“光伏+熱源”系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐探究

段宗仁 朱旭紅 楊松 張良利 沈道軍

摘 要：為了研究“光伏+熱源模式”對(duì)于清潔能源的利用及優(yōu)化取暖方式，通過(guò)多樣化能源互補(bǔ)，滿足熱源需求。采取空氣源熱泵、鍋爐、地源熱泵、燃?xì)獗趻鞝t等輔助設(shè)備，形成太陽(yáng)能與空氣能、淺層地能、生物質(zhì)能、電能、燃?xì)獾榷嗄芑パa(bǔ)的取暖模式。結(jié)果表明采用蓄熱、蓄電等蓄能方式，夜間利用谷電取暖和蓄能，白天使用所蓄能量取暖，可以降低取暖運(yùn)行費(fèi)用，確保滿足農(nóng)村地區(qū)取暖需求?？梢缘贸觥肮夥?熱源”的模式推廣能夠有效利用清潔能源實(shí)現(xiàn)取暖及節(jié)能減排降耗的作用。

關(guān)鍵詞：政策；太陽(yáng)能資源；戶用；熱源；模式

Abstract：In order to study the “photovoltaic + heat source mode” for the use of clean energy and optimize heating methods， through the diversification of energy sources to meet the heat source needs. Auxiliary equipment such as air source heat pump， boiler， ground source heat pump and gas wall hanging furnace are adopted to form a heating mode in which solar energy and air energy， shallow ground energy， biomass energy， electric energy and gas are complementary. The results show that the use of heat storage， storage and other energy storage methods， the use of valley electricity for heating and energy storage at night， the use of stored energy for heating during the day， can reduce the heating operation costs， to ensure that the heating needs in rural areas. It can be concluded that the mode promotion of “photovoltaic + heat source” can effectively use clean energy to achieve heating and energy saving， emission reduction and consumption reduction.

Keywords：Policies；Solar Resources；household use；Heat Sources；Models

中圖分類號(hào) ：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

本文基于現(xiàn)有太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)年發(fā)電量數(shù)據(jù)和政府出臺(tái)的相關(guān)扶持“光伏+熱源”的政策性文件及目前市場(chǎng)上各種取暖方式，得出從能量需求角度采用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)用于民用建筑空調(diào)地暖等采暖輔助供能系統(tǒng)的實(shí)踐探究。目前，各國(guó)解決能源與環(huán)境問(wèn)題的主要措施之一就是大力開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能。其中具有工期短、利用建筑屋面的太陽(yáng)能光伏電站，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

1 傳統(tǒng)能源儲(chǔ)量

化石能源逐步枯竭，能源危機(jī)逐步展現(xiàn)。21世紀(jì)初，有關(guān)部門就世界能源儲(chǔ)量調(diào)查顯示：石油可采量為40年，天然氣可采量為61.1年，煤炭可采量為227年。我國(guó)所處的亞太地區(qū)能源儲(chǔ)量約占全球的30%左右，而我國(guó)處于發(fā)展中階段，對(duì)于能源的需求量日益增長(zhǎng)，面臨著不可再生能源儲(chǔ)量日益下降的情況，而對(duì)于可再生能源的開(kāi)發(fā)及利用就顯得格外迫切。

2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)

2.1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電原理

太陽(yáng)能電池的原理如下：

（1）太陽(yáng)能電池吸收光子，半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生光生載流子，電子與空穴的電性相反，電子帶負(fù)電，空穴帶正電。

（2）半導(dǎo)體p-n產(chǎn)生靜電場(chǎng)，將光生載流子中帶正電的空穴以及帶負(fù)電的電子分離開(kāi)。

（3）電子及空穴分彼此分離后，被太陽(yáng)能電池的正、負(fù)極分別收集，在外電路中形成電能。

2.2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用類型及特點(diǎn)

太陽(yáng)能光伏發(fā)電的應(yīng)用方式較多，下面進(jìn)行了具體的分析：

（1）光伏發(fā)電分為BIPV與BAPV兩種方式；BIPV是指光伏建筑一體化，是指建筑在進(jìn)行建造的時(shí)候，其墻體或者屋頂?shù)囊徊糠钟晒夥M件構(gòu)成。此方式不論是從結(jié)構(gòu)還是美觀上需要特別注意。而B(niǎo)APV是指在已經(jīng)完工的建筑上鋪設(shè)光伏組件，此方式需考慮原屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)是否符合承載力要求。

（2）光伏發(fā)電作為清潔能源，且生命周期較長(zhǎng)，可以有效解決能源消耗問(wèn)題。目前北方由于冬天取暖，南方夏天制冷，對(duì)電能需求量極高。而光伏電池所產(chǎn)生的電能有效地解決了這個(gè)問(wèn)題。

（3）偏遠(yuǎn)地區(qū)，由于其電力供應(yīng)的局限性，采用光伏發(fā)電技術(shù)，可以緩解無(wú)電可用的生活狀態(tài)。白天通過(guò)直接使用一部分電能的方式提高生活質(zhì)量，其余部分通過(guò)不同方式儲(chǔ)存等供夜間使用。

（4）目前市場(chǎng)上對(duì)于光伏發(fā)電結(jié)合取暖制冷的產(chǎn)品研究已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)展，充分利用光伏設(shè)備，并結(jié)合各種設(shè)備達(dá)到提高人民生活質(zhì)量的目的。

3 “光伏+熱源”對(duì)于民用采暖的實(shí)用性探究

3.1 太陽(yáng)能資源

我國(guó)年總輻射量、年總直接輻射量、直射比年平均值和年總?cè)照諘r(shí)數(shù)的空間分布情況如圖1所示。

3.2 “光伏+熱源” 利用模式的探究

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)包括：光伏發(fā)電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)。

3.2.1 光伏+石墨烯地暖方式

石墨烯發(fā)熱原理：

（1）石墨烯傳熱能力優(yōu)質(zhì)；

（2）石墨烯具有二維納米結(jié)構(gòu)，厚徑比、比表面積的特性。

（3）通過(guò)特殊加工，石墨烯片層之間形成均勻連通的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。提供一定的電壓即可產(chǎn)生較高的熱量，石墨烯地板模型如圖2所示。

供暖面積：

8m2室內(nèi)面積=1.2kW；10m2室內(nèi)面積=1.5 kW

15m2室內(nèi)面積=2.1kW；20m2室內(nèi)面積=2.8kW

3.2.2 光伏+地?zé)嵩幢梅绞?/p>

以大地作為冷熱源交換的最終位置，利用地面與地下的溫差達(dá)到取暖制冷的效果。

（1）制冷：地源熱泵機(jī)組的壓縮機(jī)對(duì)冷媒做功，形成汽—液轉(zhuǎn)化的循環(huán)，如圖3所示。

（2）制熱：地源熱泵機(jī)組的壓縮機(jī)對(duì)冷媒做功，通過(guò)水路切換將水流動(dòng)方向切換，如圖4所示。

3.2.3 光伏+固體電蓄能供熱方式

光伏+固體電蓄能模式所適用的場(chǎng)所如圖5所示。

（1）利用夜間低谷廉價(jià)電力、風(fēng)電或太陽(yáng)能所發(fā)電力，以發(fā)熱管為媒介；

（2）在電網(wǎng)低谷時(shí)段以高比熱的金屬固體蓄能合金模塊為熱媒進(jìn)行加熱；

（3）以高達(dá)750℃的溫度將其儲(chǔ)存在蓄熱器體內(nèi)；

（4）由電腦控制換熱速度，達(dá)到掌控散熱溫度的目的，以供用戶全天使用，節(jié)省運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。

3.3“光伏+熱源”的結(jié)合方案

“光伏+熱源”分為光伏系統(tǒng)和取暖系統(tǒng)兩部分；光伏系統(tǒng)通過(guò)光伏組件及逆變器等設(shè)備產(chǎn)生與電網(wǎng)同頻率、同相位的交流電，所發(fā)電量有完全自發(fā)自用或自發(fā)自用余額上網(wǎng)兩種方式；供熱系統(tǒng)消耗光伏系統(tǒng)所發(fā)電能，產(chǎn)生熱能以即時(shí)利用或者儲(chǔ)存延時(shí)利用的方式供人們?nèi)粘Ｉ钍褂谩?/p>

“光伏+取暖”系統(tǒng)，根據(jù)用戶性價(jià)比的用戶需求，可具備四大功能：（a）冬天供暖；（b）夏天制冷；（c）四季供應(yīng)熱水；（d）全年生產(chǎn)綠色電力。相較于傳統(tǒng)取暖方式，“光伏+取暖”系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用低，在25年生命周期內(nèi)，經(jīng)濟(jì)性高，供熱效率高。

3.4 屋頂光伏安裝示意圖（圖6）

4 結(jié)果與結(jié)論

（1）隨著光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)以及相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，光伏發(fā)電的效率將不斷提高、成本不斷降低。根據(jù)文中的分析可以看看出，太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)在未來(lái)將會(huì)以光伏建筑一體化應(yīng)用為主，同時(shí)在農(nóng)村地區(qū)建設(shè)小型光伏電站以及獨(dú)立的農(nóng)宅光伏系統(tǒng)，搭配各式供熱系統(tǒng)，達(dá)到清潔能源的合理利用。

（2）供熱系統(tǒng)的不斷完善及市場(chǎng)化對(duì)于“光伏+”的推動(dòng)有著明顯的效果。未來(lái)民用建筑及工商業(yè)廠房的設(shè)計(jì)將考慮光伏及其他能源設(shè)備的安裝條件，通過(guò)以上或其他更多的方式達(dá)到制造熱源的作用，供生產(chǎn)生活使用。

參考文獻(xiàn)

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