太陽(yáng)能光伏光電供熱系統(tǒng)在小型建筑物上的應(yīng)用

趙建生

（北京鐵路局天津能源管理監(jiān)測(cè)站 天津,郵編： 300143）

一、前言

鐵路企業(yè)線長(zhǎng)點(diǎn)多，僅北京鐵路局就有幾百個(gè)站點(diǎn)，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(yuǎn),大多數(shù)遠(yuǎn)離城市供熱源,不具備集中供熱條件，由于鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)的性質(zhì)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(yùn)行環(huán)境差，由于鍋爐小沒有專門的除塵裝置，嚴(yán)重污染環(huán)境并且需要人工操作。因此改變?nèi)济汗岱绞剑瑴p少環(huán)境污染，采用新能源太陽(yáng)能光伏光電供熱技術(shù)具有廣泛的發(fā)展前景。

太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)主要是利用太陽(yáng)能直接供熱，缺陷是連續(xù)陰天能量?jī)?chǔ)存不足時(shí)需要大量的電力進(jìn)行輔助加熱才能正常供暖。而太陽(yáng)能光伏光電供熱系統(tǒng)利用太陽(yáng)電池將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能,作為供熱系統(tǒng)的能源并將多余的電能儲(chǔ)存用作為日照不足時(shí)供熱系統(tǒng)的能源。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)不僅作為供熱系統(tǒng)的能源同時(shí)還為房屋的照明、空調(diào)、熱水器等提供電源。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池組件、控制器和逆變器等組成，這些部件的主要構(gòu)成是電子元器件，不涉及機(jī)械部件，所以，光伏發(fā)電設(shè)備極為精煉、可靠、穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)且安裝維護(hù)簡(jiǎn)便。目前，光伏發(fā)電技術(shù)可以用于任何需要電源的場(chǎng)合，上至航天器，下至家用電器，大到兆瓦級(jí)電站，小到電動(dòng)玩具，光伏電源可以無處不在，因此使用太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)供暖完全可以在鐵路企業(yè)小型建筑物上推廣應(yīng)用。

二、供暖系統(tǒng)原理

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

太陽(yáng)能光伏光電供暖系統(tǒng)首先將太陽(yáng)能電池方陣發(fā)出的電能，通過控制器由充電機(jī)對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電，將白天發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的能量直接儲(chǔ)存在蓄電池組中，這時(shí)存在蓄電池組中的電為直流電，通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)楣ゎl交流電，通過電源控制箱與市電互為備用作為儲(chǔ)水系統(tǒng)的電源。儲(chǔ)水系統(tǒng)、供熱自動(dòng)控制循環(huán)系統(tǒng)、原有的供熱管路系統(tǒng)等組成新的太陽(yáng)能光伏光電供暖系統(tǒng)。通過熱水循環(huán)為房間供暖。白天太陽(yáng)光充足時(shí)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)足以滿足供熱系統(tǒng)的用電，將剩余的電量存儲(chǔ)，陰天或夜間通過蓄電池組儲(chǔ)存的能量對(duì)熱水進(jìn)行輔助加熱。儲(chǔ)熱水箱中的熱水，運(yùn)用循環(huán)泵作為循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)力，由供熱自動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)通過管道將熱水輸送到終端散熱系統(tǒng)，此系統(tǒng)安裝自動(dòng)上水系統(tǒng)保證水箱及系統(tǒng)不缺水，系統(tǒng)溫控器控制循環(huán)泵的循環(huán)運(yùn)行，使系統(tǒng)成為自動(dòng)控制系統(tǒng)或半自動(dòng)控制系統(tǒng)。散熱器將熱量通過對(duì)流或輻射傳遞給供熱空間，回水再輸送到集熱器。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)存儲(chǔ)的電能不僅作為供熱系統(tǒng)的加熱能源，還用于整個(gè)建筑的照明、空調(diào)、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(yáng)能光伏光電供熱系統(tǒng)原理圖）

三、性能及特點(diǎn)

太陽(yáng)能光伏光電供暖系統(tǒng)是利用以光生伏打效應(yīng)原理制成的太陽(yáng)能電池，將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)。它由太陽(yáng)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(chǔ)水換熱循環(huán)系統(tǒng)等部分組成，其系統(tǒng)組成如圖1－1所示。

1．太陽(yáng)能電池方陣：

太陽(yáng)能電池方陣只有在光照射時(shí)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(shí)將太陽(yáng)能電池方陣有光時(shí)發(fā)的電能儲(chǔ)存起來，供晚上或雨天無光照時(shí)應(yīng)用，所以太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)要裝備儲(chǔ)能蓄電池。太陽(yáng)能電池單體是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，尺寸一般為4cm2到100cm2不等。太陽(yáng)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(dú)作為電源使用。將太陽(yáng)能電池單體進(jìn)行串并聯(lián)封裝后，就成為太陽(yáng)能電池組件，其功率一般為幾瓦至幾十瓦，是可以單獨(dú)作為電源使用的最小單元。太陽(yáng)能電池組件再經(jīng)過串并聯(lián)組合安裝在支架上，就構(gòu)成了太陽(yáng)能電池方陣，可以滿足負(fù)載所要求的輸出功率。(見圖 1－2）。

(圖1－2太陽(yáng)能電池方陣）

2．充放電控制器

充放電控制器控制充電機(jī)為蓄電池組充電，是能自動(dòng)防止蓄電池組過充電和過放電并具有簡(jiǎn)單測(cè)量功能的電子設(shè)備。由于蓄電池組被過充電或過放電后將嚴(yán)重影響其性能和壽命，充放電控制器在光伏系統(tǒng)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(guān)等組成。在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)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(wěn)、高效的為蓄電池充電，并在充電過程中減少損耗、盡量延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命；同時(shí)保護(hù)蓄電池，避免過充電和過放電現(xiàn)象的發(fā)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(shè)備。由于太陽(yáng)能電池和蓄電池發(fā)出的是直流電，負(fù)載是交流負(fù)載，通過使用逆變器設(shè)備,將太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的直流或者蓄電池釋放的直流電轉(zhuǎn)化為負(fù)載需要的工頻交流電。

4．蓄電池組：

蓄電池組是將太陽(yáng)能電池方陣受光照時(shí)所發(fā)出直流電貯存起來供負(fù)載使用。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，電池處于浮充放電狀態(tài)，白天日照量大太陽(yáng)能電池方陣給蓄電池充電，同時(shí)方陣還要給負(fù)載用電，晚上或陰天日照量少時(shí)負(fù)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(shí)還要考慮價(jià)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(chǎng)合也有價(jià)格比較昂貴的鎳鎘蓄電池。我們選用鉛酸蓄電池。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的儲(chǔ)能蓄電池具體有兩個(gè)方面的作用：一是儲(chǔ)能;二是確定太陽(yáng)能光伏發(fā)電方陣的工作點(diǎn)和起到一定鉗位和穩(wěn)定作用,不管方陣電壓隨光照如何變動(dòng),輸出電壓一定被鉗位在蓄電池電壓上。

5．電源控制箱

對(duì)蓄電池組系統(tǒng)，進(jìn)行跟蹤測(cè)量，如蓄電池電壓和充放電電流，測(cè)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(chǔ)水加熱系統(tǒng)的主供電源，市電作為備用電源。

6．儲(chǔ)水加熱系統(tǒng)

自動(dòng)補(bǔ)水裝置保證有足夠的水量供系統(tǒng)循環(huán)使用，蓄電池組中存放的電能，通過電源控制箱，自動(dòng)加熱水箱中的水溫。

7.供熱循環(huán)系統(tǒng)

由各房間采集溫度，由控制器控制水箱水溫，系統(tǒng)溫控器控制循環(huán)泵的循環(huán)運(yùn)行使房間達(dá)到規(guī)定溫度。

四、經(jīng)濟(jì)效益分析

1、原有的費(fèi)用支出

以一中間站工務(wù)維修工區(qū)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(shè)計(jì),房間門直接與戶外相通經(jīng)常開關(guān),人流量大,屬于非節(jié)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(shí)司爐工，每年燃煤、人工、維修費(fèi)用總計(jì)約3萬元。

2、采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷計(jì)算。

以天津地區(qū)180m2現(xiàn)有建筑為例。

主要城市采暖期耗熱量指標(biāo)和采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷指標(biāo)

采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷指標(biāo)，是在采暖室外計(jì)算溫度條件下，為保持室內(nèi)計(jì)算溫度，單位建筑面積在單位時(shí)間內(nèi)需由供熱設(shè)施供給的熱量。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，天津地區(qū)節(jié)能建筑設(shè)計(jì)負(fù)荷耗熱量指標(biāo)為31.54W/m2。即天津地區(qū)采暖室外計(jì)算溫度為-9℃的條件下，為保持室內(nèi)計(jì)算溫度18℃，1m2的建筑面積1h需要由供熱設(shè)施提供的熱量為31.54W/m2。

根據(jù)以上計(jì)算，天津地區(qū)現(xiàn)有非節(jié)能180m2建筑，采暖期一日24小時(shí)所需供熱設(shè)施提供的熱量為:

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

每小時(shí)需要的熱量為

31.54W/m2×180m2×1h=5.67kW·h(20.41兆焦）

采暖期24小時(shí)不間斷供熱，取暖期用電約

5.67kW·h×24h=16193kWh(58295M J）

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

3、根據(jù)負(fù)荷的需要確定太陽(yáng)能電池方陣的數(shù)量

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

0.3kW×7h×0.7=176kW·h(634M J）

整個(gè)采暖期約發(fā)電

176kW·h×119d=21000kW·h(75600M J）

根據(jù)以上計(jì)算,發(fā)電量21000kW·h(75600M J大于用電比的最清潔的能源之一,采用太陽(yáng)能光伏光電供熱系統(tǒng)，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(shí)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(shù)。此系統(tǒng)維護(hù)方便，運(yùn)行穩(wěn)定，完全達(dá)到節(jié)能環(huán)保的要求，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益?？梢蕴岣呖稍偕茉吹睦梅秶?，促進(jìn)改變國(guó)民經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

推廣太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng),不僅在冬季享有溫暖舒適的室內(nèi)環(huán)境，而且為保護(hù)一片藍(lán)天，維護(hù)地球綠色做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。參考文獻(xiàn)：

期刊論文《太陽(yáng)能供熱采暖系統(tǒng)介紹》

期刊論文《光伏系統(tǒng)發(fā)電量計(jì)算的分析》

GB50364-2005《民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》