1、精選太陽能輔助能源集成技術及應用PAGE PAGE 22太陽能輔助能源集成技術及應用謝建 吳彤 龔彪 趙正德云南師范大學 能源與環境科學學院，云南，昆明，650092摘要：隨著社會經濟開展對能源需求的不斷劇增，以及住宅消費和人們對生活品質要求不斷提高，低能耗并能與建筑良好結合的熱水系統，已經成為尋求的一種商品。本文主要對兩種太陽能輔助能源集成技術的應用模式風光互補太陽能電源系統和太陽能熱泵多能源系統技術集成原理進行了分析，針對不同氣候條件，發揮系統多能源集成技術優勢，提高系統運行可靠性和工作效率，降低系統能耗等問題進行了探討。關鍵詞：太陽能 風光互補 熱泵 輔助能源 集成技術 0 引言 隨著我

2、國經濟的飛速開展，人民生活水平不斷提高，人們對住房居住條件以及建筑節能環保要求越來越高。而建筑是我國耗能大戶，我國建筑能耗在社會總能耗中所占的比列已達30%，全國每年建筑能耗約為1.3億1.8億噸標準煤1。新能源和可再生能源系統的應用，對節能環保起到了重要的作用，但對于普通太陽能應用系統的，由于存在效率和能源轉換受天氣情況影響大，能源的可靠性及平安性等問題有待進一步研究和審視。 開發和利用新能源(可再生能源和無污染綠色能源)以及改善能源綜合利用技術，已是迫切需要解決的重要問題。人類可利用的新能源，如太陽能、風能、地熱能、水能、海洋能等能源形式受到高度的關注。但從能源的穩定性、可持久性、數量、設

3、備本錢、利用條件等諸多因素考慮，太陽能仍然是最為理想的可再生能源和無污染能源。太陽能的利用形式主要有光熱利用、光伏發電利用和光化學轉換三種形式，已經在各領域得到廣泛應用，但由于受到晝夜、季節、地理緯度和海拔高度等自然條件的限制以及晴、陰、云、雨等隨機因素的影響，到達某一地面的太陽輻照度既是間斷的又是極不穩定的，這給太陽能的大規模應用增加了難度。風能是因HYPERLINK /view/10696.htm 空氣流HYPERLINK /view/601.htm 做功而提供應人類的一種可利用的HYPERLINK /view/14394.htm 能量，風能的大小決定于HYPERLINK /view/45

4、8087.htm 風速和空氣的密度。據估計到達地球的HYPERLINK /view/21294.htm 太陽能中雖然只有大約2%轉化為風能，但其總量仍是十分可觀的。風能由于其儲量巨大，使用無污染以及可再生等特點，已經得到廣泛地利用，現在對于風能的利用主要集中在風力發電方向。但是在一些地區風力發電經濟性缺乏，許多地區的風力有間歇性，風力發電需要大量土地興建風力發HYPERLINK /view/63151.htm 電場，才可以生產比較多的能源。熱泵是一種將低溫熱源的熱能轉移到高溫熱源的裝置，作為節能技術具有獨特的優勢。空氣源熱泵是以空氣作為熱源，通過輸入一定量的高品位能源電能，實現低品位熱能向高品

5、位熱能轉移的熱泵裝置。但是，在天氣寒冷的冬季，空氣源熱泵無法高效可靠地運行。其它的電加熱、燃煤、燃氣加熱、生物能、地熱能等技術也在建筑節能的太陽能輔助能源系統中得到應用。 上述主要介紹的太陽能、風能和熱泵各有優缺點，但如果將其以合理的方式結合使用，集成為風光互補系統和太陽能空氣源熱泵系統，不但可以防止太陽能和風能在天氣以及地理環境方面的限制，解決了熱泵在較寒冷冬季的低效問題，同時提高系統穩定性和使用效率。彼此取長補短，發揮各自的優勢，在實際應用中將比使用單一能源系統更加具有競爭優勢。1 太陽能風光互補系統1.1風光互補 太陽能和風能是最普遍的自然資源，也是取之不盡的可再生能源。太陽能與風能在時

6、間上和季節上都有很強的互補性：白天太陽光照好、風小，晚上無光照、風較強；夏季太陽光照強度大而風小，冬季太陽光照強度弱而風大。這種互補性使風光并網發電系統在資源上具有最正確的匹配性，對實現連續、穩定發電提供了較好的解決方案。風光互補發電系統可根據用戶用電負荷和自然資源條件進行最正確的合理配置，既可保證系統的可靠性，又能降低發電本錢，滿足用戶用電需求，是當前較為合理、可靠、平安、經濟性和環保性好的供電系統。1.2 太陽能風光互補系統1.2.1太陽能風光互補系統組成 風光互補發電系統由太陽能電池、風力發電機組、控制器、蓄電池組和逆變器等幾局部組成，有的系統還配置柴油發電機組。其中光電系統和風電系統把

7、太陽能和風能轉換成電能，然后通過控制器對蓄電池充放電，最后通過逆變器對用電負荷供電。該系統的優點是太陽能與風能的互補性強，風光互補發電系統彌補了風電和光電獨立系統在資源上的缺陷，提高了供電可靠性高，運行維護本錢低。同時，風電和光電系統在蓄電池組和逆變環節是可以通用的，可降低風光互補發電系統的造價。典型風光互補可增加柴油發電發電系統結構見圖所示。圖1.風光互補系統結構圖1.2.2太陽能風光互補系統工作原理 太陽能風光互補系統是基于太陽能光伏發電技術和風力發電技術上的一種多能源結合互補系統，充分發揮太陽能和風力資源的優勢和互補性。在陽光充足的晴天，由太陽能電池工作，將太陽能轉化為電能，經過控制器向

8、系統蓄電池充電，控制器再控制蓄電池向負載供電。在風力資源也比較豐富的去，當風速到達鳳力發電機起動風速后，風機開始轉動，帶動風力發電機發電。由控制器輸出電能供應負載以及給蓄電池充電。在風速超過截止風速時，風機通過機械限速機構使風力機在一定轉速下限速運行或停止運行，以保證風力機不致損壞。當連續很多天無風，無太陽時可啟動備用柴油發電機對蓄電池補充充電，以防止蓄電池長時間處于缺電狀態。對于小型的風光互補發電系統，可以選配柴油發電機。 1.2.2太陽能風光互補路燈 風光互補太陽能路燈與普通太陽能路燈相比，由于其使用了更為可靠地多能源供應系統，使得路燈能夠在太陽能匱乏的陰雨天氣靠風力發電提供電力，而在風力

9、缺乏的時段使用太陽能電池發電提供電力，使得路燈系統的全年使用效率整體上大為提升。與普通路燈相比，風光互補太陽能路燈應用范圍更廣，對環境的適應性更強，一次性投入可以持續產出，使用性能和穩定均有所改善，對環境不產生污染。1.3昆明環湖路太陽能路燈昆明市新建的環湖道路沿途安裝的風光互補型太陽能路燈，每公里每天將省電463度，全年將節省近17萬度電，預計全程每年將節約550多萬元。環湖路上的風光互補太陽能路燈大約9年就可以收回本錢。風光互補太陽能路燈見圖2所示。圖2.風光互補太陽能路燈2太陽能熱泵熱水系統2.1熱泵熱水器熱泵熱水器主要是由壓縮機、熱交換器、軸流風扇、保溫水箱、水泵、儲液罐、過濾器、電子

10、膨脹閥和電子自動控制器等組成。接通電源后，軸流風扇開始運轉，室外空氣通過蒸發器進行熱交換，溫度降低后的空氣被風扇排出系統，同時，蒸發器內部的工質吸熱汽化被吸入壓縮機，壓縮機將這種低壓工質氣體壓縮成高溫、高壓氣體送入冷凝器，被水泵強制循環的水也通過冷凝器，被工質加熱后送去供用戶使用，而工質被冷卻成液體，該液體經膨脹閥節流降溫后再次流入蒸發器，如此反復循環工作，空氣中的熱能被不斷“泵送到水中，使保溫水箱里的水溫逐漸升高，最后到達55以上，這就是空氣源熱泵熱水器的根本工作原理。目前市場上熱泵熱水器種類很多，主要有水源和空氣源三種系列。水源熱泵是利用一定溫度的水源(20以上)作為熱源以制冷劑為媒介，將

11、水源中的熱量吸收后經壓縮機壓縮制熱，通過熱交換器與冷水交換熱量以到達取暖和制取熱水的目的,水源熱泵必須有一定溫度和流量的水源；空氣源熱泵以水源熱泵類似方法從空氣獲得熱量來加熱水。這兩種熱泵中，空氣源熱泵受到的條件限制最小，開展空間最大。2.2太陽能熱泵熱水系統太陽能熱泵是將太陽能利用技術與熱泵技術有機結合起來，比采用常規工質的空氣源熱泵提高性能系數50%【3】。將熱泵技術與太陽能結合供應生活熱水，國內外進行了許多這方面的研究，主要有兩種方式，一種是直接以空氣源熱泵作為太陽能系統的輔助加熱設備，另一種是利用太陽能熱水為低溫熱源或將太陽能集熱器作為熱泵的蒸發器的太陽能熱泵系統。前者以太陽能直接加熱

12、為主以空氣源熱泵為輔，解決太陽能供熱的連續性問題，但仍舊無法擺脫環境溫度對熱泵制熱性能的影響；后者完全以太陽能作為熱泵熱源，大大提高了太陽能的利用效率，但太陽能資源缺乏時仍需要增加其它輔助熱源，并且熱泵供熱能力受太陽能集熱量的限制，規模一般比較小。2.2.1太陽能熱泵熱水系統組成 太陽能熱泵熱水系統的主要組成局部為太陽能集熱器和太陽能輔助加熱空氣源熱泵機組，其他輔助設備與常規的中央熱水系統相同，包括太陽能循環泵、熱水加熱環泵、換熱器、熱水箱及控制器等。為使空氣源熱泵在低溫環境中高效、穩定、可靠的運行，國內外眾多科研單位和生產企業進行了研發和改進，歸納起來主要有三種方式。一是依靠外界輔助熱源來提

13、高熱泵低溫制熱性能，比方通過電加熱提高熱泵制熱出水溫度、采用燃燒器輔助加熱室外換熱器、在壓縮機周圍敷設相變蓄熱材料以增加低溫條件下制熱運行出力等等；二是通過改善制冷劑循環系統來提高熱泵的低溫制熱性能，比方采用雙級壓縮的空氣源熱泵，設中間補氣回路的空氣源熱泵等；三是采用變頻系統，低溫工況下讓壓縮機高速工作增加工質循環量，同時向壓縮機工作腔噴液以防止其過熱，從而使熱泵機組能夠正常運行。 太陽能輔助加熱空氣源熱泵機組是基于上述第一種方式而產生的。在機組的蒸發器上增加了一輔助換熱器。熱泵在低溫環境下制熱運行時，高于環境溫度的太陽能熱水流經該輔助換熱器，與將進入蒸發器的室外空氣進行熱量交換提高其溫度，從

14、而使制冷劑在相對較高的環境里蒸發吸熱，提高了蒸發溫度，改善了壓縮機的工作狀況。2.2.2太陽能熱泵熱水系統工作原理太陽能與太陽能輔助加熱空氣源熱泵結合作為熱水系統的熱源，其目的在于取長補短，使二者互為補充，互為備用，在日照充足時優先使用太陽能加熱熱水，利用太陽能集熱器產生的低溫熱水作為太陽能輔助加熱空氣源熱泵的輔助熱源，從而改善熱泵的運行工況，提高其制熱性能。這種組合形式，使二者均在相比照擬穩定高效的條件下工作，保證系統全年全天候的衛生熱水供應。空氣源熱泵制熱過程本質上是對空氣中蘊藏的太陽熱能的提升利用，根據熱泵的工作特性，在整個熱水系統的運行過程中，熱泵機組作為輔助熱源運行所供應的熱量中，只

15、有一小局部來自電能，所以太陽能熱泵熱水系統大大提高了太陽能利用率，減少了對一次 HYPERLINK / t _blank 能源的消耗。太陽能熱泵集成系統結構及原理圖見圖3.圖3.太陽能空氣源熱泵熱水系統太陽能熱泵熱水系統的運行主要有以下四種工況： 1太陽能加熱生活熱水 在大局部日照良好的晴天，系統按此工況工作，此時太陽能循環泵的工作由系統控制器根據太陽能集熱器和熱水箱的溫度進行控制，源源不斷的利用集熱器采集的熱量通過中間換熱器輸送到熱水箱。2太陽能輔助熱泵機組加熱生活熱水 當陰天或多云天氣，當太陽能集熱溫度低于熱水箱水溫缺乏以直接加熱生活熱水時，熱泵機組啟動，利用空氣作為熱源加熱熱水箱內生活熱

16、水。在秋冬季節，當環境溫度低于熱泵的經濟運行溫度時，熱泵機組的制熱效率下降并且蒸發器外表結霜，此時，熱泵輔助加熱循環啟動，高于環境溫度的低溫太陽能熱水進入熱泵機組輔助換熱器內，預熱通過的空氣，使熱泵效率提高，并具有防止蒸發器結霜的作用，可以節約熱泵機組的耗電量。3太陽能和熱泵機組同時加熱生活熱水 在晴天日照良好時，如果熱水系統的耗熱量大于太陽能集熱系統的有效供熱量或太陽能集熱器的數量較少，不能滿足熱水系統的用熱需求，那么太陽能和熱泵機組同時工作向熱水系統供熱。4熱泵機組直接加熱生活熱水 在連續的雨雪天氣，熱水系統所需熱量完全由空氣源熱泵機組提供。此時，太陽能系統處于待機狀態，熱泵機組單獨工作對

17、熱水箱加熱。 典型太陽能熱泵熱水系統見圖4所示。 圖4.太陽能熱泵熱水系統3 幾種常用熱水器性能比照 3.1熱水器運行費用比照 目前，市場上熱水器的主流產品包括電熱水器、燃氣熱水器、和太陽能熱水器和熱泵熱水器幾大類，但從實際使用分析，它們各具優勢和缺乏。電熱水器的工作原理是以電作為能源，通過加熱器對水箱內水進行加熱。優點主要是初期投入小，設備簡單，操作方便，缺點是電熱水器使用前需要預熱，不能連續使用超出額定容量的水量，沒用完的熱水會慢慢冷卻，造成浪費。水溫加熱溫度高，易結垢，HYPERLINK /view/871659.htm t _blank 污垢清理麻煩，不清又影響發熱器壽命。能耗大，設備

18、必須采取一定的平安措施以防漏電對人身造成的傷害。燃氣熱水器又稱燃氣熱水爐，它是指以燃氣作為燃料，通過燃燒加熱方式將熱量傳遞到流經HYPERLINK /view/1557098.htm t _blank 熱交換器的冷水中以到達制備熱水的目的的一種燃氣用具。燃氣熱水器的優勢是設備間單，體積小，運行費用較低，它的缺點主要是表現為系統效率低，并且在燃燒不充分時產生CO等有害氣體，不易調溫，需定期除垢等。太陽能HYPERLINK /view/731759.htm t _blank 熱水器把太陽光能轉化為HYPERLINK /view/148748.htm t _blank 熱能，將水從低溫度加熱到高溫度

19、，以滿足人們在生活、生產中的熱水使用。太陽能熱水器的主要優點表現為運行費用低，節能、環保、不占據室內的空間，設備簡單、操作維修方便等，是一種新型的綠色產品。它主要缺點為初期投入大，系統總的效率低，太陽能本身具有的間歇性，不穩定性等。 用空氣源熱泵制取熱水由于其平安、節能、壽命長、不排放毒氣等諸多優點，在節能建筑、太陽能輔助能源集成系統等領域得到廣泛應用。對局部應用的空氣源熱泵熱水機組與其它熱水加熱設備運行費用進行了比較，詳見表一：表一 幾種熱水加熱設備運行費用比照表 供熱方式熱泵熱水器燃氣熱水器燃油熱水器電熱水器太陽能加熱一噸水所需的熱量：1000kgX(60-20)X1=40000kcal能

20、源種類電液化氣輕柴油電電輔助能源熱值860kcal/度12000kcal/kg10300kcal/kg860kcal/度860kcal/度熱效率380%80%80%95%95%能源消耗量12.2度42kg4.85kg49度17度按35%計算能源單價064元/度47元/度39元/度064元/度064元/度能源費用78元197元189元314元109元使用年限1015年810年810年810年810年通過比較可以發現：熱泵熱水器運行本錢最低，比電熱水器節省75.2%，比燃氣熱水器節省60.4%，比燃油熱水器節省58.7%，比太陽能熱水器節省28.4%。3.2太陽能熱泵熱水系統性能特點與普通的空氣源

21、熱泵相比較，太陽能輔助加熱空氣源熱泵機組在低溫工況下運行具有如下明顯的特點：1制熱系數顯著提高 在同樣的環境溫度下，太陽能輔助加熱使制冷劑系統的蒸發溫度得以提高，機組的制熱性能系數COP較普通空氣源熱泵機組有了明顯的提高。2防止蒸發器結霜，減少除霜時間 由于輔助熱源的加熱作用，提高了進入蒸發器的空氣溫度，使其結霜的可能性降低，這樣就可以防止蒸發器外表結霜，使其保持較高的換熱效率，同時，機組的化霜次數和時間也大大減少，可以節省大量的電能，并保證熱泵機組連續不間斷的運行。3改善空調壓縮機工作環境，延長機組使用壽命 在環境溫度較低時，空調壓縮機的壓縮比急劇升高，壓縮機的排氣溫度常常會超過壓縮機允許的

22、工作范圍，從而導致壓縮機頻繁的啟停，無法正常工作，長此以往，將會損傷壓縮機的整體性能，減少空調設備的使用壽命。通過太陽能作為輔助熱源提高系統蒸發溫度，間接的改善了壓縮機的工作環境，不但解決了壓縮機在外界低溫環境下不能正常工作的問題，并且可以使整個熱泵機組的使用壽命有效延長。3.3 太陽能熱泵熱水系統的實用意義作為太陽能熱泵熱水系統的主要組成局部，太陽能和空氣源熱泵都是技術較為成熟的節能環保產品。太陽能在生活熱水系統中的規模化利用已有20余年的歷史，空氣源熱泵的大量應用也有數十年的歷史，太陽能熱泵熱水系統將太陽能與空氣源熱泵技術有機結合，在不影響二者原有運行功能的條件下，首先發揮太陽能資源及設備的最大效益，選擇其它優質節能設備作為輔助能源系統，使其運行效率顯著提高，從而保證系統穩定可靠運行，是多能源技術應用和開展的重要途徑之一。根據我國北方大局部地區的太陽能資源條件分析，按照衛生熱水系統平均耗熱量和太陽能集熱器日平均得熱量確定太陽能熱水系統的集熱器面積，太陽能熱泵熱水系統中，太陽能直接加熱可滿足熱水系統全年6080%的熱量需求，其余2040%熱量由太陽能輔助加熱空氣源熱泵機組供應，熱泵平均COP可達3.0，較常規 HYPE