小型集成式綠色能源供應技術的研究

賀 康 楊力會

（玖龍紙業（天津）有限公司 天津 301509）

引言

光伏太陽能發電技術目前已經成為綠色能源的重要代表之一，尤其是光伏入戶日趨常見，隨著光伏發電成本逐步降低，人們對光伏發電也已經普遍接受；另外太陽能熱水器在日常生活中也逐漸普及，兩者都是以太陽能為能量來源，利用太陽能發電、發熱技術為千家萬戶提供綠色的能源，本文主要結合兩者目前存在的問題，利用技術互補的特點對兩種技術方案進行結合研究，提供一種新的供能思路。

1 技術背景

在我國黃河以北地區，傳統的冬季采暖方法是采用燃煤/燃氣（煤改氣）提供熱源，該種方法消耗煤/燃氣這類不可再生的化石能源，且在燃燒過程中，排放煙塵、二氧化硫和氮氧化物等造成環境污染，有部分地方政府已經提出了“煤改電”等要求。

電鍋爐、電熱膜等取暖方式是直接將電能轉換成熱量的“直熱式”方式，電能轉換為熱能的轉換效率低于1[1]，存在明顯的效率低、成本高等不良特點，難以大面積推廣。

采用其他方式如“移峰填谷”的方法，“熱庫[1]”及“蓄熱式電暖器”等方式可以利用谷電給[2]“熱庫”及“蓄熱式電暖器”充電蓄熱，具有一定的“削峰填谷[3]”作用，且可以利用谷電的低價格減少用戶電費支出，但是這種方式熱轉換效率仍然低于1，并且成本較高，對用戶的要求范圍較窄，入門門檻較高。

空氣源熱泵是一種較高效的制熱方式，利用壓縮機、蒸發器、冷凝器和膨脹閥等部件的工作原理，把不能直接利用的空氣中所含的低位熱能轉換為可以利用的高位熱能，電能轉化為熱能的效率超過1，通常可以保持在3[1]左右的水平；在正常工作狀態時，轉換效率在2－4 之間，是一種高效電熱轉換的方式，由于用能負荷波動，電價存在“尖峰平谷”的情況，負荷較高時段也是電價較高時段，所以在控制運行成本，優化供能方案方面，不同的個體之間也存在一定的提升空間。

太陽能光伏發電原理是一種利用光伏電池組件和蓄電池等將太陽能直接轉化為電能的一種技術，是一種清潔可再生能源，在光伏發電過程中不使用煤等化石能源，無排放。光伏系統技術在國內非常成熟，在家庭中安裝使用方便，缺點是受外部環境影響較大，白天夜間存在間斷性，這也是該項能源利用過程中最大的不足。光伏組件發電系統是將太陽能轉換成電能的發電系統，利用的是光生伏特效應。光伏發電系統分為獨立太陽能光伏發電系統、并網太陽能光伏發電系統和分布式太陽能光伏發電系統。它的主要部件是太陽能電池、蓄電池、控制器和逆變器[3]。其特點是可靠性高、使用壽命長、不污染環境、能獨立發電又能并網運行。

太陽集熱技術以提供熱水為目的。主要由集熱器、保溫水箱、控制系統、自動上水控制箱、循環泵、管路配件等有機組合而成的。保溫水箱內設有電加熱器，根據用戶的需要和實際情況，電加熱功能可以適當增減，滿足陰雨天及冬季使用熱水的要求。

如何整合各個方案/技術原理，將各個方案/技術原理集成到一個系統中，實現優勢互補，利用各個方案的優勢彌補缺點，針對個體提供不同的供能方案，實現能源清潔化，運行成本經濟性，保證各時段的供能方案都處于最優狀態，是本技術方案的出發點和最終目的。

2 擬解決問題

（1）無論是太陽能熱水系統還是光伏發電[2]系統，都存在功能單一的問題，只能實現發電或者發熱，系統功能都存在一定缺陷。

（2）太陽光伏電池發電的同時產生熱量影響組件發電效率，且熱量損失無法充分利用，光伏發電只能并網或者消納無法儲存。

3 技術方案

3.1 主要工藝流程

設計通過增加聚光組件和熱量收集器，使用冷卻水對聚光組件發電系統進行冷卻，同時收集熱量。通過集熱水箱穩定存儲需要加熱的冷卻水，通過水箱穩定供給系統需要的一定溫度和比例的儲熱用水，系統內部通過熱量調節系統來調節分配循環路徑，達到能源的優化利用。

光伏集熱區，主要布置光伏集熱管裝置，設置管路連接在一起的集熱管區以及熱水箱，其特征在于集熱管區以及熱水箱之間還連接有聚光組件區，聚光組件區的冷卻水回路與集熱管區串聯或者并聯聯通。

管路配置包括可伸縮的進水波紋管，進水波紋管的外端通過快換接頭與太陽能光伏集熱器進水孔相連通；在可伸縮的進水波紋管的下方設有一出水波紋管，出水波紋管的外端通過快換接頭與太陽能光伏集熱器出水孔相連通；在進水波紋管與出水波紋管的外側分別活動套設一防護管（剛性），剛性防護管的外側通過障礙物直接接觸，其他所用管路材質按照通常需求匹配即可，不再逐一累述。

光伏集熱發電單元控制系統，主機控制單元包括第一主控模塊、房間空氣負荷表征數據采集模塊以及機環冷熱交互模塊，第一主控模塊用于獲取多個第一采集周期內房間空氣負荷表征數據，采集模塊采集房間空氣負荷表征數據、機環冷熱交互模塊采集的用戶對室內環境溫度的冷熱設定情況以及每個光伏集熱單元中第二主控模塊發送的光伏集熱器空腔內部溫度數據，并根據獲取的多個第一采集周期內房間空氣負荷表征數據、用戶對室內環境溫度的冷熱設置情況以及每個光伏集熱單元中光伏集熱器空腔內部溫度數據，生成每個光伏集熱單元中待驅動設備的調整控制指令；設置于模塊化[2]建筑物中的多個光伏集熱單元，每個所述光伏集熱單元均包括從機控制子單元以及光伏集熱器，從機控制子單元包括從機控制模塊、第二主控模塊、第一溫度采集模塊、驅動模塊，光伏集熱器包括待驅動設備。其中第一溫度采集模塊用于當前第二采集周期獲取光伏集熱器空腔內部溫度，并將當前第二采集周期獲取溫度數據發送至第二主控模塊；第二主控模塊用于根據獲取的溫度數據與主機控制單元進行通信，并接受主機控制單元的控制指令，通過從機控制模塊、驅動模塊驅動待驅動設備進行調整。

圖1 集熱系統流程圖

3.2 主要補水、供水系統流程

設計系統通過光伏發電為整個集成系統提供電力，多余電力通過熱泵生產熱水保障熱負荷，同時通過集熱水箱存儲，保證能源利用的最大化。

圖2 補水、供水系統流程圖

3.3 系統運行原理說明

（1）該系統通過太陽能集熱管及砷化鎵聚光組件的合并使用，通過聚光組件在效率較低時補償集熱管熱量（系統串聯），效率較高時也可單獨作為熱源（系統并聯）及電源（供給循環泵、控制柜、熱泵等設備用電）實現系統效果優于純光電及純光熱系統。

（2）集熱溫差循環：當集熱器溫度T1 與儲熱水箱中的水溫T2 溫差≥8℃（默認值，可調）時，集熱循環泵P1 啟動，將儲熱器中熱水打進儲熱水箱中，當兩者溫差≤2℃（默認值，可調）時，循環泵P1 停止；通過不斷循環將儲熱水箱內水溫提高。

（3）水箱間循環：當儲熱水箱溫度T2 與供水水箱的水溫T2 溫差≥5℃（默認值，可調）時，水箱間循環泵P2 啟動，將供水水箱中低溫水打入儲熱水箱，儲熱水箱內的高溫水補充到供水水箱中，當兩者溫差≤2℃（默認值，可調）時，循環泵P2 停止。

（4）集熱管路防凍循環：冬季當集熱管路T4 中溫度低于5℃（默認值，可調），集熱循環泵P1 開啟進行循環，當集熱器管路內水溫升高至10℃（默認值，可調）時，循環泵P1 停止。

（5）高溫斷續循環：當集熱器溫度T1 高于90℃（默認值，可調），且僅高于水箱溫度2～10℃范圍內時，集熱循環泵P1-1～P1-4 每循環10 分鐘，停20 分鐘（防空曬炸管）。

（6）低水位補水：為保證供水水箱內有足夠熱水供應，當供水水箱的水位≤3 水位（默認值，可調），補水泵P5 啟動對儲熱水箱補水，將儲熱水箱內的高溫水頂入到供水水箱，當供水水箱水位≥3 水位（默認值，可調），停止補水。

（7）低水位補水：為保證供水水箱內有足夠熱水供應，當供水水箱的水位≤3 水位（默認值，可調），補水泵P5 啟動對集熱水箱補水，將集熱水箱內的高溫水頂入到供水水箱，當供水水箱水位≥3 水位（默認值，可調），停止補水。

（8）熱水供水：采用多功能太陽能的熱水給燃氣鍋爐供水（代替自來水進鍋爐管道），太陽能溫度滿足洗浴熱水需求時，燃氣鍋爐不啟動，當陰雨天氣太陽能熱水溫度無法滿足時，經燃氣鍋爐二次加熱后再供入室內熱水管網。

（9）管道循環、即開即熱：當管道溫度低于設定溫度（如45℃），鍋爐回水循環泵P4 啟動進行循環，達到使用溫度，鍋爐循環泵停止。

（10）防結垢措施：熱水在高溫時容易形成水垢，在冷水補水端加裝硅磷晶水處理器，阻止系統結垢。

3.4 主要結構示意圖

本技術方案是一種太陽能發電集熱系統，圖3 為太陽能發電集熱系統的結構示意圖。包括通過管路連接在一起的集熱管區以及熱水箱，所述集熱管區以及熱水箱之間還連接有聚光組件區，聚光組件區的冷卻水回路與集熱管區串聯或者并聯聯通。聚光組件區的冷卻水回路與集熱管區之間通過第一控制閥、第二控制閥、第三控制閥實現串聯或者并聯聯通。串聯聯通時，關閉所述第二控制閥以及第三控制閥，打開第一控制閥。并聯聯通時，所述第一控制閥關閉，第二控制閥以及第三控制閥打開。其中第一控制閥、第二控制閥以及第三控制閥為電磁閥，聚光組件區所產生的電量通過控制中心提供給第一控制閥、第二控制閥、第三控制閥、熱循環泵、循環泵以及冷水泵。冷水泵與熱水箱之間還設有硅磷晶水處理裝置，在冷水補水端加裝硅磷晶水處理裝置可以放置系統結垢，提高系統運行壽命以及減少維護次數。集熱管區與供水箱聯通，供水箱與集熱管區之間設有循環泵，循環泵的電能供應通過聚光組件區提供。

圖3 太陽能發電集熱系統結構示意圖

上面結合圖3 對本技術方案進行了描述，但是本方案并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本技術的啟示下，在不脫離本技術宗旨和技術要求的情況下，還可做出很多形式，這些均屬該技術方案創新性的延伸、發展。

4 方案優點

（1）系統可以小型集成，集中進行發電、集熱實現功能多元化，系統即可獨立運行也可并網供給。項目技術可操作性強，根據不同負荷、需求環境的特點，可以調整光伏發電、光伏集熱、空氣源熱泵、儲熱水箱、供給水箱等重要系統的設計容量，以滿足最優運行方案的需要。

（2）冷卻聚光組件實現高效發電，同時增加熱量收集。劣勢變優勢的點睛之筆，該方案即增加了光伏發電的發電效率，又提高了集熱裝置的熱量吸收功率，轉劣勢為優勢，實現變廢為寶。

（3）電力就地利用、儲存，實現能源有效控制、調節。利用光伏發電的高峰時段正好是用電“尖峰平谷”的“尖峰”時間，實現電量的“變形”轉移，變電能為熱能，利用空氣能進行儲熱，能量轉化效率可以實現3 的突破，同時利用儲熱水箱最大程度的保證能量存儲。

5 其他方面補充說明

（1）光伏組件自動清洗裝置，為增加系統的運行效率，降低人工勞效，可以根據項目實際負荷的大小參照選用可以自動清洗的光伏組件清洗裝置，該裝置主要適用于負荷較大項目和光伏組件放置區不便人工維保的條件，目前自動清洗技術已經較為成熟，根據不同的技術方案和現場環境，自動清洗裝置的選擇也相差較大，本方案提供一種簡便的方案，以供設計參考。例：一種帶有加壓循環水泵的自清洗裝置，裝置的功能主要面向戶用光伏組件，包括：多串組光伏組件、加壓水泵和輸水管路系統，所述加壓循環水泵與輸水管路系統連接，輸水管路系統與裝置的自動噴淋裝置連接，相鄰的光伏組件單元連接交界處裝有噴淋裝置，系統的噴淋裝置可以完成360°旋轉噴淋；通過噴淋裝置的設置，可以以噴淋裝置為中心進行半徑輻射噴淋，噴淋裝置360°旋轉，對光伏組件區域各個單元進行區域性清洗，通過對噴淋裝置多點設置達到對戶用光伏組件表面全覆蓋清洗。循環加壓水泵的設置，實現壓力調節的同時增大了對戶用光伏組件的沖刷清洗能力，通過視頻監控和發電效率的記錄配合，能夠優化清洗頻率和便捷清洗、高效清洗，起到定期、專項清洗的作用，從而減小灰塵、污染物等遮擋對發電效率的影響，有效提高戶用光伏組件的發電功率。

（2）通過對安裝小型集成式綠色能源供應系統后的光伏系統收益進行計算量化，可得到安裝小型集成式綠色能源供應系統收益測算結果。但是現有的光伏系統收益測算方法，僅通過單一項目的投資回報收益計算模型，按理想工況粗略概算收益。然而實際應用中，峰谷電價、不同工況下熱泵系統運行效率、儲能設備老化率及平均充放電效率等參數并不能固定為實際/理想參數，因此現有方案得到的收益測算結果準確度不高，不能有效反映系統實際的收益情況。

（3）小型集成式綠色能源供應方案的系統收益測算方法，獲取待測算周期內每天的光伏發電電量、逆變器交流側輸出電量及逆變器交流側輸入電量；光伏集熱系統的每天進出水量、進出水溫差采用累計值，為方便計算可以用概算方法確定集熱系統的集熱量；確定熱泵系統每天的運行時間和功率輸出情況，通過設備現有計量探測裝置，計算熱泵系統工作熱量和電量消耗量；確定待測算周期內每天的峰值電價及谷值電價；計算得到待測算周期內每天的小型集成式綠色能源供應系統收益；對待測算周期內每天的小型集成式綠色能源供應能系統收益進行累計，得到待測算周期的收益測算結果。通過上述方案，無需對系統再添加額外的檢測傳感器，就能獲取測算收益所需的各項參數，再者得到的收益測算結果為小型集成式綠色能源供應系統的實際收益，相較于現有的收益測算方法，本方法的測算結果由于考慮了系統的總用能和總產能，相對準確度更高，更能有效反映系統實際的收益情況。

結語

隨著戶用光伏市場的日趨成熟，光伏發電補貼價格逐步下跌，單獨的光伏發電用戶收益也隨之下降。綜合利用光伏集熱與光伏發電、熱泵系統搭配使用，可規避分時峰谷電價，且具備提高光伏系統發電的自發自用率、集熱系統的高效集熱、熱泵系統的低負荷持續保障運行能力等優點，可以促進綠色小型集中供能用戶和儲能市場持續增長。用戶對新型戶用儲能系統的安裝需求會越來越大。

中國作為一個人口大國、資源大國，能源消耗總量需要巨大，一直以來也主動提倡可持續發展，并于2020 年提出“雙碳目標”：中國力爭2030 年實現碳達峰，2060 年實現碳中和。

如何按計劃承諾實現以上目標，需要落實到每一個具體的低碳項目上去，才能一步步向著目標邁進，最終實現當初的諾言，太陽能做為重要的可再生綠色能源，各國都在相關領域開展競爭性研究，在后續的能源供給組成中，也必將扮演越來越重要的角色，戶用小型集成式綠色能源供應技術的研究，無疑是打開了另一扇門，提供了一種新的思路，也必將為國家的低碳之路貢獻一份重要的力量。