新型太陽能光伏光熱一體化系統設計及分析

紀偞

上海節能技術服務有限公司

0 前言

化石作為常規能源將長期處在能源結構的主導地位，從目前化石能源的污染狀況看，若不盡早選擇清潔能源進行取代，未來的環境狀況不容樂觀。為避免這一狀況的出現，擬發展新的能源資源以替代化石常規能源所占據的能源主導地位。新型能源中最具前景的是可再生能源[1]，而太陽能更因其可長久存在、安全高效的特性成為21世紀以后最受期待、最具希望的能源之一。

然而，太陽能具有不連續、不穩定的特點，導致太陽能光伏系統發電效率不高、太陽能光熱系統制熱不穩定以及太陽能光伏光熱系統在工況多變的實際運行中無法達到較高的性能指標等問題。針對太陽能光伏光熱系統現有的問題，提出讓太陽能光伏光熱系統與相變微膠囊進行結合的方案。其中，相變微膠囊具有性能穩定、儲熱密度高和使用溫度范圍廣的特點，擁有顯熱儲存難以比擬的優點。納米或微膠囊相變材料（NEPCM或MEPCM）可以大幅提高系統的發電效率和傳熱效率[2，3]。

1 相變微膠囊功能性流體的制備和性能

相變微膠囊材料是一種含有相變材料的微小容器（如圖1所示），當它們經歷固體到液體和液相到固相轉變時，它們可以吸收、儲存和釋放大量潛熱，并基本保持溫度不變，且具有粒徑小、比表面積大的優點。同時，其傳熱速率高，在相變器件吸收和釋放潛熱的狀態穩定，可與高溫材料進行良好的混合。

在本次制備試驗研究中，主要試驗材料是使用相變微膠囊材料與基液水進行配置相變微膠囊功能性流體，主要試驗儀器見表1。

圖1 相變微膠囊材料

表1 試驗材料和儀器

試驗流程如圖2所示。

圖2 相變微膠囊功能性流體制備流程

配置成的相變微膠囊功能性流體的物性參數如表2所示：

表2 相變微膠囊功能性流體物性參數

2 系統的主要部件及運行原理

2.1 主要部件

PV/T系統主要由兩部分組成，一部分為PV系統，由太陽能通過太陽能電池轉換為電能，為家庭供電使用；另一部分為PT系統，使水流過太陽能電池板北部，得到低溫的熱水，同時可以提高太陽能電池板的工作效率，得到的低溫熱水通過太陽能熱泵進行循環，產生的熱量儲存在儲熱水箱中，加熱外界流入的水，得到更高溫度的水從而供應家庭生活熱水的需要。原理圖見圖3。

圖3 系統原理圖

完整的太陽能熱水系統由太陽能收集系統、熱交換存儲裝置、輔助能量系統、控制系統、泵和熱水供應系統組成。整個系統分為三個部分：能源供應部分、儲能部分和能源利用部分。分別由太陽能集熱系統和輔助能源系統，熱交換蓄熱裝置和熱水供應系統運行。

太陽能是通過太陽輻射的形式從太陽獲得的能量。主動式太陽能技術包括使用光伏板和太陽能集熱器來利用能量。眾所周知，使用傳統太陽能熱水系統的水加熱具有節省電能、節省燃料、提高太陽能利用率等優點，是環保型設備。

2.2 運行原理

太陽能光伏光熱系統所包含的組件有：PV系統、PV/T系統、儲熱水箱、熱泵等。PV/T主要部件包括：光伏集熱板、保溫層、相變膠囊集熱水箱、熱泵等。水在通過光伏集熱板的時候吸收來自光伏太陽能電池板的熱量，并儲存在含有相變微膠囊材料的儲熱水箱中，以保證太陽能電池板的溫度低于相變微膠囊的相變溫度，從而提高光伏板的發電效率；熱水的產生由熱泵提供，來自相變微膠囊水箱的低溫熱水提供熱量給蒸發器，產生的蒸汽由壓縮機壓縮變成高溫高壓的蒸汽，在冷凝器內放熱，產生45℃的生活用水。

3 系統載荷計算

太陽能熱水系統利用太陽能集熱器收集太陽能，通過太陽能集熱器將光能轉化為熱能，并將收集的熱量通過熱泵系統進行溫度提升，然后傳輸至生活水箱內。該系統可為家庭提供日常生活用水。其中，太陽能熱水系統由兩部分組成——光伏集熱系統和熱水供應系統，在設計選擇的時候所依據的負荷是不盡相同的。在選擇太陽能集熱系統時，每家每戶平均日用水量是主要參考指標，可以根據此數據確定需要多少面積的太陽能集熱器，而最高日用水量則用于確定熱水供應系統的設備和管路。

氣象參數：參考全國各地太陽總輻射量與年平均日照當量表發現，上海市屬于第四類地區，全市太陽能年輻照量為4 190MJ/m2～5 016MJ/m2，取平均值為4 603 MJ/m2，上海市30°傾角表面年平均日太陽輻照量13.98 MJ/m2。上海市年日照時數為1 400h～2 200h，取平均值為1 800h。

其中城市用水額度見表3。

表3 各類型建筑的熱水使用量

我們研究普通家庭的用水用電情況按一家三口計算，取熱水用水的額定值為80L/人·天，選擇供水溫度為45℃。

此外，由于現在人們生活方式的改變，正常家庭的生活用電量有大幅增長的趨勢，對于上海市，生活主要用電負荷已逐步從照明用電為主轉變為以空調負荷為主，尤其在夏季和冬季，每家的用電量會大幅度增加。

表4為一個上海三口之家每日各類主要電器的用電功率及用電量。

表4 各類主要電器的用電功率及用電量

由表4可見，一戶家庭每日最高用電負荷為：6.15kW，基礎用電負荷為1.3kW；取2kW，則每天的用電量約為10kWh。則一個月一般家庭用電量大概為300kWh，等于1.08＊109J。

4 主要部件選型

4.1 太陽能電池板

選取的一塊單晶太陽能光伏板的最大功率為300W，假設每天太陽能光照時間為8h，則：

Q=300W＊8h=2.4kWh

之前我們已計算一個家庭一天平均用電負荷為2kW，每日平均用電量為10 kWh，需要大約5塊該型號太陽能集熱板。

該太陽能集熱板的尺寸為1 956×992×50（mm），其背部集熱總面積為9.7m2。

安裝傾斜角度選擇：太陽直徑為1.39×106km，地球與太陽之間的平均距離為1.5×108km，盡管日地距離很遠，但相對地球而言，太陽的光線來自四面八方，所以，地球上的每一點與入射的太陽光線之間具有一個很小的夾角，這個夾角通常稱為太陽圓面張角，可求得太陽圓面張角的大小為32′，因此，太陽光并非平行光，而是以32′的張角入射地球表面。同樣，當太陽光線平行于橫截面入射到集熱器時，反射光是夾角為32′的放射光束。

太陽能集熱器以30°傾角朝南放置。由于該套熱水系統全年都要使用，因此太陽能集熱器的角度設計應與當地緯度相同，上海緯度約30°，因此集熱器角度設計為30°。

太陽能集熱器安裝：在屋頂安裝面積充足的情況下，該系統集熱器的安裝應考慮以下系列問題。首先應考慮到集熱器與周圍物體的遮擋問題，需要保障集熱器不被周圍的建筑物遮擋。考慮到太陽能集熱系統為全年運行，選擇春分日上午9點為計算時刻。

上式中：

β——太陽高度角（°）；

A——太陽方向角（°）；

d——赤緯角（°）；（春分為0°）

φ——地理緯度，上海：31.24′

h——時角（°）；正午為0°，每小時時角為15°，上午取負，下午取正；則上午9點的時角-45°；

計算得太陽高度角為36.87°，太陽方位角為-61.6°；

S=H＊coth＊cosr0

式中：S——日照間距；m；

H——前排遮擋物高度，取1.1m；

h——計算時的太陽高度角，取40.68°；

r0——計算時刻太陽光線在平面上的投影線與集熱器表面法線在水平面上的投影線之間的夾角，集熱器正南布置時取0°；

代入計算得太陽集熱器的日照間距為1.47m，即太陽能集熱器距南墻的距離為1.47m。又因為集熱器高度角為22.82°，所以集熱器安裝高度為0.78 m，則集熱器間距為0.91m，取間距為1m。

太陽能熱水器吸收來自太陽的光能，將太陽的光能轉換成熱能來加熱水。太陽能集熱器的安裝位置對其發熱效率具有重要影響，必須選擇陽光充足并且可以方便固定的位置，冬季宜不受任何建筑物和周圍樹木的遮擋，一般選擇陽臺、房頂等空閑的地方。

4.2 太陽能熱水系統熱泵選擇

太陽能熱泵是一種將熱泵和熱太陽能電池板集成在一個集成系統中的設備。通常這兩種技術分開使用以產生熱水。但是在該系統中，太陽能熱泵為系統提供低溫熱源，產生的熱量用于供給熱泵的蒸發器。該系統的目標是獲得高COP，然后以更有效和更低價的方式產生能量。可以把熱泵視為一個熱傳輸器，根據不同的季節需求，不斷地將熱空氣從一個地方移動到另一個地方。即使在寒冷的空氣中，也存在熱能。當室外溫度低時，熱泵將外部熱量提取出來并將其轉移到室內。當室外溫暖時，它會反轉方向，就像空調一樣，可以消除家中的熱量。表5為一臺熱泵機組的技術參數。

表5 水源熱泵機組技術參數

最高日耗熱量：按下式計算：

Qd=QrCρ△t/(1.8＊3600)

式中：Qd——最高日平均秒耗熱量（kW）；

Qr——最高日熱水量（m3/d）；取0.24 m3/d；

C——水的比熱，C=4.187（kJ/kg·℃）；

ρ——熱水密度（kg/L）；取0.9857;

△t——水溫的變化量；取25℃

注：假設快速加熱240L熱水，每次加熱60L，每次加熱0.45h；

代入公式得：

Qd=3.80kW

根據熱泵機組選擇，取COP=3

Q=Qd/COP=1.3kW

由此選取的太陽能熱泵的功率≧1.3kW。

4.3 相變微膠囊功能性流體水箱設計

在PV板背部排布集熱器，從而降低PV板的溫度，提高PV系統光電效率，同時得到了低溫熱水。通過直接式太陽能熱水系統的總水量Qh可以根據太陽能集熱板面積和水溫變化量按下面公式計算：

mCp△t=Qs5×0.5×Ac

式中：Qs——上海集熱器采光面上的平均日太陽輻照量，6.2MJ/m2

Ac——集熱板面積，9.7 m2；

△t——水溫變化值；按夏天時的溫差取值，取20℃

Cp——水的比熱容，C=4.187kJ/（kg·℃）

考慮到太陽產生的光能一部分供給PV系統轉換成電能，一部分通過反射等不能被系統所利用，故取50%作為該系統光熱效率。

經計算得出：

m=359.09kg/天

水從PV板吸收的能量全部儲存在相變膠囊功能性流體內，使PV板的溫度始終保持在30℃。由水得到的熱量等于相變膠囊功能性流體得到的熱量，可以得到功能性流體的總量M：

mCp△t=Mk

式中：m——流過PV板水的總量，取359.09L；

△t——水溫變化值；按夏天時的溫差取，取20℃

Cp——水的比熱容，C=4.187kJ/（kg·℃）

k——相變膠囊功能性流體潛熱密度，取147.1J/g

得：

M=204.42kg

根據表2可知，相變膠囊功能性流體的密度為989.6kg/m3，可得體積為：

V=M/ρ=0.21 m3

由此設計相變膠囊功能性流體水箱為：0.8×0.6×0.5m。

5 總結

對太陽能光伏光熱系統，研究了一種相變膠囊，采用相變膠囊的功能性流體參與換熱，設計了提供電力和熱水的光伏光熱系統。在此基礎上，通過配比相變材料，制備相變膠囊的功能性流體，以儲存太陽能的熱量。在提高光伏效率的同時，得到低溫的熱水，通過熱泵，再次提高熱水的溫度，實現家庭電力熱水的供應。