小型集成式绿色能源供应技术的研究

贺 康 杨力会

（玖龙纸业（天津）有限公司 天津 301509）

引言

光伏太阳能发电技术目前已经成为绿色能源的重要代表之一，尤其是光伏入户日趋常见，随着光伏发电成本逐步降低，人们对光伏发电也已经普遍接受；另外太阳能热水器在日常生活中也逐渐普及，两者都是以太阳能为能量来源，利用太阳能发电、发热技术为千家万户提供绿色的能源，本文主要结合两者目前存在的问题，利用技术互补的特点对两种技术方案进行结合研究，提供一种新的供能思路。

1 技术背景

在我国黄河以北地区，传统的冬季采暖方法是采用燃煤/燃气（煤改气）提供热源，该种方法消耗煤/燃气这类不可再生的化石能源，且在燃烧过程中，排放烟尘、二氧化硫和氮氧化物等造成环境污染，有部分地方政府已经提出了“煤改电”等要求。

电锅炉、电热膜等取暖方式是直接将电能转换成热量的“直热式”方式，电能转换为热能的转换效率低于1[1]，存在明显的效率低、成本高等不良特点，难以大面积推广。

采用其他方式如“移峰填谷”的方法，“热库[1]”及“蓄热式电暖器”等方式可以利用谷电给[2]“热库”及“蓄热式电暖器”充电蓄热，具有一定的“削峰填谷[3]”作用，且可以利用谷电的低价格减少用户电费支出，但是这种方式热转换效率仍然低于1，并且成本较高，对用户的要求范围较窄，入门门槛较高。

空气源热泵是一种较高效的制热方式，利用压缩机、蒸发器、冷凝器和膨胀阀等部件的工作原理，把不能直接利用的空气中所含的低位热能转换为可以利用的高位热能，电能转化为热能的效率超过1，通常可以保持在3[1]左右的水平；在正常工作状态时，转换效率在2－4 之间，是一种高效电热转换的方式，由于用能负荷波动，电价存在“尖峰平谷”的情况，负荷较高时段也是电价较高时段，所以在控制运行成本，优化供能方案方面，不同的个体之间也存在一定的提升空间。

太阳能光伏发电原理是一种利用光伏电池组件和蓄电池等将太阳能直接转化为电能的一种技术，是一种清洁可再生能源，在光伏发电过程中不使用煤等化石能源，无排放。光伏系统技术在国内非常成熟，在家庭中安装使用方便，缺点是受外部环境影响较大，白天夜间存在间断性，这也是该项能源利用过程中最大的不足。光伏组件发电系统是将太阳能转换成电能的发电系统，利用的是光生伏特效应。光伏发电系统分为独立太阳能光伏发电系统、并网太阳能光伏发电系统和分布式太阳能光伏发电系统。它的主要部件是太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器[3]。其特点是可靠性高、使用寿命长、不污染环境、能独立发电又能并网运行。

太阳集热技术以提供热水为目的。主要由集热器、保温水箱、控制系统、自动上水控制箱、循环泵、管路配件等有机组合而成的。保温水箱内设有电加热器，根据用户的需要和实际情况，电加热功能可以适当增减，满足阴雨天及冬季使用热水的要求。

如何整合各个方案/技术原理，将各个方案/技术原理集成到一个系统中，实现优势互补，利用各个方案的优势弥补缺点，针对个体提供不同的供能方案，实现能源清洁化，运行成本经济性，保证各时段的供能方案都处于最优状态，是本技术方案的出发点和最终目的。

2 拟解决问题

（1）无论是太阳能热水系统还是光伏发电[2]系统，都存在功能单一的问题，只能实现发电或者发热，系统功能都存在一定缺陷。

（2）太阳光伏电池发电的同时产生热量影响组件发电效率，且热量损失无法充分利用，光伏发电只能并网或者消纳无法储存。

3 技术方案

3.1 主要工艺流程

设计通过增加聚光组件和热量收集器，使用冷却水对聚光组件发电系统进行冷却，同时收集热量。通过集热水箱稳定存储需要加热的冷却水，通过水箱稳定供给系统需要的一定温度和比例的储热用水，系统内部通过热量调节系统来调节分配循环路径，达到能源的优化利用。

光伏集热区，主要布置光伏集热管装置，设置管路连接在一起的集热管区以及热水箱，其特征在于集热管区以及热水箱之间还连接有聚光组件区，聚光组件区的冷却水回路与集热管区串联或者并联联通。

管路配置包括可伸缩的进水波纹管，进水波纹管的外端通过快换接头与太阳能光伏集热器进水孔相连通；在可伸缩的进水波纹管的下方设有一出水波纹管，出水波纹管的外端通过快换接头与太阳能光伏集热器出水孔相连通；在进水波纹管与出水波纹管的外侧分别活动套设一防护管（刚性），刚性防护管的外侧通过障碍物直接接触，其他所用管路材质按照通常需求匹配即可，不再逐一累述。

光伏集热发电单元控制系统，主机控制单元包括第一主控模块、房间空气负荷表征数据采集模块以及机环冷热交互模块，第一主控模块用于获取多个第一采集周期内房间空气负荷表征数据，采集模块采集房间空气负荷表征数据、机环冷热交互模块采集的用户对室内环境温度的冷热设定情况以及每个光伏集热单元中第二主控模块发送的光伏集热器空腔内部温度数据，并根据获取的多个第一采集周期内房间空气负荷表征数据、用户对室内环境温度的冷热设置情况以及每个光伏集热单元中光伏集热器空腔内部温度数据，生成每个光伏集热单元中待驱动设备的调整控制指令；设置于模块化[2]建筑物中的多个光伏集热单元，每个所述光伏集热单元均包括从机控制子单元以及光伏集热器，从机控制子单元包括从机控制模块、第二主控模块、第一温度采集模块、驱动模块，光伏集热器包括待驱动设备。其中第一温度采集模块用于当前第二采集周期获取光伏集热器空腔内部温度，并将当前第二采集周期获取温度数据发送至第二主控模块；第二主控模块用于根据获取的温度数据与主机控制单元进行通信，并接受主机控制单元的控制指令，通过从机控制模块、驱动模块驱动待驱动设备进行调整。

图1 集热系统流程图

3.2 主要补水、供水系统流程

设计系统通过光伏发电为整个集成系统提供电力，多余电力通过热泵生产热水保障热负荷，同时通过集热水箱存储，保证能源利用的最大化。

图2 补水、供水系统流程图

3.3 系统运行原理说明

（1）该系统通过太阳能集热管及砷化镓聚光组件的合并使用，通过聚光组件在效率较低时补偿集热管热量（系统串联），效率较高时也可单独作为热源（系统并联）及电源（供给循环泵、控制柜、热泵等设备用电）实现系统效果优于纯光电及纯光热系统。

（2）集热温差循环：当集热器温度T1 与储热水箱中的水温T2 温差≥8℃（默认值，可调）时，集热循环泵P1 启动，将储热器中热水打进储热水箱中，当两者温差≤2℃（默认值，可调）时，循环泵P1 停止；通过不断循环将储热水箱内水温提高。

（3）水箱间循环：当储热水箱温度T2 与供水水箱的水温T2 温差≥5℃（默认值，可调）时，水箱间循环泵P2 启动，将供水水箱中低温水打入储热水箱，储热水箱内的高温水补充到供水水箱中，当两者温差≤2℃（默认值，可调）时，循环泵P2 停止。

（4）集热管路防冻循环：冬季当集热管路T4 中温度低于5℃（默认值，可调），集热循环泵P1 开启进行循环，当集热器管路内水温升高至10℃（默认值，可调）时，循环泵P1 停止。

（5）高温断续循环：当集热器温度T1 高于90℃（默认值，可调），且仅高于水箱温度2～10℃范围内时，集热循环泵P1-1～P1-4 每循环10 分钟，停20 分钟（防空晒炸管）。

（6）低水位补水：为保证供水水箱内有足够热水供应，当供水水箱的水位≤3 水位（默认值，可调），补水泵P5 启动对储热水箱补水，将储热水箱内的高温水顶入到供水水箱，当供水水箱水位≥3 水位（默认值，可调），停止补水。

（7）低水位补水：为保证供水水箱内有足够热水供应，当供水水箱的水位≤3 水位（默认值，可调），补水泵P5 启动对集热水箱补水，将集热水箱内的高温水顶入到供水水箱，当供水水箱水位≥3 水位（默认值，可调），停止补水。

（8）热水供水：采用多功能太阳能的热水给燃气锅炉供水（代替自来水进锅炉管道），太阳能温度满足洗浴热水需求时，燃气锅炉不启动，当阴雨天气太阳能热水温度无法满足时，经燃气锅炉二次加热后再供入室内热水管网。

（9）管道循环、即开即热：当管道温度低于设定温度（如45℃），锅炉回水循环泵P4 启动进行循环，达到使用温度，锅炉循环泵停止。

（10）防结垢措施：热水在高温时容易形成水垢，在冷水补水端加装硅磷晶水处理器，阻止系统结垢。

3.4 主要结构示意图

本技术方案是一种太阳能发电集热系统，图3 为太阳能发电集热系统的结构示意图。包括通过管路连接在一起的集热管区以及热水箱，所述集热管区以及热水箱之间还连接有聚光组件区，聚光组件区的冷却水回路与集热管区串联或者并联联通。聚光组件区的冷却水回路与集热管区之间通过第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀实现串联或者并联联通。串联联通时，关闭所述第二控制阀以及第三控制阀，打开第一控制阀。并联联通时，所述第一控制阀关闭，第二控制阀以及第三控制阀打开。其中第一控制阀、第二控制阀以及第三控制阀为电磁阀，聚光组件区所产生的电量通过控制中心提供给第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、热循环泵、循环泵以及冷水泵。冷水泵与热水箱之间还设有硅磷晶水处理装置，在冷水补水端加装硅磷晶水处理装置可以放置系统结垢，提高系统运行寿命以及减少维护次数。集热管区与供水箱联通，供水箱与集热管区之间设有循环泵，循环泵的电能供应通过聚光组件区提供。

图3 太阳能发电集热系统结构示意图

上面结合图3 对本技术方案进行了描述，但是本方案并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本技术的启示下，在不脱离本技术宗旨和技术要求的情况下，还可做出很多形式，这些均属该技术方案创新性的延伸、发展。

4 方案优点

（1）系统可以小型集成，集中进行发电、集热实现功能多元化，系统即可独立运行也可并网供给。项目技术可操作性强，根据不同负荷、需求环境的特点，可以调整光伏发电、光伏集热、空气源热泵、储热水箱、供给水箱等重要系统的设计容量，以满足最优运行方案的需要。

（2）冷却聚光组件实现高效发电，同时增加热量收集。劣势变优势的点睛之笔，该方案即增加了光伏发电的发电效率，又提高了集热装置的热量吸收功率，转劣势为优势，实现变废为宝。

（3）电力就地利用、储存，实现能源有效控制、调节。利用光伏发电的高峰时段正好是用电“尖峰平谷”的“尖峰”时间，实现电量的“变形”转移，变电能为热能，利用空气能进行储热，能量转化效率可以实现3 的突破，同时利用储热水箱最大程度的保证能量存储。

5 其他方面补充说明

（1）光伏组件自动清洗装置，为增加系统的运行效率，降低人工劳效，可以根据项目实际负荷的大小参照选用可以自动清洗的光伏组件清洗装置，该装置主要适用于负荷较大项目和光伏组件放置区不便人工维保的条件，目前自动清洗技术已经较为成熟，根据不同的技术方案和现场环境，自动清洗装置的选择也相差较大，本方案提供一种简便的方案，以供设计参考。例：一种带有加压循环水泵的自清洗装置，装置的功能主要面向户用光伏组件，包括：多串组光伏组件、加压水泵和输水管路系统，所述加压循环水泵与输水管路系统连接，输水管路系统与装置的自动喷淋装置连接，相邻的光伏组件单元连接交界处装有喷淋装置，系统的喷淋装置可以完成360°旋转喷淋；通过喷淋装置的设置，可以以喷淋装置为中心进行半径辐射喷淋，喷淋装置360°旋转，对光伏组件区域各个单元进行区域性清洗，通过对喷淋装置多点设置达到对户用光伏组件表面全覆盖清洗。循环加压水泵的设置，实现压力调节的同时增大了对户用光伏组件的冲刷清洗能力，通过视频监控和发电效率的记录配合，能够优化清洗频率和便捷清洗、高效清洗，起到定期、专项清洗的作用，从而减小灰尘、污染物等遮挡对发电效率的影响，有效提高户用光伏组件的发电功率。

（2）通过对安装小型集成式绿色能源供应系统后的光伏系统收益进行计算量化，可得到安装小型集成式绿色能源供应系统收益测算结果。但是现有的光伏系统收益测算方法，仅通过单一项目的投资回报收益计算模型，按理想工况粗略概算收益。然而实际应用中，峰谷电价、不同工况下热泵系统运行效率、储能设备老化率及平均充放电效率等参数并不能固定为实际/理想参数，因此现有方案得到的收益测算结果准确度不高，不能有效反映系统实际的收益情况。

（3）小型集成式绿色能源供应方案的系统收益测算方法，获取待测算周期内每天的光伏发电电量、逆变器交流侧输出电量及逆变器交流侧输入电量；光伏集热系统的每天进出水量、进出水温差采用累计值，为方便计算可以用概算方法确定集热系统的集热量；确定热泵系统每天的运行时间和功率输出情况，通过设备现有计量探测装置，计算热泵系统工作热量和电量消耗量；确定待测算周期内每天的峰值电价及谷值电价；计算得到待测算周期内每天的小型集成式绿色能源供应系统收益；对待测算周期内每天的小型集成式绿色能源供应能系统收益进行累计，得到待测算周期的收益测算结果。通过上述方案，无需对系统再添加额外的检测传感器，就能获取测算收益所需的各项参数，再者得到的收益测算结果为小型集成式绿色能源供应系统的实际收益，相较于现有的收益测算方法，本方法的测算结果由于考虑了系统的总用能和总产能，相对准确度更高，更能有效反映系统实际的收益情况。

结语

随着户用光伏市场的日趋成熟，光伏发电补贴价格逐步下跌，单独的光伏发电用户收益也随之下降。综合利用光伏集热与光伏发电、热泵系统搭配使用，可规避分时峰谷电价，且具备提高光伏系统发电的自发自用率、集热系统的高效集热、热泵系统的低负荷持续保障运行能力等优点，可以促进绿色小型集中供能用户和储能市场持续增长。用户对新型户用储能系统的安装需求会越来越大。

中国作为一个人口大国、资源大国，能源消耗总量需要巨大，一直以来也主动提倡可持续发展，并于2020 年提出“双碳目标”：中国力争2030 年实现碳达峰，2060 年实现碳中和。

如何按计划承诺实现以上目标，需要落实到每一个具体的低碳项目上去，才能一步步向着目标迈进，最终实现当初的诺言，太阳能做为重要的可再生绿色能源，各国都在相关领域开展竞争性研究，在后续的能源供给组成中，也必将扮演越来越重要的角色，户用小型集成式绿色能源供应技术的研究，无疑是打开了另一扇门，提供了一种新的思路，也必将为国家的低碳之路贡献一份重要的力量。