时和降温时进行喷水工作的喷水口（6），驱动清洗刷运动对称分布的微型电机（7），用于加热水的集热管（8），可将热能进行发电的温差发电装置（9），水泵（10），集热管的进水口（11），集热管的出水口（12）和电能输出口（13），其中各电子元件之间由导线或电路进行连接。

当用户在使用本太阳能屋面系统时，将外接水源接入接集热管进水口（11），将集热管的出水口（12）接入储存热水的保温储水箱，将电能输出口（13）接入外接蓄电池，并将设备放置于屋顶且有丰富光照的区域，太阳能模块面板（3）开始进行发电，此时设备将自动运行，产生的电能将通过电能输出口（13）向外输出，用戶可使用手机使用配套APP通过与无线控制模块（5）连接进入系统，可查看此时太阳能发电状态，并可对日照产生热量的利用模式进行选择，可选择热水模式或者热电模式;当用户选择热水模式时，水泵（10）将会驱动进水口（11）向用于加热水的集热管（8）内供水，当温度达到一定值时，热水从出水口（12）送出，进入保温储水箱，供用户使用;当用户选择热电模式时，可将热能进行发电的温差发电装置（9）将会工作，产生的电能通过电能输出口（13）输出，将进一步提高发电效率;用户通过APP也可设置自动清洗太阳能模块面板的时间，当达到设定时间时，水泵（10）将水通过喷水口（6）向面板上喷洒，对面板表面泥垢进行润湿工作，随后微型电机（7）将驱动清洗刷（1）沿着导轨（2）进行刷洗工作，保证面板表面的干净，避免泥垢对发电效率的影响，当夏日日照使得面板表面温度过高时，系统将自动控制水泵（10）将水通过喷水口（6）向面板上进行喷洒降温，防止高温对面板造成的热损伤;当日间太阳的角度发生变化时，太阳跟踪装置（4）能时刻对太阳的角度进行跟踪，驱动面板下的转轴运动，使得面板时刻朝向太阳，保证系统最大效率地运行。

3 结语

太阳能的利用受到多种因素的影响，本文着眼于采集器的倾角与对表面污垢的清除提出了一种新型太阳能屋面系统，这一新型太阳能屋面系统通过加入集热管和温差发电装置，日照产生的热能也能被充分利用，使得太阳能屋面能源利用效率最大化。太阳能屋面系统加装有自动清洗装置，能定时对太阳能发电模块面板进行清洗工作，保证了面板的清洁，也避免了人工清洗时可能发生的事故。同时，自动清洗装置在夏日日照产生异常高温时，也会介入喷水降温，减少了高温对设备造成的影响和损失。太阳跟踪装置的加入可以使太阳能发电模块面板自动进行朝向角度的调整来对太阳进行跟踪，保证发电系统高效地运行。因此，本文提出的新型太阳能的利用系统是一个高效可行的方案。

参考文献

[1] 郑小年，黄巧燕，张晓黎，等.太阳集热器跟踪台的设计与控制[J].中国机械工程，2003，6（12）：1007-1008.

[2] 孙媛媛，赵斌，冯婧恒，等.太阳能平板集热器最佳倾角的确定及动态调节[J].西藏科技，2018，（12）：74-75.

[3] 厚彩琴，杨蓉霞，高嘉龙.安装朝向和倾角对集热器性能参数的影响[J].兰州理工大学学报，2016，42（4）：143-147.

[4] Jafarkazemi，F Saadabadi，Saadabadi，S.Ali.Optimum tilt angle and orientation of solar surface in Abu Dhabi UAE.Renewable Energy.2013，56（8）：44-49.