太陽能光伏光電供熱系統在小型建筑物上的應用

趙建生

（北京鐵路局天津能源管理監測站 天津,郵編： 300143）

一、前言

鐵路企業線長點多，僅北京鐵路局就有幾百個站點，房屋建筑分布在幾千公里的線路上，從幾十平方米至幾百平方米的小型房屋建筑就有千余處，這些房屋相互間距離遠,大多數遠離城市供熱源,不具備集中供熱條件，由于鐵路運輸生產的性質冬季需要24h不間斷供暖，目前大多采用燃煤方式供暖，熱效率低，運行環境差，由于鍋爐小沒有專門的除塵裝置，嚴重污染環境并且需要人工操作。因此改變燃煤供熱方式，減少環境污染，采用新能源太陽能光伏光電供熱技術具有廣泛的發展前景。

太陽能供熱系統主要是利用太陽能直接供熱，缺陷是連續陰天能量儲存不足時需要大量的電力進行輔助加熱才能正常供暖。而太陽能光伏光電供熱系統利用太陽電池將太陽光能直接轉化為電能,作為供熱系統的能源并將多余的電能儲存用作為日照不足時供熱系統的能源。太陽能光伏發電系統不僅作為供熱系統的能源同時還為房屋的照明、空調、熱水器等提供電源。太陽能光伏發電系統主要由太陽能電池組件、控制器和逆變器等組成，這些部件的主要構成是電子元器件，不涉及機械部件，所以，光伏發電設備極為精煉、可靠、穩定、壽命長且安裝維護簡便。目前，光伏發電技術可以用于任何需要電源的場合，上至航天器，下至家用電器，大到兆瓦級電站，小到電動玩具，光伏電源可以無處不在，因此使用太陽能光伏發電技術供暖完全可以在鐵路企業小型建筑物上推廣應用。

二、供暖系統原理

首先拆除原有燃煤鍋爐，保留原有的循環及各房間的散熱系統。利用鍋爐房空間建儲水換熱及輔助加熱系統，與太陽能光伏光電供暖系統共同組成新的供暖系統。

太陽能光伏光電供暖系統首先將太陽能電池方陣發出的電能，通過控制器由充電機對蓄電池組進行充電，將白天發電系統發出的能量直接儲存在蓄電池組中，這時存在蓄電池組中的電為直流電，通過逆變器將直流電轉變為工頻交流電，通過電源控制箱與市電互為備用作為儲水系統的電源。儲水系統、供熱自動控制循環系統、原有的供熱管路系統等組成新的太陽能光伏光電供暖系統。通過熱水循環為房間供暖。白天太陽光充足時太陽能光伏發電系統足以滿足供熱系統的用電，將剩余的電量存儲，陰天或夜間通過蓄電池組儲存的能量對熱水進行輔助加熱。儲熱水箱中的熱水，運用循環泵作為循環系統的動力，由供熱自動循環系統通過管道將熱水輸送到終端散熱系統，此系統安裝自動上水系統保證水箱及系統不缺水，系統溫控器控制循環泵的循環運行，使系統成為自動控制系統或半自動控制系統。散熱器將熱量通過對流或輻射傳遞給供熱空間，回水再輸送到集熱器。

太陽能光伏發電系統存儲的電能不僅作為供熱系統的加熱能源，還用于整個建筑的照明、空調、熱水器的生活用電，原有電源僅作為備用電源使用。

(圖1－1太陽能光伏光電供熱系統原理圖）

三、性能及特點

太陽能光伏光電供暖系統是利用以光生伏打效應原理制成的太陽能電池，將太陽輻射能直接轉換成電能的發電系統。它由太陽能電池方陣、控制器、蓄電池組、直流/交流逆變器、電源控制箱、儲水換熱循環系統等部分組成，其系統組成如圖1－1所示。

1．太陽能電池方陣：

太陽能電池方陣只有在光照射時工作,輸出有功功率,到晚上或陰雨天由于光線不足幾乎不能輸出功率,平時將太陽能電池方陣有光時發的電能儲存起來，供晚上或雨天無光照時應用，所以太陽能光伏發電系統要裝備儲能蓄電池。太陽能電池單體是光電轉換的最小單元，尺寸一般為4cm2到100cm2不等。太陽能電池單體的工作電壓約為0.5V,工作電流約為20－25m A/cm2,一般不能單獨作為電源使用。將太陽能電池單體進行串并聯封裝后，就成為太陽能電池組件，其功率一般為幾瓦至幾十瓦，是可以單獨作為電源使用的最小單元。太陽能電池組件再經過串并聯組合安裝在支架上，就構成了太陽能電池方陣，可以滿足負載所要求的輸出功率。(見圖 1－2）。

(圖1－2太陽能電池方陣）

2．充放電控制器

充放電控制器控制充電機為蓄電池組充電，是能自動防止蓄電池組過充電和過放電并具有簡單測量功能的電子設備。由于蓄電池組被過充電或過放電后將嚴重影響其性能和壽命，充放電控制器在光伏系統中一般是必不可少的。充電控制器主要由電子元器件、儀表、繼電器、開關等組成。在太陽能發電系統中，充電控制器的基本作用是為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓，快速、平穩、高效的為蓄電池充電，并在充電過程中減少損耗、盡量延長蓄電池的使用壽命；同時保護蓄電池，避免過充電和過放電現象的發生。

3．直流/交流逆變器：

逆變器是將直流電變換成交流電的設備。由于太陽能電池和蓄電池發出的是直流電，負載是交流負載，通過使用逆變器設備,將太陽能電池產生的直流或者蓄電池釋放的直流電轉化為負載需要的工頻交流電。

4．蓄電池組：

蓄電池組是將太陽能電池方陣受光照時所發出直流電貯存起來供負載使用。在光伏發電系統中，電池處于浮充放電狀態，白天日照量大太陽能電池方陣給蓄電池充電，同時方陣還要給負載用電，晚上或陰天日照量少時負載用電全部由蓄電池供給,這部分貯存的電能逐步放出。因此，要求蓄電池的自放電要小，而且充電效率要高，同時還要考慮價格和使用是否方便等因素。常用的蓄電池有鉛酸蓄電池和硅膠蓄電池，要求較高的場合也有價格比較昂貴的鎳鎘蓄電池。我們選用鉛酸蓄電池。

太陽能光伏發電系統中的儲能蓄電池具體有兩個方面的作用：一是儲能;二是確定太陽能光伏發電方陣的工作點和起到一定鉗位和穩定作用,不管方陣電壓隨光照如何變動,輸出電壓一定被鉗位在蓄電池電壓上。

5．電源控制箱

對蓄電池組系統，進行跟蹤測量，如蓄電池電壓和充放電電流，測量所用的電壓和電流表裝在控制器面板上。蓄電池組中存放的電能通過逆變器作為儲水加熱系統的主供電源，市電作為備用電源。

6．儲水加熱系統

自動補水裝置保證有足夠的水量供系統循環使用，蓄電池組中存放的電能，通過電源控制箱，自動加熱水箱中的水溫。

7.供熱循環系統

由各房間采集溫度，由控制器控制水箱水溫，系統溫控器控制循環泵的循環運行使房間達到規定溫度。

四、經濟效益分析

1、原有的費用支出

以一中間站工務維修工區為例,房屋建筑為6間共180m2,房屋高度3.2m，周圍無其他建筑,無專門的建筑保溫設計,房間門直接與戶外相通經常開關,人流量大,屬于非節能公共類建筑。原有的燃煤采暖爐日消耗100k g年消耗煤炭大約12噸，冬季采暖期需要雇用臨時司爐工，每年燃煤、人工、維修費用總計約3萬元。

2、采暖設計熱負荷計算。

以天津地區180m2現有建筑為例。

主要城市采暖期耗熱量指標和采暖設計熱負荷指標

采暖設計熱負荷指標，是在采暖室外計算溫度條件下，為保持室內計算溫度，單位建筑面積在單位時間內需由供熱設施供給的熱量。

根據相關標準，天津地區節能建筑設計負荷耗熱量指標為31.54W/m2。即天津地區采暖室外計算溫度為-9℃的條件下，為保持室內計算溫度18℃，1m2的建筑面積1h需要由供熱設施提供的熱量為31.54W/m2。

根據以上計算，天津地區現有非節能180m2建筑，采暖期一日24小時所需供熱設施提供的熱量為:

31.54W/m2×180m2×24h=136.25kWh(489.6兆焦）

每小時需要的熱量為

31.54W/m2×180m2×1h=5.67kW·h(20.41兆焦）

采暖期24小時不間斷供熱，取暖期用電約

5.67kW·h×24h=16193kWh(58295M J）

循環水泵等輔助用電約500kW·h，整個采暖期約17193kW·h(61895兆焦）。

3、根據負荷的需要確定太陽能電池方陣的數量

要保證正常供暖的需要，太陽能電池發電系統采暖期發電總量要保證在17193kW·h以上。選用300W太陽能光電組件120塊組成太陽能電池方陣，若每天光照時間7a,綜合效率為60-80%,按效率為70%計算，每天發電約

0.3kW×7h×0.7=176kW·h(634M J）

整個采暖期約發電

176kW·h×119d=21000kW·h(75600M J）

根據以上計算,發電量21000kW·h(75600M J大于用電比的最清潔的能源之一,采用太陽能光伏光電供熱系統，代替原有的燃煤爐或小型燃煤無壓熱水鍋爐，能滿足供熱要求。能做到24小時不間斷供熱可以完全放棄原有的燃煤供熱方式,是解決小型建筑采暖問題的重要支撐技術。此系統維護方便，運行穩定，完全達到節能環保的要求，具有良好的經濟效益和社會效益。可以提高可再生能源的利用范圍，促進改變國民經濟結構和能源結構，達到節能減排的目的。

推廣太陽能光伏發電系統,不僅在冬季享有溫暖舒適的室內環境，而且為保護一片藍天，維護地球綠色做出了應有的貢獻。參考文獻：

期刊論文《太陽能供熱采暖系統介紹》

期刊論文《光伏系統發電量計算的分析》

GB50364-2005《民用建筑太陽能熱水系統應用技術規范》