光伏光熱一體式陽臺壁掛系統(tǒng)

■ 李篩 張洋 潘大潮 龐連紅

一 引言

陽臺壁掛式太陽能熱水器是將集熱器放置于室外，吸收太陽光，而水箱放置于室內(nèi)的熱水器。由于太陽能集熱器與水箱分離，適應了現(xiàn)代城市高層建筑的安裝，占用自家陽臺空間，互不干擾。

常規(guī)的陽臺壁掛太陽能系統(tǒng)一般有兩種形式，一種是自然循環(huán)方式，系統(tǒng)安裝要求管路不能出現(xiàn)直角彎和反坡，否則會出現(xiàn)氣堵的問題，不利于管道循環(huán)，而不規(guī)則的管道彎曲與室內(nèi)環(huán)境很不協(xié)調(diào)，極大地影響了系統(tǒng)安裝的美觀度；另一種是分體承壓強制循環(huán)方式，系統(tǒng)安裝可以橫平豎直，達到美觀的效果，但是系統(tǒng)要配膨脹罐、泵站和控制系統(tǒng)，成本很高，后期維護費用也很昂貴。

本文介紹了新型的光伏光熱陽臺壁掛系統(tǒng)，徹底解決了常規(guī)陽臺壁掛太陽能的缺點，既保證了陽臺安裝的美觀性，又能免除高昂的系統(tǒng)成本和長期的維護問題。

二 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)運行原理圖如圖1所示：系統(tǒng)使用平板集熱器(也可以選擇U型管集熱器)作為集熱部件，使用搪瓷內(nèi)膽夾套水箱作為儲水箱，以光伏電池作為小型直流循環(huán)泵的動力源，實現(xiàn)系統(tǒng)強制循環(huán)。循環(huán)管路上安裝循環(huán)直流泵(光電泵)，根據(jù)陽光強弱進行智能化強制循環(huán)，主動將集熱器收集的熱量循環(huán)至水箱。

通過光熱轉換，使產(chǎn)品的熱效應達到最佳，同步減少熱損失，達到整體光熱轉換率最高。這款產(chǎn)品不僅大大提高了系統(tǒng)的集熱效率，更是打破了自然循環(huán)式系統(tǒng)管路安裝不能出現(xiàn)直角彎的安裝瓶頸；同時與分體承壓強制循環(huán)相比，價格更低，維護方便，維護成本低。而且該系統(tǒng)專門為建筑一體化而設計，在顏色和安裝上，充分滿足建筑的要求；在系統(tǒng)循環(huán)方式上為強制循環(huán)系統(tǒng)，集熱器的換熱效率高。在價格上配件集成化程度高、免維護、成本低，能很好的滿足建筑一體化的需求。

在本系統(tǒng)中，以峰值輸出功率為18W、峰值輸出電壓18V的單晶硅光伏電池作為小型直流循環(huán)泵的電源，以較低的成本實現(xiàn)強制循環(huán)，克服了自然循環(huán)系統(tǒng)的缺點，并且可以根據(jù)當天太陽輻射的情況自動調(diào)節(jié)循環(huán)速度，實現(xiàn)自動變速控制，提高集熱效率。

利用太陽電池功率輸出隨太陽輻照強度變化而變化這一特性，可實現(xiàn)對直流循環(huán)泵的變速控制。當太陽輻射強時，平板集熱器吸收的能量多，而此時恰好太陽電池輸出功率變大，以太陽能電池為動力源的直流循環(huán)泵轉速變大，此時集熱循環(huán)速度快，可以更快地將平板集熱器中的熱量傳遞到儲水箱中；當太陽輻射弱時，平板集熱器吸收的能量少，而此時恰好太陽電池輸出功率變小，以太陽電池為動力源的直流循環(huán)泵轉速變小，減慢集熱循環(huán)速度；當沒有太陽輻射時，平板集熱器吸收的能量為零，此時太陽電池輸出功率也為零，直流循環(huán)泵停止運轉，集熱循環(huán)停止。

三 循環(huán)泵的研究與開發(fā)

循環(huán)泵是系統(tǒng)中重要的部件，循環(huán)的參數(shù)設計決定了整個系統(tǒng)的性能，泵的質(zhì)量也決定了系統(tǒng)的可靠性。

該系統(tǒng)直接采用無刷直流水泵，采用永磁無刷直流電機的原理，在其轉子上加上葉輪，在外殼結構上設計成使液體作離心運動的腔體構成。因沒有碳刷摩擦，所以沒有火花產(chǎn)生；高效率、低功耗、比有刷電機壽命長、噪音低。

1 水泵流量計算

利用熱量守恒的原則：集熱器吸收的熱量和換熱熱量相等。

其中，t為時間，消去，將單位統(tǒng)一后得：

式中，A為集熱器面積，本系統(tǒng)中取1.73m2；η為集熱器效率，取50%；H為最大輻照功率，ρ為水的密度；C為水的比熱容；芓為集熱器進出口溫度差，認為夾套換熱效率基本穩(wěn)定，溫差取5℃，計算得：

2 循環(huán)泵的揚程計算

按照開式系統(tǒng)進行計算：

H=H1+H2

H1為冷溫水系統(tǒng)總的沿程阻力和局部阻力；H2為開式水系統(tǒng)的靜水壓力即循環(huán)口的高度差，取0.35m。

管道系統(tǒng)水頭損失i=105C-1.85·dj-4.87·Q1.85·l

C為Hazen-Williams/(海澄-威廉)系數(shù)，銅管、不銹鋼管C=130；dj為管道計算內(nèi)徑，取8×10-3m；Q為設計流量，取2.48×10-5m3/s；l為管道沿程總長度，取6m。

計算得i=6.3kPa，即0.63m。

系統(tǒng)需求的最小揚程H=0.98m。

不同廠家開發(fā)的循環(huán)泵各不相同，本系統(tǒng)開發(fā)中選擇的是可以在熱水器系統(tǒng)中使用的循環(huán)水泵38#-21B，根據(jù)計算，可以發(fā)現(xiàn)38#-21B/12V的循環(huán)泵為最理想的系統(tǒng)循環(huán)泵。

3 泵的耐高溫性

在陽臺式系統(tǒng)正常運行時會出現(xiàn)100℃的高溫，所以在水泵開發(fā)中一定要解決高溫的問題。方法是將水泵的控制系統(tǒng)外接到水泵外面，以降低高溫對水泵控制器的影響，同時開發(fā)新的接線板，在布局和選料上注意材料的耐溫性。

直流無刷水泵一般包括轉子、轉軸、葉輪等部件，結構如圖2所示。

表1 水泵材料特征

水泵中的材料選擇是關鍵，經(jīng)過多次測試論證，本系統(tǒng)中選擇材料如表1所示。

四 總結

本系統(tǒng)顛覆了普通陽臺壁掛產(chǎn)品太陽能光熱技術單一運用的形式，以太陽能光熱技術為主導，創(chuàng)新集成光伏發(fā)電系統(tǒng)，提升了系統(tǒng)整體的光熱轉換效率，并且打破了自然循環(huán)式系統(tǒng)管路安裝不能出現(xiàn)直角彎的安裝瓶頸，徹底實現(xiàn)了太陽能熱水系統(tǒng)與建筑、技術和美學的完美融合。