新型太陽能家庭熱電供給系統設計

李承凱

摘要：采用新型熱電材料結合光伏太陽能技術，給予家庭熱能和電能的供給。一個國家的能源結構往往是跟它的產業結構和技術發展密切相關的，隨著分布式光伏產業的發展，越來越多的家庭開始關注分布式能源的使用。太陽能和風能被普遍視為可再生的清潔能源，更多的人們所接受和使用。在國家的大力推動下，分布式太陽能電站正處于推廣和應用，有助于解決日益增長的能源需求。因此，設計創新并構建新型能源應用系統的具有十分重要的意義。

關鍵詞：交互設計；服務設計；清潔能源；能源可視化

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2018）02-0122-02

1 家庭能源概況分析

隨著社會的發展和進步，人們環保意識越來越深入人心。隨著技術和觀念的改變，傳統能源正在逐步配新能源所替代。對于能源的有效合理利用，可降低各種對環境有污染的物質排放。提升家庭光伏發電的普及度，可有效的分散能源供給壓力，通過并且可以減小能源在運輸過程中無法避免的損耗。

從經濟角度來看，如何在保證我們生活品質的前提下，減少不必要的消費支出。家庭光伏發電分散集中式光伏發電投資風險，提升有效能源的利用率。針對家庭個體單位來說，同樣是一種有價值的資產投資。

技術的發展也給我們生活的變革帶來了新的動力，利用好新的技術來幫助我們解決家庭能源的有效利用。單一系統的建立，已經無法滿足家庭實際對于能源的需求，需要通過各項技術的統一設計整合，提供一個整體的解決方案。

科技的發展給我們帶來各種可能，如何利用好各種技術。合理的規劃和布局我們的家庭能源系統，可以很大程度的降低公共能源的供給壓力。家庭能源綜合供給方案，整合太陽能、空氣能、地熱能、箱變儲能、電力墻儲能等各自優勢，對能源進行綜合利用。

通過智能互聯技術，對家庭的各種能源的供給和使用進行合理分配，已達到高效節能合理的成績分配利用的目的。

太陽能發電儲能供電系統，主要由太陽能電池組件和儲能部分組成，儲能部分包括鐵電池、逆變器、控制器等。

我國太陽能開發潛力巨大，充分利用太陽能熱發電，是未來有效緩解傳統熱力發電帶來的能源短缺、資源枯竭、環境污染等問題的重要手段之一。集中式太陽能熱發電（concentrated solarpower，CSP）技術相對成熟、發電成本低、與電網匹配性好，而且其熱電轉換部分與常規火力發電機組相同，有相對成熟的技術加以利用，特別適合于大規模集中熱發電，是可再生能源發電中最具發展前景的發電形式之一。

但由于晝夜交替、氣候變化光伏發電的波動性，太陽能的獲取不可連續，使得發電系統很難平穩運行。

光伏發電是作為傳統能源的有益補充之一，光伏發電現在正發展的火熱，但是也面臨著一系列的尷尬。當光伏發電系統進入到尋常百姓家，會帶來各種問題。

按照《能源發展“十三五”規劃》，到2020年太陽能裝機總量定為110GW，光熱為5GW，光伏電站為45GW，分布式為60GW。機構預計，分布式光伏在未來4年年均復合增長率將高達58.17%。

2 中國太陽能資源分布及其應用

智研咨詢發布的《2017-2022年中國光伏發電市場行情動態及發展前景預測報告》顯示，我國屬太陽能資源豐富的國家之一，全國總面積2/3以上地區年日照時數大于2000小時，年輻射量在5000MJ/m2以上。根據國家氣象局風能太陽能評估中心劃分標準，我國太陽能資源地區分為以下四類：

一類（資源豐富帶）地區：全年輻射量在6700-8370MJ/m2。相當于230kg標準煤燃燒所發出的熱量。

二類（資源較富帶）地區：全年輻射量在5400-6700MJ/m2，相當于180-230kg標準煤燃燒所發出的熱量。

三類（資源一般帶）地區：全年輻射量在4200-5400MJ/m2。相當于140-180kg標準煤燃燒所發出的熱量。

四類地區：全年輻射量在4200MJ/m2以下。

一、二類地區，年日照時數不小于2200小時，是我國太陽能資源豐富或較豐富的地區，面積較大，約占全國總面積的2/3以上，具有利用太陽能的良好資源條件（如圖1）。

本文討論太陽能的綜合利用方式，太陽能利用的基本方式可分為光熱利用、光電利用。

光電利用：未來太陽能的大規模利用是用來發電。利用太陽能發電的方式主要有兩種：（1）光一熱一電轉換。此方案成本較高，效率較低。（2）光一電轉換。其基本原理是利用光生伏特效應將太陽輻射能直接轉換為電能。

3 新型太陽能熱電聯供原理及其應用

通過對用戶的使用習慣進行分析和研究，尋找出用戶希望能夠使用清潔能源，但擔心自己對設備的不了解會在使用過程中帶來一系列的麻煩。因此，在系統設計過程中盡可能采用全自動化控制，在服務設計方面提升用戶體驗。通過設計研究使用過程中的各種交互體驗，讓系統更加人性化，人機交互部分只給予用戶最近的數據。

熱電聯供能源系統研究結合服務設計、交互設計和全新商業模式設計。

3.1 熱發電材料及其性能

Bi2Te3熱電材料是半導體材料，室溫下具有良好的熱電特性，能夠實現熱能和電能的相互轉化。其工作原理主要是通過材料表面的溫差將熱能轉換成電能（圖2），工作室需要有相對高的熱源和表面冷卻機構。

單晶硅的光伏板的轉化率一般在24%左右，通過引進新材料的使用，可有效的提供單位面積的發電功率，同時此系統可以將多余的能量轉化為熱能。

3.2 相變儲能材料

相變儲能是利用材料在相變時吸熱或放熱來儲能或釋能。因此，它的核心和基礎是相變儲能材料，簡稱相變材料（PhaseChange Materials，即PCM）。相變儲熱技術可以解決能量供給在時間和空間上失衡的矛盾，是提高能源利用效率和保護環境的重要技術（圖3）。

3.3 分布式家庭熱電系統的工作原理

系統的工作原理，一次能源為利用光伏電池采集太陽能發電，二次能源為利用一次能源發電過程中產生的余熱結合半導體熱電材料回收部分熱能。將熱能轉化為電能，由于此類半導體熱發電材料的主要工作原理是溫差發電，因此材料需要通過水冷或者風冷的方式將其冷卻，我們所采用的方式為水冷。在此我們可以將冷卻過程中的吸收的熱量收集起來，對于家庭用戶而言，回收熱量可以被用作為生活熱源使用。比如我們可以將此熱量轉化為生活熱水，或者可以在冬季被用作為采暖使用。

主要組成部分為太陽能光伏電池、Bismuth telluride （Bi2Te3）碲化鉍熱電組、雙向儲能型光伏逆變器、箱變儲能材料、儲能電池組、雙向電表和中控數據處理設備（圖4）。

對于整套系統將會帶來兩大產物。第一，是光伏電池發電能，外加半導體熱電材料發的電能。第二，針對半導體發電必須有兩級溫差，為了達到冷卻目的所吸收的熱量。

需要結合消費者的生活習慣及實際需求，對產品進行合理化分析。通過目標用戶的一系列調研，通過自動化控制合理的分配和使用資源，以達到能源的利用最大化。通過電能的上網和共享給其他用戶，可提高系統的整體利用率。此過程可以被視為能源的梯級利用，可以達到提高一次太陽能的利用率（圖5）。

Donald·A·Norman曾經把易用性和可理解性作為產品同類的層級，出符合的產品需要滿足兩個條件：要能使用戶對其行為結果可預測和每一個操作對應一種變化，令用戶指導操作的有效性。

家庭熱電聯供系統面向的是普通消費者，對于他們來說是一個相對復雜難以操作的系統，通過對整體的分析，我們需要考慮的是建立一套以用戶為中心的交互系統。在現有基礎下能夠很好的服務用戶，并且可以給客戶帶來他們的正在需求，而不會需要他們太多的學習成本和經濟負擔。

需要一個中央數據集控器，采集各設備間的工作狀態和相關數據，對不同用戶的使用習慣進行分析，給予不同用戶差異化的能源使用方案，用戶可以通過終端設備獲取相應的系統參數。

4 結論

通過對傳統分布式光伏的性能優化，能夠提高能源的利用率。與此同時，此系統同時解決了家庭用戶的熱能和電能的基本需求。并且針對用戶的使用習慣，通過智控系統的能源合理分配，以滿足用戶日常需求。考慮到用戶并非專業人員，因此優化控制交互界面，用簡潔圖形表達的方式，讓用戶可以更為便捷的獲取系統的運行狀態。