新型高效光伏發(fā)電熱泵集熱二合一聯(lián)用系統(tǒng)的相關技術研究

陸俊行 楊謙 馬廣

【摘 要】文章介紹了廣西超星太陽能科技有限公司研究新型高效光伏發(fā)電熱泵集熱二合一聯(lián)用系統(tǒng)的相關技術，該系統(tǒng)具備光伏發(fā)電、熱泵集熱等多種功能，可廣泛應用于工業(yè)用水、學校、醫(yī)院、賓館、住宅小區(qū)、家庭住所等熱水供應場所。

【關鍵詞】光伏發(fā)電;熱泵;熱水系統(tǒng)

【中圖分類號】TM615 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）10-0035-02

0 引言

太陽能光伏利用工程技術的集大成者在于太陽能光伏利用建筑一體化。然而，對緩解能源危機的強大需求催生了太陽能光伏利用建筑一體化的新市場，也遇到了一系列實際問題。對此，廣西在太陽能光伏利用建筑一體化具有一定代表性。廣西遇到的問題：一是太陽能光熱利用技術存在如何提高效能、降低成本的問題。其主要原因是企業(yè)對更高效的家用太陽能系統(tǒng)沒有技術支撐，只重視采光集熱技術研究卻沒有大進展，高效電能轉換技術開發(fā)一直未得到重視，質量缺乏保障技術基礎。二是廣西太陽能光伏利用建筑一體化技術幾乎是空白。其主要原因是一體化系統(tǒng)的設計、家用太陽能制造、施工、管理等方面的技術體系沒有開發(fā)和形成，沒有與建筑“四同步”模式有效融合，難以發(fā)揮太陽能光伏利用建筑一體化在民用方面應有的優(yōu)勢。因此，廣西超星太陽能科技有限公司通過自有技術和先進技術相集成，針對這些共性問題進行技術研究與開發(fā)。

1 市場狀況

空氣能熱泵熱水系統(tǒng)的能源來自空氣，取之不盡、用之不竭，且不受天氣的限制，既克服了燃氣、電熱水系統(tǒng)不安全、不衛(wèi)生、不節(jié)能的缺點，也規(guī)避了第3代普通太陽能熱水系統(tǒng)安裝不便、不節(jié)水等缺點。隨著空氣源熱水系統(tǒng)的快速發(fā)展，它已經(jīng)成為人們生活水平提高及節(jié)能環(huán)保的一個衡量標準，行業(yè)也呈現(xiàn)出城市消費多于農(nóng)村消費的特點，農(nóng)村市場基本屬于空白，從這個意義上看其發(fā)展空間極為廣闊。

傳統(tǒng)的熱泵熱水系統(tǒng)已經(jīng)不能適應時代的發(fā)展需求。傳統(tǒng)的熱泵熱水系統(tǒng)電能消耗較大，制熱效率較低，熱水升溫速度慢。隨著新能源相關法規(guī)的出臺、國家政策的傾斜及整個社會節(jié)能降耗的外部大環(huán)境影響，給第4代熱泵熱水系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)帶來了新的發(fā)展機遇，直接推動了空氣能熱泵熱水系統(tǒng)的發(fā)展。近兩年國內空氣源熱泵熱水系統(tǒng)基本上每年保將150%～200%的增長比率。業(yè)內人士指出，作為熱水系統(tǒng)行業(yè)的換代產(chǎn)品，只有不斷進行核心技術創(chuàng)新、提高其性價比和實用性，才是未來的發(fā)展趨勢。廣西超星太陽能科技有限公司研發(fā)的新型高效光伏發(fā)電熱泵集熱二合一聯(lián)用系統(tǒng)，將太陽能光伏發(fā)電、熱泵集熱等先進技術集合起來，實現(xiàn)太陽能光伏板發(fā)電與熱泵集熱高效聯(lián)用。該系統(tǒng)可實現(xiàn)光伏發(fā)電、熱泵集熱二合一等多功能，實現(xiàn)資源利用最大化，創(chuàng)新性強、性價比高，在大力提倡節(jié)約型社會的今天，其市場潛力巨大。

2 光伏發(fā)電熱泵集熱二合一聯(lián)用系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由太陽能接收器、控制裝置、熱泵、保溫水箱等組成，系統(tǒng)的主要技術特點是實現(xiàn)太陽能光伏板發(fā)電與熱泵集熱高效聯(lián)用，利用太陽能光伏板發(fā)電的同時，產(chǎn)生的熱源在接收器里面，供熱泵機器使用，而低溫氣體又循環(huán)回到太陽能接收器里面。該系統(tǒng)可實現(xiàn)光伏發(fā)電、熱泵集熱等多種功能，實現(xiàn)資源利用最大化;可較大降低光伏板工作溫度，提高其發(fā)電效率，并且延長光伏板的使用壽命;使用自主研發(fā)專利技術，提高吸熱涂料的吸熱性能、耐候、防水、抗氧化性能等，顯著提高對太陽光的吸收率;集成各項熱泵先進技術，并通過重新結構設計，提高集熱效率。該系統(tǒng)實用性強，性價比高，可廣泛應用于工業(yè)用水、學校、醫(yī)院、賓館、住宅小區(qū)、家庭住所等熱水供應場所。

2.1 光伏板發(fā)電集熱高效利用技術的研究

該系統(tǒng)主要由太陽能接收器、控制裝置、熱泵、保溫水箱等組成，而太陽能接收器又由上層的太陽能光伏板及下層集熱器連接構成。該系統(tǒng)的主要技術原理是光伏板通過高效吸收太陽光，可供蓄電、發(fā)電、用電的同時，吸收產(chǎn)生的熱量又可以聚集在集熱器里面，高溫氣體供熱泵機器使用，經(jīng)過熱泵循環(huán)，使氣體溫度降低，這樣低溫氣體又回到集熱器內部，實現(xiàn)對光伏板的降溫作用，并依次循環(huán)。該系統(tǒng)最鮮明的特點是實現(xiàn)太陽能光伏板發(fā)電與熱泵集熱高效聯(lián)用，突出功能：將光伏板的工作溫度維持在一定均衡范圍內，提高發(fā)電效率的同時，延長光伏板的使用壽命。通過熱量回收利用，該系統(tǒng)能極大地降低熱泵能耗。

2.2 高效太陽能接收器集熱制作技術

該接收器由太陽能光伏板、蛇管式吸熱板、鋁合金框架等組成，蛇管式吸熱板的銅管分別連接空氣能的壓縮機和電子膨脹閥;鋁合金框框架由高性能鋁合金材料組成;太陽能電池板鑲嵌在鋁合金框架上，光伏發(fā)電板面設計安裝蛇管式吸熱板;蛇管式吸熱板采用導熱系數(shù)高的銅金屬管彎曲成蛇形，然后再與銅質平板焊接構成吸熱板，面積相等的吸熱板與光伏發(fā)電板緊貼在一起，這樣吸熱板就能夠均勻吸收電池板工作產(chǎn)生的熱量，同時有效降低光伏板的工作溫度。通常情況下，太陽能電池板溫度超過55 ℃時轉化率和壽命都會降低，而該太陽能接收器的光電效率比無冷卻功能的單獨光伏系統(tǒng)高，還可延長光伏板的使用壽命。

2.3 光伏板涂層高效吸熱技術研究

為了提高吸熱涂料的吸熱性能及耐候、防水、抗氧化性能等，公司采用自主研發(fā)涂料技術，該涂料配方配比：成膜劑50～100份，成膜助劑10～30份，吸光劑35～55份，溶劑20～50份，助劑10～30份等，其中成膜劑為改性酪素-明膠，需要經(jīng)過400～500 ℃高溫煅燒8～15 h，煅燒后進行球磨1～3 h，即可得到改性酪素-明膠，經(jīng)過改性后，提高該吸熱涂料的耐候性能、抗氧化性能的同時，還提高了其防水性能。吸光劑為鈷藍粉、鈷錳銅氧化物與搪瓷黑或鈷藍粉、鈷錳銅氧化物與有機炭黑調配成黑色;或者使用氧化鉻綠粉、硒硫化鎘粉、氧化鐵紅粉調配成紅色;又或者使用硫化鉛與鈷藍粉調配成藍色;也可使用氧化鉻綠粉、鉛白粉與鈷藍粉調配成綠色。助劑為增塑劑、偶聯(lián)劑、流平劑、潤濕劑和消泡劑。經(jīng)測試，與普通的吸熱涂料相比，該涂料能夠顯著提高對太陽光的吸收率，吸熱更加均勻。

2.4 熱泵先進技術集成研究

首先采用先進技術集成改進壓縮機、冷凝器、節(jié)流裝置、換熱器、膨脹閥、管路等，研究熱泵從低溫熱源的熱能迅速轉移到高溫熱源的新技術。其次是研究解決壓壓縮機、冷凝器、節(jié)流裝置、換熱器、膨脹閥、管路等要求高效率的轉換而帶來的質量和加工、安裝的工效問題，包括熱交換器銅管的厚度、光潔度等。改進與優(yōu)化吸收熱源技術的研究：區(qū)別于傳統(tǒng)的熱泵機器，本系統(tǒng)采用接收器代替?zhèn)鹘y(tǒng)蒸發(fā)器的蛇形吸熱板，其高溫熱源空氣面積較大增加，顯著提高集熱效率。

2.5 水箱高效保溫技術研究

因為熱脹冷縮的原因，熱水系統(tǒng)水箱保溫層的泡沫收縮是普遍存在的問題，即成型收縮率不會為零，本領域稱之為“正常收縮”，但可通過調整發(fā)泡原料的生產(chǎn)配方再輔以科學的發(fā)泡工藝將成型收縮率控制在1%以內，甚至可忽略不計。而因工藝、原料配方、操作等因素造成的“不良泡沫”或長纖維狀泡孔則會嚴重影響泡沫的性能，使泡沫收縮率提高并降低保溫性能。水箱的保溫材料采用公司已獲得授權發(fā)明專利“太陽能熱水器水箱無機防火發(fā)泡保溫材料”，它由組分異氰酸酯和聚醚組合物混合發(fā)泡而得，聚醚組合物含有組合聚醚、二甲醚、殼聚糖、無機阻燃劑、膨脹珍珠巖等主要原料。該材料克服了現(xiàn)有的材料發(fā)泡成型后收縮性大的缺點，可以使泡沫形成球狀或橢圓球狀且分布均勻細密的泡孔，發(fā)泡材料保溫性能穩(wěn)定，并增加泡孔壁的強度，減少泡沫成型時因內外壓差出現(xiàn)的材料壓縮現(xiàn)象，同時適當增加泡沫的開孔率，減少泡沫成型后的收縮率，避免了水箱變形、起鼓起楞甚至開裂的現(xiàn)象，并保證了熱水系統(tǒng)水箱的保溫效果。

3 結論

太陽能光伏發(fā)電是到目前為止最清潔、最長壽的發(fā)電技術。太陽能技術的應用已經(jīng)相當廣泛，未來的樓宇系統(tǒng)中安裝太陽能光伏發(fā)電組件的情況會越來越多，家用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組建從獨立設計到并網(wǎng)設計都會隨之慢慢發(fā)展，形成一個新興的產(chǎn)業(yè)，對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究是一個很有經(jīng)濟前景的課題。熱泵熱水系統(tǒng)因環(huán)保、節(jié)能、安全等眾多優(yōu)勢受到消費者的歡迎，但傳統(tǒng)熱泵熱水系統(tǒng)易受氣候的影響而導致制熱效率低、水升溫速度慢、加熱時間長且耗電量多，增加了成本，影響了熱泵熱水系統(tǒng)的市場推廣，尤其是對于熱水量需求較大的領域。廣西超星太陽能科技有限公司通過技術創(chuàng)新，大膽設計，升級優(yōu)化產(chǎn)品，突破傳統(tǒng)的技術瓶頸將太陽能光伏發(fā)電、熱泵集熱高效接合起來，發(fā)揮該系統(tǒng)的更大效用，性價比高，更符合市場需求。

參 考 文 獻

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