新型太阳能光伏光热一体化系统设计及分析

2019-08-02纪偞

上海节能 2019年7期

纪偞

上海节能技术服务有限公司

0 前言

化石作为常规能源将长期处在能源结构的主导地位，从目前化石能源的污染状况看，若不尽早选择清洁能源进行取代，未来的环境状况不容乐观。为避免这一状况的出现，拟发展新的能源资源以替代化石常规能源所占据的能源主导地位。新型能源中最具前景的是可再生能源[1]，而太阳能更因其可长久存在、安全高效的特性成为21世纪以后最受期待、最具希望的能源之一。

然而，太阳能具有不连续、不稳定的特点，导致太阳能光伏系统发电效率不高、太阳能光热系统制热不稳定以及太阳能光伏光热系统在工况多变的实际运行中无法达到较高的性能指标等问题。针对太阳能光伏光热系统现有的问题，提出让太阳能光伏光热系统与相变微胶囊进行结合的方案。其中，相变微胶囊具有性能稳定、储热密度高和使用温度范围广的特点，拥有显热储存难以比拟的优点。纳米或微胶囊相变材料（NEPCM或MEPCM）可以大幅提高系统的发电效率和传热效率[2，3]。

1 相变微胶囊功能性流体的制备和性能

相变微胶囊材料是一种含有相变材料的微小容器（如图1所示），当它们经历固体到液体和液相到固相转变时，它们可以吸收、储存和释放大量潜热，并基本保持温度不变，且具有粒径小、比表面积大的优点。同时，其传热速率高，在相变器件吸收和释放潜热的状态稳定，可与高温材料进行良好的混合。

在本次制备试验研究中，主要试验材料是使用相变微胶囊材料与基液水进行配置相变微胶囊功能性流体，主要试验仪器见表1。

图1 相变微胶囊材料

表1 试验材料和仪器

试验流程如图2所示。

图2 相变微胶囊功能性流体制备流程

配置成的相变微胶囊功能性流体的物性参数如表2所示：

表2 相变微胶囊功能性流体物性参数

2 系统的主要部件及运行原理

2.1 主要部件

PV/T系统主要由两部分组成，一部分为PV系统，由太阳能通过太阳能电池转换为电能，为家庭供电使用；另一部分为PT系统，使水流过太阳能电池板北部，得到低温的热水，同时可以提高太阳能电池板的工作效率，得到的低温热水通过太阳能热泵进行循环，产生的热量储存在储热水箱中，加热外界流入的水，得到更高温度的水从而供应家庭生活热水的需要。原理图见图3。

图3 系统原理图

完整的太阳能热水系统由太阳能收集系统、热交换存储装置、辅助能量系统、控制系统、泵和热水供应系统组成。整个系统分为三个部分：能源供应部分、储能部分和能源利用部分。分别由太阳能集热系统和辅助能源系统，热交换蓄热装置和热水供应系统运行。

太阳能是通过太阳辐射的形式从太阳获得的能量。主动式太阳能技术包括使用光伏板和太阳能集热器来利用能量。众所周知，使用传统太阳能热水系统的水加热具有节省电能、节省燃料、提高太阳能利用率等优点，是环保型设备。

2.2 运行原理

太阳能光伏光热系统所包含的组件有：PV系统、PV/T系统、储热水箱、热泵等。PV/T主要部件包括：光伏集热板、保温层、相变胶囊集热水箱、热泵等。水在通过光伏集热板的时候吸收来自光伏太阳能电池板的热量，并储存在含有相变微胶囊材料的储热水箱中，以保证太阳能电池板的温度低于相变微胶囊的相变温度，从而提高光伏板的发电效率；热水的产生由热泵提供，来自相变微胶囊水箱的低温热水提供热量给蒸发器，产生的蒸汽由压缩机压缩变成高温高压的蒸汽，在冷凝器内放热，产生45℃的生活用水。

3 系统载荷计算

太阳能热水系统利用太阳能集热器收集太阳能，通过太阳能集热器将光能转化为热能，并将收集的热量通过热泵系统进行温度提升，然后传输至生活水箱内。该系统可为家庭提供日常生活用水。其中，太阳能热水系统由两部分组成——光伏集热系统和热水供应系统，在设计选择的时候所依据的负荷是不尽相同的。在选择太阳能集热系统时，每家每户平均日用水量是主要参考指标，可以根据此数据确定需要多少面积的太阳能集热器，而最高日用水量则用于确定热水供应系统的设备和管路。

气象参数：参考全国各地太阳总辐射量与年平均日照当量表发现，上海市属于第四类地区，全市太阳能年辐照量为4 190MJ/m2～5 016MJ/m2，取平均值为4 603 MJ/m2，上海市30°倾角表面年平均日太阳辐照量13.98 MJ/m2。上海市年日照时数为1 400h～2 200h，取平均值为1 800h。

其中城市用水额度见表3。

表3 各类型建筑的热水使用量

我们研究普通家庭的用水用电情况按一家三口计算，取热水用水的额定值为80L/人·天，选择供水温度为45℃。

此外，由于现在人们生活方式的改变，正常家庭的生活用电量有大幅增长的趋势，对于上海市，生活主要用电负荷已逐步从照明用电为主转变为以空调负荷为主，尤其在夏季和冬季，每家的用电量会大幅度增加。

表4为一个上海三口之家每日各类主要电器的用电功率及用电量。

表4 各类主要电器的用电功率及用电量

由表4可见，一户家庭每日最高用电负荷为：6.15kW，基础用电负荷为1.3kW；取2kW，则每天的用电量约为10kWh。则一个月一般家庭用电量大概为300kWh，等于1.08＊109J。

4 主要部件选型

4.1 太阳能电池板

选取的一块单晶太阳能光伏板的最大功率为300W，假设每天太阳能光照时间为8h，则：

Q=300W＊8h=2.4kWh

之前我们已计算一个家庭一天平均用电负荷为2kW，每日平均用电量为10 kWh，需要大约5块该型号太阳能集热板。

该太阳能集热板的尺寸为1 956×992×50（mm），其背部集热总面积为9.7m2。

安装倾斜角度选择：太阳直径为1.39×106km，地球与太阳之间的平均距离为1.5×108km，尽管日地距离很远，但相对地球而言，太阳的光线来自四面八方，所以，地球上的每一点与入射的太阳光线之间具有一个很小的夹角，这个夹角通常称为太阳圆面张角，可求得太阳圆面张角的大小为32′，因此，太阳光并非平行光，而是以32′的张角入射地球表面。同样，当太阳光线平行于横截面入射到集热器时，反射光是夹角为32′的放射光束。

太阳能集热器以30°倾角朝南放置。由于该套热水系统全年都要使用，因此太阳能集热器的角度设计应与当地纬度相同，上海纬度约30°，因此集热器角度设计为30°。

太阳能集热器安装：在屋顶安装面积充足的情况下，该系统集热器的安装应考虑以下系列问题。首先应考虑到集热器与周围物体的遮挡问题，需要保障集热器不被周围的建筑物遮挡。考虑到太阳能集热系统为全年运行，选择春分日上午9点为计算时刻。

上式中：

β——太阳高度角（°）；

A——太阳方向角（°）；

d——赤纬角（°）；（春分为0°）

φ——地理纬度，上海：31.24′

h——时角（°）；正午为0°，每小时时角为15°，上午取负，下午取正；则上午9点的时角-45°；

计算得太阳高度角为36.87°，太阳方位角为-61.6°；

S=H＊coth＊cosr0

式中：S——日照间距；m；

H——前排遮挡物高度，取1.1m；

h——计算时的太阳高度角，取40.68°；

r0——计算时刻太阳光线在平面上的投影线与集热器表面法线在水平面上的投影线之间的夹角，集热器正南布置时取0°；

代入计算得太阳集热器的日照间距为1.47m，即太阳能集热器距南墙的距离为1.47m。又因为集热器高度角为22.82°，所以集热器安装高度为0.78 m，则集热器间距为0.91m，取间距为1m。

太阳能热水器吸收来自太阳的光能，将太阳的光能转换成热能来加热水。太阳能集热器的安装位置对其发热效率具有重要影响，必须选择阳光充足并且可以方便固定的位置，冬季宜不受任何建筑物和周围树木的遮挡，一般选择阳台、房顶等空闲的地方。

4.2 太阳能热水系统热泵选择

太阳能热泵是一种将热泵和热太阳能电池板集成在一个集成系统中的设备。通常这两种技术分开使用以产生热水。但是在该系统中，太阳能热泵为系统提供低温热源，产生的热量用于供给热泵的蒸发器。该系统的目标是获得高COP，然后以更有效和更低价的方式产生能量。可以把热泵视为一个热传输器，根据不同的季节需求，不断地将热空气从一个地方移动到另一个地方。即使在寒冷的空气中，也存在热能。当室外温度低时，热泵将外部热量提取出来并将其转移到室内。当室外温暖时，它会反转方向，就像空调一样，可以消除家中的热量。表5为一台热泵机组的技术参数。