“光伏+熱源”系統(tǒng)技術(shù)應用實踐探究

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”對于清潔能源的利用及優(yōu)化取暖方式，通過多樣化能源互補，滿足熱源需求。采取空氣源熱泵、鍋爐、地源熱泵、燃氣壁掛爐等輔助設備，形成太陽能與空氣能、淺層地能、生物質(zhì)能、電能、燃氣等多能互補的取暖模式。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，可以降低取暖運行費用，確保滿足農(nóng)村地區(qū)取暖需求。可以得出“光伏+熱源”的模式推廣能夠有效利用清潔能源實現(xiàn)取暖及節(jié)能減排降耗的作用。

關鍵詞：政策；太陽能資源；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 ：TM615 文獻標志碼：A

0 引言

本文基于現(xiàn)有太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)年發(fā)電量數(shù)據(jù)和政府出臺的相關扶持“光伏+熱源”的政策性文件及目前市場上各種取暖方式，得出從能量需求角度采用太陽能光伏發(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)的實踐探究。目前，各國解決能源與環(huán)境問題的主要措施之一就是大力開發(fā)利用太陽能。其中具有工期短、利用建筑屋面的太陽能光伏電站，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

1 傳統(tǒng)能源儲量

化石能源逐步枯竭，能源危機逐步展現(xiàn)。21世紀初，有關部門就世界能源儲量調(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。我國所處的亞太地區(qū)能源儲量約占全球的30%左右，而我國處于發(fā)展中階段，對于能源的需求量日益增長，面臨著不可再生能源儲量日益下降的情況，而對于可再生能源的開發(fā)及利用就顯得格外迫切。

2 太陽能光伏發(fā)電技術(shù)

2.1 太陽能光伏發(fā)電原理

太陽能電池的原理如下：

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

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

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

2.2 太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的應用類型及特點

太陽能光伏發(fā)電的應用方式較多，下面進行了具體的分析：

（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，是指建筑在進行建造的時候，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BAPV是指在已經(jīng)完工的建筑上鋪設光伏組件，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，可以有效解決能源消耗問題。目前北方由于冬天取暖，南方夏天制冷，對電能需求量極高。而光伏電池所產(chǎn)生的電能有效地解決了這個問題。

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

（4）目前市場上對于光伏發(fā)電結(jié)合取暖制冷的產(chǎn)品研究已經(jīng)有了長足的進展，充分利用光伏設備，并結(jié)合各種設備達到提高人民生活質(zhì)量的目的。

3 “光伏+熱源”對于民用采暖的實用性探究

3.1 太陽能資源

我國年總輻射量、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）通過特殊加工，石墨烯片層之間形成均勻連通的導電網(wǎng)絡。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+地熱源泵方式

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到取暖制冷的效果。

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

（2）制熱：地源熱泵機組的壓縮機對冷媒做功，通過水路切換將水流動方向切換，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所如圖5所示。

（1）利用夜間低谷廉價電力、風電或太陽能所發(fā)電力，以發(fā)熱管為媒介；

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

（3）以高達750℃的溫度將其儲存在蓄熱器體內(nèi)；

（4）由電腦控制換熱速度，達到掌控散熱溫度的目的，以供用戶全天使用，節(jié)省運營費用。

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)通過光伏組件及逆變器等設備產(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)生熱能以即時利用或者儲存延時利用的方式供人們?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)運行費用低，在25年生命周期內(nèi)，經(jīng)濟性高，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)化進程的不斷推進以及相關技術(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，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)在未來將會以光伏建筑一體化應用為主，同時在農(nóng)村地區(qū)建設小型光伏電站以及獨立的農(nóng)宅光伏系統(tǒng)，搭配各式供熱系統(tǒng)，達到清潔能源的合理利用。

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

參考文獻

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