一種具有清洗功能的采光集熱太陽能屋面系統(tǒng)

田軒奇

摘 要：太陽能是一種重要的可再生能源。本文根據(jù)現(xiàn)有太陽能屋面系統(tǒng)只能利用太陽能發(fā)電卻不能有效利用熱能的缺點(diǎn)，提出了一種帶有傾角可調(diào)節(jié)且具備自動清洗功能的新型采光集熱太陽能屋面系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠有效地在運(yùn)用太陽能發(fā)電的同時采集熱能，提高太陽能的有效利用率。

關(guān)鍵詞：太陽能;采光;集熱;利用率

中圖分類號：F24J2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）09-0142-02

0 引言

太陽能是太陽內(nèi)部連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過程產(chǎn)生的能量，是一種新興的可再生能源。盡管太陽輻射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量的22億分之一，但已高達(dá)173000TW，也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當(dāng)于500萬噸煤，如果這些能量能夠得到充分利用，將會解決日益緊張的礦物燃料供應(yīng)問題。作為太陽能利用實(shí)例的一種，太陽能屋面系統(tǒng)，已經(jīng)成為偏遠(yuǎn)地區(qū)電能來源的一種方式，其放置于屋頂之上，采用大面積的太陽能發(fā)電模塊將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，以滿足人們的用電需求，同時也達(dá)到了節(jié)能減排的效果。但自從太陽能屋面系統(tǒng)問世以來，其外形和結(jié)構(gòu)并未發(fā)生太大的變化，在科技飛速發(fā)展的今天，其不足之處已經(jīng)漸漸顯露出來。隨著人們生活標(biāo)準(zhǔn)的提高，人們對太陽能屋面系統(tǒng)有了更高的要求。例如，現(xiàn)有的太陽能屋面系統(tǒng)，只能利用太陽能進(jìn)行發(fā)電，卻將日照所產(chǎn)生的熱量白白浪費(fèi)，而且太陽能發(fā)電模塊表面溫度過高也會降低發(fā)電的效率;同時，現(xiàn)有的太陽能屋面系統(tǒng)也不具備自動清洗功能，在日積月累的積塵后，在其表面會形成泥垢，使得太陽能發(fā)電效率下降甚至不能發(fā)電，人工對其進(jìn)行清理也比較麻煩和危險;并且，太陽東升西落，現(xiàn)有的大多數(shù)太陽能屋面系統(tǒng)不具備太陽跟蹤功能，無法實(shí)現(xiàn)高效發(fā)電。

因此，在利用太陽能發(fā)電的同時，應(yīng)當(dāng)注意對熱能的利用。集熱器就是一種可以將接收到的太陽能轉(zhuǎn)化為熱能的裝置。一般來說，在陽光直射的時候，它提供給集熱器的能量最大。一天之中以及一年四季太陽的高度是變化的，因此，需要根據(jù)太陽的位置對集熱器的角度進(jìn)行調(diào)整來使得集熱器采集的熱量最高。

1 本文的研究方案

本實(shí)用新型旨在設(shè)計(jì)一種具有清洗功能的采光集熱太陽能屋面系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有大多數(shù)太陽能屋面系統(tǒng)無法充分利用日照產(chǎn)生的熱能和熱量影響發(fā)電效率、系統(tǒng)不具備定時自動清洗功能以及太陽能發(fā)電模塊面板角度不可自動調(diào)整的問題。本新型太陽能屋面系統(tǒng)通過加入集熱管和溫差發(fā)電裝置將日照產(chǎn)生的熱能根據(jù)用戶的需要用于產(chǎn)生熱水或者發(fā)電，充分利用太陽能資源;通過加入自動清洗裝置，清洗時先對太陽能發(fā)電模塊面板表面進(jìn)行噴水潤濕，然后刷子通過導(dǎo)軌運(yùn)動進(jìn)行刷洗工作，減少人工清洗帶來的麻煩和避免高空作業(yè)產(chǎn)生的危險，同時，當(dāng)太陽能發(fā)電模塊面板溫度過高時，清洗裝置的噴水口可對面板進(jìn)行噴水降溫，保證高溫狀態(tài)下太陽能發(fā)電效率，避免設(shè)備發(fā)生高溫?fù)p傷;通過加入太陽跟蹤裝置，使得太陽能發(fā)電模塊面板能夠根據(jù)日間太陽的角度變化自動調(diào)整朝向，保證發(fā)電時刻保持在高效狀態(tài)。在對太陽“跟蹤”的技術(shù)上，一些人對此已經(jīng)做出了一些工作。文獻(xiàn)[1]提出了一種太陽集熱器跟蹤臺，但是它的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不利于應(yīng)用。在跟蹤方案上，目前主要有以下幾種設(shè)計(jì)方案。一種是采用實(shí)時追蹤的方案，即根據(jù)太陽的實(shí)時位置不斷對集熱器的角度進(jìn)行調(diào)整，這種方案可以實(shí)現(xiàn)對太陽角度的全時跟蹤，但裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本較高;一種是根據(jù)某一時期采集面接收到太陽熱能的最佳傾角設(shè)計(jì)為這一時期的傾斜角，傾斜角按照時期（例如季節(jié)）進(jìn)行周期調(diào)節(jié)，這樣可以極大降低裝置的復(fù)雜性，節(jié)約成本;另一種則是固定傾角的方案，即在固定角度的條件下尋找這一條件下接收能量最高的角度。按照這一方案設(shè)計(jì)的裝置最為簡單，但接收到的總能量就會降低。文獻(xiàn)[2]從成本與應(yīng)用性的角度出發(fā)，結(jié)合西藏地區(qū)的實(shí)際情況，提出了一種半自動追光型集熱器，根據(jù)西藏地區(qū)維度與時間氣候特征，給出了一種簡單易行的角度調(diào)節(jié)方案。文獻(xiàn)[3]則通過仿真實(shí)驗(yàn)，提出了按季節(jié)周期性調(diào)節(jié)傾角的一種實(shí)用方案。文獻(xiàn)[4]對集熱器的傾斜角與方位角變化的情況進(jìn)行研究，得到集熱器全年最優(yōu)傾角由南至北呈下降趨勢這一結(jié)論。

2 采光集熱太陽能屋面系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

現(xiàn)結(jié)合附圖對本文所述的設(shè)計(jì)方案對進(jìn)行進(jìn)一步說明。一種具有清洗功能的采光集熱太陽能屋面系統(tǒng)俯視圖、正視剖面圖和正視圖參見圖1、圖2和圖3。

太陽能屋面系統(tǒng)的組成包括清洗刷（1），用于清洗刷運(yùn)動的導(dǎo)軌（2），用于發(fā)電的太陽能發(fā)電模塊面板（3），用于對日間太陽角度進(jìn)行跟蹤的太陽跟蹤裝置（4），收集太陽能發(fā)電信息并可對太陽能系統(tǒng)進(jìn)行控制的無線控制模塊（5），用于清洗時和降溫時進(jìn)行噴水工作的噴水口（6），驅(qū)動清洗刷運(yùn)動對稱分布的微型電機(jī)（7），用于加熱水的集熱管（8），可將熱能進(jìn)行發(fā)電的溫差發(fā)電裝置（9），水泵（10），集熱管的進(jìn)水口（11），集熱管的出水口（12）和電能輸出口（13），其中各電子元件之間由導(dǎo)線或電路進(jìn)行連接。

當(dāng)用戶在使用本太陽能屋面系統(tǒng)時，將外接水源接入接集熱管進(jìn)水口（11），將集熱管的出水口（12）接入儲存熱水的保溫儲水箱，將電能輸出口（13）接入外接蓄電池，并將設(shè)備放置于屋頂且有豐富光照的區(qū)域，太陽能模塊面板（3）開始進(jìn)行發(fā)電，此時設(shè)備將自動運(yùn)行，產(chǎn)生的電能將通過電能輸出口（13）向外輸出，用戶可使用手機(jī)使用配套APP通過與無線控制模塊（5）連接進(jìn)入系統(tǒng)，可查看此時太陽能發(fā)電狀態(tài)，并可對日照產(chǎn)生熱量的利用模式進(jìn)行選擇，可選擇熱水模式或者熱電模式;當(dāng)用戶選擇熱水模式時，水泵（10）將會驅(qū)動進(jìn)水口（11）向用于加熱水的集熱管（8）內(nèi)供水，當(dāng)溫度達(dá)到一定值時，熱水從出水口（12）送出，進(jìn)入保溫儲水箱，供用戶使用;當(dāng)用戶選擇熱電模式時，可將熱能進(jìn)行發(fā)電的溫差發(fā)電裝置（9）將會工作，產(chǎn)生的電能通過電能輸出口（13）輸出，將進(jìn)一步提高發(fā)電效率;用戶通過APP也可設(shè)置自動清洗太陽能模塊面板的時間，當(dāng)達(dá)到設(shè)定時間時，水泵（10）將水通過噴水口（6）向面板上噴灑，對面板表面泥垢進(jìn)行潤濕工作，隨后微型電機(jī)（7）將驅(qū)動清洗刷（1）沿著導(dǎo)軌（2）進(jìn)行刷洗工作，保證面板表面的干凈，避免泥垢對發(fā)電效率的影響，當(dāng)夏日日照使得面板表面溫度過高時，系統(tǒng)將自動控制水泵（10）將水通過噴水口（6）向面板上進(jìn)行噴灑降溫，防止高溫對面板造成的熱損傷;當(dāng)日間太陽的角度發(fā)生變化時，太陽跟蹤裝置（4）能時刻對太陽的角度進(jìn)行跟蹤，驅(qū)動面板下的轉(zhuǎn)軸運(yùn)動，使得面板時刻朝向太陽，保證系統(tǒng)最大效率地運(yùn)行。

3 結(jié)語

太陽能的利用受到多種因素的影響，本文著眼于采集器的傾角與對表面污垢的清除提出了一種新型太陽能屋面系統(tǒng)，這一新型太陽能屋面系統(tǒng)通過加入集熱管和溫差發(fā)電裝置，日照產(chǎn)生的熱能也能被充分利用，使得太陽能屋面能源利用效率最大化。太陽能屋面系統(tǒng)加裝有自動清洗裝置，能定時對太陽能發(fā)電模塊面板進(jìn)行清洗工作，保證了面板的清潔，也避免了人工清洗時可能發(fā)生的事故。同時，自動清洗裝置在夏日日照產(chǎn)生異常高溫時，也會介入噴水降溫，減少了高溫對設(shè)備造成的影響和損失。太陽跟蹤裝置的加入可以使太陽能發(fā)電模塊面板自動進(jìn)行朝向角度的調(diào)整來對太陽進(jìn)行跟蹤，保證發(fā)電系統(tǒng)高效地運(yùn)行。因此，本文提出的新型太陽能的利用系統(tǒng)是一個高效可行的方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭小年，黃巧燕，張曉黎，等.太陽集熱器跟蹤臺的設(shè)計(jì)與控制[J].中國機(jī)械工程，2003，6（12）：1007-1008.

[2] 孫媛媛，趙斌，馮婧恒，等.太陽能平板集熱器最佳傾角的確定及動態(tài)調(diào)節(jié)[J].西藏科技，2018，（12）：74-75.

[3] 厚彩琴，楊蓉霞，高嘉龍.安裝朝向和傾角對集熱器性能參數(shù)的影響[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報，2016，42（4）：143-147.

[4] Jafarkazemi，F(xiàn) Saadabadi，Saadabadi，S.Ali.Optimum tilt angle and orientation of solar surface in Abu Dhabi UAE.Renewable Energy.2013，56（8）：44-49.