一种基于太阳能的光电混合型热水供应系统

许登科　韩文童　桂佩佩　肖莉贞　马新会

摘 要：在国家大力倡导使用新能源的政策和“双碳”目标的背景下，太阳能作为一种清洁能源，在建筑的热利用方面得到广泛应用。本文将光热、光电、储能和安全变压技术相结合，设计一种基于太阳能的光电混合型热水供应系统，通过增加储能模块和变压装置分别解决太阳能不能连续供热和实现安全电压辅助加热的问题。该系统对改善供热能源结构和减轻环境污染均具有重要意义。

关键词：太阳能;光电混合;供热;变压

中图分类号：TU83                                   文献标识码：A                               文章编号：2096-6903（2022）01-0096-03

1 光电混合模式发展概况

随着我国经济的高速发展，城镇化水平和工业化进程不断提升，2010年城镇化率已接近64%。随之带来建筑业的迅猛发展，增加了巨大的能源消耗。据统计，我国建筑能耗占社会总能耗的46%，主要用于建筑制冷、集中供暖和生活热水供应方面。因此，充分利用太阳能进行供暖、制冷和热水供应是实现建筑节能的有效措施。我国太阳能资源丰富，按接收太阳辐射能量的大小分为五个地区类型，其中一、二、三类地区占全国2/3以上的国土面积，日照时间大于2 000 h，辐射总量高于5 000 MJ/m2·a，地表年接收的太阳总辐射能可达5×1019 kJ，具有利用太阳能的良好条件。但是太阳能资源也存在缺点，其一，受地理位置的影响太阳辐射强度差异很大，其二，受昼夜和雨雪天气的影响表现出能量的不连续性，其三，受太阳能光热转换设备效率不高的影响。如何利用新技术和新设备来解决上述的缺点是实现太阳能在建筑中光热利用的关键[1]。在当前的建筑设计中使用太阳能技术，不仅可以提供建筑的用能需求，还可以改善建筑用能结构和促进太阳能产业的发展。另外，大量、合理和高效利用太阳能源可以减少环境污染和缓解化石能源危机。因此，研究建筑中的被动式太阳能利用技术具有重要的意义[2]。

我国光伏产业一直存在着发电成本较高的问题。虽然我国的光伏产业在过去取得了一定发展，但是始终都没有提升太阳能的利用效率，一方面因为太阳能发电的原料成本较高，另一方面是因为太阳能的储存成本高，因此太阳能发电无法被广泛使用。且光伏发电消耗能源较大。光伏发电其中一个重要原料是多晶硅，多晶硅在生产过程中需要较大的能耗。但因为我国多晶硅生产有关技术尚不成熟，故会在生产过程中消耗很多能量。光伏发电技术不成熟。在过去相当长的一段时间内，我国对于光伏发电的研究主要集中在提升其产能上，而缺少了对其新技术、新领域的研究，这就暴露了我国光伏产业相关产品质量和效率落后的问题，从而使企业的竞争力大大下降[3]。当前，我国坚持可持续发展模式，倡导使用可再生能源，而我国的太阳能能源十分丰富，具有巨大的利用价值。但现在太阳能能源有利用效率低下、应用环境条件苛刻等问题，所以提高太阳能利用率并完成其结构的简化就成为现如今应着手应对的主要技术瓶颈。

太阳能热发电技术是指把太阳自然光收集起来并将光能转化为热能，然后利用一般的热机或其他发电技术将热能进行转换的技术。经过数十年的理论探索和实践运用的经验积累，现如今，太阳能热发电的技术有了较大的突破和进展，电站建设所需费用较以前大为减少，位于美国的太阳二号电站的发电成本约为0.1256美元/kWh，美国的赛格电站的发电成本约为0.1039美元/kWh，西班牙的PS10电站的发电成本约为0.1028美元/kWh。现如今，各国努力响应联合国碳达峰全球战略，这是可再生能源技术前所未有的发展机遇，其中具有低成本等优点太阳能热发电技术也进入了飞速发展时期。

可是太阳能有供应不稳定、不连续等缺点，而热发电系统需要长时间稳定運行。为了解决这一突出矛盾，目前有两种主要的解决方案：一种是在系统中创建一个能量存储系统来存储收集到的太阳能[4]。另一个确保持续发电的系统是建立太阳能和其他补充能源生产系统。如果太阳能不足，其他能源供应能源。此外，还可以保证系统的连续稳定运行[5]。现在把蓄能系统与传统太阳能热水器中增加蓄能系统，通过太阳能转化为热能给水加热，将热水储存起来供用户使用，当太阳能不足时，采用储蓄中经转化后的安全电压的电能，辅助加热供用户使用，给人们提供节能、方便安装、安全可靠的优点的热水供应系统。

2 太阳能设备组件

传统的电能和太阳能混合使用的热水供应系统体积庞大，采用昂贵的真空管太阳能热水器，通过两条密封的绝缘水管与储能热水器相连。屋面安装了许多真空管太阳能热水器，室内安装了水箱，水管的密封和保温材料消耗较多。真空管太阳能热水器更重，无法安装多个屋顶，安装不便，材料成本高，墙上开口较多，不美观。储水加热器接AC220V电源，有触电危险，对用户不安全。

传统的太阳能集热器一般由太阳能吸热器、太阳能吸热涂层、强化玻璃板、保温材料、热载体等组成。太阳能吸热器（包括铝复合金、铜复合金、钢复合金、铜铝复合金等）结构复杂，需要多工序改造，制造成本高。太阳能吸热涂层通常与各种贵金属氧化物（如镍、铬、锰、钛和钒）有效结合，这些贵金属氧化物是通过复杂过程形成的。它们的塑性过程复杂，很难控制耐热性和颜色稳定性。此外，太阳能吸热器的金属材料容易被腐蚀，太阳能吸热涂层的吸收性能逐年下降，因此集热器的使用寿命不超过十年。固现采用太阳电池能板代替太阳能真空管，系统采用瓷-铝复合太阳能板。瓷-铝复合太阳能电池板由铝合金基板、改造后的储藏层和纳米材料的吸热涂层组成。铝合金的底座由圆管和板集成化一体构成。导流汇集管和循环管内壁涂覆厌水涂层，防止管道吸附水垢，增强耐蚀性能;采用材料合成技术，将消光剂、黑瓷粉和树脂结合剂等粉末原材料重塑成纳米黑瓷复合粉料，再利用高温固化和静电喷涂工艺制成纳米结构吸热涂层，阳光吸收率高达0.96，导热效率高达0.98，热效率约为 43.6%，热性能优于传统的太阳能集热器，生产成本比普通太阳集热器平均降低约14%[6]。此外，将太阳能板连接一个储能装置，将多余的太阳能转化为电能储存在储能装置中，可以有效解决在遇到阴雨天气时太阳能不足的问题。此外，将太阳能板连接一个储能装置，将多余的太阳能转化为电能储存在储能装置中，可以有效解决在遇到阴雨天气时太阳能不足的问题。

3 系统组成

系统的组成如图1所示，具体包括如下部件：太阳能板TYNDC板为主要热源，选用瓷-铝复合太阳能电池板，将太阳光辐射高效地转化为热能或电能加热采暖用水;储能装置Q1为辅助热源，用于储存多余的太阳能并将其转化为电能，在太阳能不足时，提供电能辅助加热供用户使用;变压器T1将储能设备中的220 V电压转化为24 V安全电压对热水器中的电加热丝DJRQ对热水进行辅助加热，可以有效避免触电事故的发生，保障用户使用安全;漏电开关SL1与储能装置Q1和安全低压储水式电热水器的电加热丝DJRQ相连接，用于确保电路发生短路，漏电等问题时可以自动切断电流，保障用户使用安全;自动控制器ZDKZQ与太阳能板TYNDC、储能装置Q1、安全低压储水式电热水器的电加热丝DJRQ相连接，可以自动控制太阳能与电能混合使用，在太阳能充足时使用太阳能转化为热能加热采暖用水，并且将多余太阳能在储能装置Q1中储存起来，如果遇到阴雨天气，太阳能不足时利用储能装置Q1中的电能加热采暖用水，提高能源利用效率;安全低压储水式电热水器的电加热丝DJRQ用于将电能转化为热能对水进行加热;安全开关SW2与自动控制器ZDKZQ和安全低压储水式电热水器的电加热丝DJRQ相连接，用于确保电路发生短路，漏电等问题时可以自动切断电流，保障用户使用安全;外部电源地线G与安全低压储水式电热水器的电加热丝DJRQ和大地相连接，用于保障机器正常工作、保护人体安全，热水器工作时会产生大量电荷，地线可以把电流引到地面，从而保障人体的生命安全。

4 工作原理

在阳光充足时，通过瓷-铝复合太阳能电池板TYNDC板收集电能，将一部分电能转化为热能给水加热，将热水储存起来供用户使用，自动控制器ZDKZQ可以将多余的太阳能转化为电能通过储能装置Q1储存起来。当遇到阴雨天气，太阳能不足时，采用变压器T1将储能装置Q1的电能进行转化，将220 V标准电压变为可以供用户安全使用的24 V安全电压，辅助加热供用户使用，同时漏电开关SL1、SW2可以保障用户使用安全。给人们提供了节能、方便安装、安全可靠等优点的热水供应系统。

瓷-铝复合太陽能电池板TYNDC板的输出端子+通过导线与自动控制器ZDKZQ的输入端1相连接，瓷-铝复合太阳能电池板TYNDC板的输出端子通过导线与自动控制器ZDKZQ的输入端2相连接，储能系统Q1的零线N通过漏电开关SL1与电源变压器T1的初级的一端相连接，储能系统Q1的火线L通过漏电开关SL1与电源变压器T1的初级的另一端相连接。变压器T1的次级分别与自动控制器ZDKZQ的3号端子、4号端子相连接，自动控制器ZDKZQ的5号端子通过导线与安全低压储水式电热水器的电加热丝DJRQ的一端相连接，自动控制器ZDKZQ的6号端子通过导线与安全低压储水式电热水器的电加热丝DJRQ的另一端相连接，自动控制器ZDKZQ可以实现自动调节太阳能与储存电能的分配使用情况，提高能源的利用效率。如当在太阳能充足时使用太阳能转化为热能加热采暖用水，并且将多余太阳能在储能装置Q1中储存起来，遇到阴天或雨天天气，太阳能不足时，就可以调用储能装置Q1中的电能对水进行加热，确保用户正常使用。安全低压储水式电热水器的电加热丝DJRQ用于加热储水器中的水。安全开关SW2与自动控制器ZDKZQ和安全低压储水式电热水器的电加热丝DJRQ相连接，用于确保电路发生短路，漏电等问题时可以自动切断电流，保障用户使用安全。外部电源地线G与电加热丝DJRQ相连接，用于把电流引到地面，防止用户触电，从而保障人体的生命安全以及保障机器正常工作。

5 结语

本设计用于太阳能供暖领域，涉及一种基于太阳能的光电混合型热水供应系统，热源为太阳能。该系统选用新型的瓷-铝复合太阳能电池板代替传统的太阳能真空管收集太阳能，极大降低了其安装难度，且较普通的太阳能板能量利用效率更高。且增加了储能装置，对于多余的太阳能进行转化，将其转化为电能储存起来，若太阳能不足时，可以使用电能加热，确保用户正常使用。该系统提供了一种节能、安全、安装方便、节约成本的太阳能与电能结合的新型热水供应系统，对改善供热能源结构和减轻环境污染均具有重要意义。

参考文献

[1] 党怡天.我国被动式太阳能采暖技术的应用现状及发展前景[J].河南科技，2021，40（7）：119-121.

[2] 霍旭杰，杨柳.中国被动式太阳能采暖设计气候资源潜能[J].太阳能学报，2019，40（11）：3 141-3 147.

[3] 奎明玮，柴向春.太阳能光伏发电应用的现状及发展[J].中国新通信，2018，20（20）：222.

[4] 杨敏林，杨晓西，林汝谋，等.太阳能热发电技术与系统[J].热能动力工程，2008，23（3）：221-228+325.

[5] 史瑞静，王维庆，樊小朝，等.太阳能-热泵复合热水系统分析[J].水力发电，2021，47（12）：66-71+101.

[6] 修大鹏，张新恩，许建华，等.一种新型的瓷-铝复合太阳能板[J].山东科学，2021，34（6）：68-76.

A Photoelectric Hybrid Hot Water Supply System Based on Solar Energy

XU Dengke， HAN Wentong， GUI Peipei， XIAO Lizhen， MA Xinhui

（School of Civil Engineering and Architecture， Anhui University of Science and Technology， Huainan  Anhui 232001）

Abstract： Under the background of the national policy of vigorously advocating the use of new energy and the "dual carbon" target， solar energy， as a clean energy， has been widely used in the heat utilization of buildings. In this paper， photothermal， photoelectric， energy storage and safe voltage converter technology are combined to design a kind of photovoltaic hybrid hot water supply system based on solar energy. By adding energy storage module and voltage converter device， the problems of solar energy can not be continuously heated and safe voltage assisted heating are solved respectively. The system is of great significance to improve heating energy structure and reduce environmental pollution.

Keywords： solar energy; photovoltaic hybrid; heating; potential device

收稿日期：2021-12-06

基金项目：安徽省大学生创新创业训练计划项目：一种基于太阳能的光电混合型热水供应系统，编号S202110361058;一种基于太阳能与余热回收的全空气空调系统设计，编号202110361026

作者简介：许登科（1978—），男，安徽定远人，硕士研究生，讲师，研究方向：建筑节能和清洁能源利用。