小型集成式綠色能源供應(yīng)技術(shù)的研究

賀 康 楊力會

（玖龍紙業(yè)（天津）有限公司 天津 301509）

引言

光伏太陽能發(fā)電技術(shù)目前已經(jīng)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(fā)電成本逐步降低，人們對光伏發(fā)電也已經(jīng)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(fā)電、發(fā)熱技術(shù)為千家萬戶提供綠色的能源，本文主要結(jié)合兩者目前存在的問題，利用技術(shù)互補的特點對兩種技術(shù)方案進行結(jié)合研究，提供一種新的供能思路。

1 技術(shù)背景

在我國黃河以北地區(qū)，傳統(tǒng)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(huán)境污染，有部分地方政府已經(jīng)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(zhuǎn)換成熱量的“直熱式”方式，電能轉(zhuǎn)換為熱能的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fā)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(zhuǎn)換為可以利用的高位熱能，電能轉(zhuǎn)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(tài)時，轉(zhuǎn)換效率在2－4 之間，是一種高效電熱轉(zhuǎn)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(yōu)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(fā)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(zhuǎn)化為電能的一種技術(shù)，是一種清潔可再生能源，在光伏發(fā)電過程中不使用煤等化石能源，無排放。光伏系統(tǒng)技術(shù)在國內(nèi)非常成熟，在家庭中安裝使用方便，缺點是受外部環(huán)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(fā)電系統(tǒng)是將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)，利用的是光生伏特效應(yīng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和分布式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。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(huán)境、能獨立發(fā)電又能并網(wǎng)運行。

太陽集熱技術(shù)以提供熱水為目的。主要由集熱器、保溫水箱、控制系統(tǒng)、自動上水控制箱、循環(huán)泵、管路配件等有機組合而成的。保溫水箱內(nèi)設(shè)有電加熱器，根據(jù)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(shù)原理，將各個方案/技術(shù)原理集成到一個系統(tǒng)中，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，利用各個方案的優(yōu)勢彌補缺點，針對個體提供不同的供能方案，實現(xiàn)能源清潔化，運行成本經(jīng)濟性，保證各時段的供能方案都處于最優(yōu)狀態(tài)，是本技術(shù)方案的出發(fā)點和最終目的。

2 擬解決問題

（1）無論是太陽能熱水系統(tǒng)還是光伏發(fā)電[2]系統(tǒng)，都存在功能單一的問題，只能實現(xiàn)發(fā)電或者發(fā)熱，系統(tǒng)功能都存在一定缺陷。

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

3 技術(shù)方案

3.1 主要工藝流程

設(shè)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(fā)電系統(tǒng)進行冷卻，同時收集熱量。通過集熱水箱穩(wěn)定存儲需要加熱的冷卻水，通過水箱穩(wěn)定供給系統(tǒng)需要的一定溫度和比例的儲熱用水，系統(tǒng)內(nèi)部通過熱量調(diào)節(jié)系統(tǒng)來調(diào)節(jié)分配循環(huán)路徑，達到能源的優(yōu)化利用。

光伏集熱區(qū)，主要布置光伏集熱管裝置，設(shè)置管路連接在一起的集熱管區(qū)以及熱水箱，其特征在于集熱管區(qū)以及熱水箱之間還連接有聚光組件區(qū)，聚光組件區(qū)的冷卻水回路與集熱管區(qū)串聯(lián)或者并聯(lián)聯(lián)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(shè)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(cè)分別活動套設(shè)一防護管（剛性），剛性防護管的外側(cè)通過障礙物直接接觸，其他所用管路材質(zhì)按照通常需求匹配即可，不再逐一累述。

光伏集熱發(fā)電單元控制系統(tǒng)，主機控制單元包括第一主控模塊、房間空氣負荷表征數(shù)據(jù)采集模塊以及機環(huán)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(nèi)房間空氣負荷表征數(shù)據(jù)，采集模塊采集房間空氣負荷表征數(shù)據(jù)、機環(huán)冷熱交互模塊采集的用戶對室內(nèi)環(huán)境溫度的冷熱設(shè)定情況以及每個光伏集熱單元中第二主控模塊發(fā)送的光伏集熱器空腔內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)，并根據(jù)獲取的多個第一采集周期內(nèi)房間空氣負荷表征數(shù)據(jù)、用戶對室內(nèi)環(huán)境溫度的冷熱設(shè)置情況以及每個光伏集熱單元中光伏集熱器空腔內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)，生成每個光伏集熱單元中待驅(qū)動設(shè)備的調(diào)整控制指令；設(shè)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(qū)動模塊，光伏集熱器包括待驅(qū)動設(shè)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(nèi)部溫度，并將當前第二采集周期獲取溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至第二主控模塊；第二主控模塊用于根據(jù)獲取的溫度數(shù)據(jù)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(qū)動模塊驅(qū)動待驅(qū)動設(shè)備進行調(diào)整。

圖1 集熱系統(tǒng)流程圖

3.2 主要補水、供水系統(tǒng)流程

設(shè)計系統(tǒng)通過光伏發(fā)電為整個集成系統(tǒng)提供電力，多余電力通過熱泵生產(chǎn)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(tǒng)流程圖

3.3 系統(tǒng)運行原理說明

（1）該系統(tǒng)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(tǒng)串聯(lián)），效率較高時也可單獨作為熱源（系統(tǒng)并聯(lián)）及電源（供給循環(huán)泵、控制柜、熱泵等設(shè)備用電）實現(xiàn)系統(tǒng)效果優(yōu)于純光電及純光熱系統(tǒng)。

（2）集熱溫差循環(huán)：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(diào)）時，集熱循環(huán)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(diào)）時，循環(huán)泵P1 停止；通過不斷循環(huán)將儲熱水箱內(nèi)水溫提高。

（3）水箱間循環(huán)：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(diào)）時，水箱間循環(huán)泵P2 啟動，將供水水箱中低溫水打入儲熱水箱，儲熱水箱內(nèi)的高溫水補充到供水水箱中，當兩者溫差≤2℃（默認值，可調(diào)）時，循環(huán)泵P2 停止。

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

（5）高溫斷續(xù)循環(huán)：當集熱器溫度T1 高于90℃（默認值，可調(diào)），且僅高于水箱溫度2～10℃范圍內(nèi)時，集熱循環(huán)泵P1-1～P1-4 每循環(huán)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(nèi)有足夠熱水供應(yīng)，當供水水箱的水位≤3 水位（默認值，可調(diào)），補水泵P5 啟動對儲熱水箱補水，將儲熱水箱內(nèi)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(diào)），停止補水。

（7）低水位補水：為保證供水水箱內(nèi)有足夠熱水供應(yīng)，當供水水箱的水位≤3 水位（默認值，可調(diào)），補水泵P5 啟動對集熱水箱補水，將集熱水箱內(nèi)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(diào)），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(jīng)燃氣鍋爐二次加熱后再供入室內(nèi)熱水管網(wǎng)。

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

（10）防結(jié)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(tǒng)結(jié)垢。

3.4 主要結(jié)構(gòu)示意圖

本技術(shù)方案是一種太陽能發(fā)電集熱系統(tǒng)，圖3 為太陽能發(fā)電集熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。包括通過管路連接在一起的集熱管區(qū)以及熱水箱，所述集熱管區(qū)以及熱水箱之間還連接有聚光組件區(qū)，聚光組件區(qū)的冷卻水回路與集熱管區(qū)串聯(lián)或者并聯(lián)聯(lián)通。聚光組件區(qū)的冷卻水回路與集熱管區(qū)之間通過第一控制閥、第二控制閥、第三控制閥實現(xiàn)串聯(lián)或者并聯(lián)聯(lián)通。串聯(lián)聯(lián)通時，關(guān)閉所述第二控制閥以及第三控制閥，打開第一控制閥。并聯(lián)聯(lián)通時，所述第一控制閥關(guān)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(qū)所產(chǎn)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(huán)泵、循環(huán)泵以及冷水泵。冷水泵與熱水箱之間還設(shè)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(tǒng)結(jié)垢，提高系統(tǒng)運行壽命以及減少維護次數(shù)。集熱管區(qū)與供水箱聯(lián)通，供水箱與集熱管區(qū)之間設(shè)有循環(huán)泵，循環(huán)泵的電能供應(yīng)通過聚光組件區(qū)提供。

圖3 太陽能發(fā)電集熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

上面結(jié)合圖3 對本技術(shù)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(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本技術(shù)的啟示下，在不脫離本技術(shù)宗旨和技術(shù)要求的情況下，還可做出很多形式，這些均屬該技術(shù)方案創(chuàng)新性的延伸、發(fā)展。

4 方案優(yōu)點

（1）系統(tǒng)可以小型集成，集中進行發(fā)電、集熱實現(xiàn)功能多元化，系統(tǒng)即可獨立運行也可并網(wǎng)供給。項目技術(shù)可操作性強，根據(jù)不同負荷、需求環(huán)境的特點，可以調(diào)整光伏發(fā)電、光伏集熱、空氣源熱泵、儲熱水箱、供給水箱等重要系統(tǒng)的設(shè)計容量，以滿足最優(yōu)運行方案的需要。

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

（3）電力就地利用、儲存，實現(xiàn)能源有效控制、調(diào)節(jié)。利用光伏發(fā)電的高峰時段正好是用電“尖峰平谷”的“尖峰”時間，實現(xiàn)電量的“變形”轉(zhuǎn)移，變電能為熱能，利用空氣能進行儲熱，能量轉(zhuǎn)化效率可以實現(xiàn)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(tǒng)的運行效率，降低人工勞效，可以根據(jù)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(qū)不便人工維保的條件，目前自動清洗技術(shù)已經(jīng)較為成熟，根據(jù)不同的技術(shù)方案和現(xiàn)場環(huán)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(shè)計參考。例：一種帶有加壓循環(huán)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(tǒng)，所述加壓循環(huán)水泵與輸水管路系統(tǒng)連接，輸水管路系統(tǒng)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(tǒng)的噴淋裝置可以完成360°旋轉(zhuǎn)噴淋；通過噴淋裝置的設(shè)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(zhuǎn)，對光伏組件區(qū)域各個單元進行區(qū)域性清洗，通過對噴淋裝置多點設(shè)置達到對戶用光伏組件表面全覆蓋清洗。循環(huán)加壓水泵的設(shè)置，實現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)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(jiān)控和發(fā)電效率的記錄配合，能夠優(yōu)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(fā)電效率的影響，有效提高戶用光伏組件的發(fā)電功率。

（2）通過對安裝小型集成式綠色能源供應(yīng)系統(tǒng)后的光伏系統(tǒng)收益進行計算量化，可得到安裝小型集成式綠色能源供應(yīng)系統(tǒng)收益測算結(jié)果。但是現(xiàn)有的光伏系統(tǒng)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(yīng)用中，峰谷電價、不同工況下熱泵系統(tǒng)運行效率、儲能設(shè)備老化率及平均充放電效率等參數(shù)并不能固定為實際/理想?yún)?shù)，因此現(xiàn)有方案得到的收益測算結(jié)果準確度不高，不能有效反映系統(tǒng)實際的收益情況。

（3）小型集成式綠色能源供應(yīng)方案的系統(tǒng)收益測算方法，獲取待測算周期內(nèi)每天的光伏發(fā)電電量、逆變器交流側(cè)輸出電量及逆變器交流側(cè)輸入電量；光伏集熱系統(tǒng)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(tǒng)的集熱量；確定熱泵系統(tǒng)每天的運行時間和功率輸出情況，通過設(shè)備現(xiàn)有計量探測裝置，計算熱泵系統(tǒng)工作熱量和電量消耗量；確定待測算周期內(nèi)每天的峰值電價及谷值電價；計算得到待測算周期內(nèi)每天的小型集成式綠色能源供應(yīng)系統(tǒng)收益；對待測算周期內(nèi)每天的小型集成式綠色能源供應(yīng)能系統(tǒng)收益進行累計，得到待測算周期的收益測算結(jié)果。通過上述方案，無需對系統(tǒng)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(shù)，再者得到的收益測算結(jié)果為小型集成式綠色能源供應(yīng)系統(tǒng)的實際收益，相較于現(xiàn)有的收益測算方法，本方法的測算結(jié)果由于考慮了系統(tǒng)的總用能和總產(chǎn)能，相對準確度更高，更能有效反映系統(tǒng)實際的收益情況。

結(jié)語

隨著戶用光伏市場的日趨成熟，光伏發(fā)電補貼價格逐步下跌，單獨的光伏發(fā)電用戶收益也隨之下降。綜合利用光伏集熱與光伏發(fā)電、熱泵系統(tǒng)搭配使用，可規(guī)避分時峰谷電價，且具備提高光伏系統(tǒng)發(fā)電的自發(fā)自用率、集熱系統(tǒng)的高效集熱、熱泵系統(tǒng)的低負荷持續(xù)保障運行能力等優(yōu)點，可以促進綠色小型集中供能用戶和儲能市場持續(xù)增長。用戶對新型戶用儲能系統(tǒng)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(xù)發(fā)展，并于2020 年提出“雙碳目標”：中國力爭2030 年實現(xiàn)碳達峰，2060 年實現(xiàn)碳中和。

如何按計劃承諾實現(xiàn)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(xiàn)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(guān)領(lǐng)域開展競爭性研究，在后續(xù)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(yīng)技術(shù)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。