太阳能光伏光电供热系统在小型建筑物上的应用

赵建生

（北京铁路局天津能源管理监测站 天津,邮编： 300143）

一、前言

铁路企业线长点多，仅北京铁路局就有几百个站点，房屋建筑分布在几千公里的线路上，从几十平方米至几百平方米的小型房屋建筑就有千余处，这些房屋相互间距离远,大多数远离城市供热源,不具备集中供热条件，由于铁路运输生产的性质冬季需要24h不间断供暖，目前大多采用燃煤方式供暖，热效率低，运行环境差，由于锅炉小没有专门的除尘装置，严重污染环境并且需要人工操作。因此改变燃煤供热方式，减少环境污染，采用新能源太阳能光伏光电供热技术具有广泛的发展前景。

太阳能供热系统主要是利用太阳能直接供热，缺陷是连续阴天能量储存不足时需要大量的电力进行辅助加热才能正常供暖。而太阳能光伏光电供热系统利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能,作为供热系统的能源并将多余的电能储存用作为日照不足时供热系统的能源。太阳能光伏发电系统不仅作为供热系统的能源同时还为房屋的照明、空调、热水器等提供电源。太阳能光伏发电系统主要由太阳能电池组件、控制器和逆变器等组成，这些部件的主要构成是电子元器件，不涉及机械部件，所以，光伏发电设备极为精炼、可靠、稳定、寿命长且安装维护简便。目前，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电器，大到兆瓦级电站，小到电动玩具，光伏电源可以无处不在，因此使用太阳能光伏发电技术供暖完全可以在铁路企业小型建筑物上推广应用。

二、供暖系统原理

首先拆除原有燃煤锅炉，保留原有的循环及各房间的散热系统。利用锅炉房空间建储水换热及辅助加热系统，与太阳能光伏光电供暖系统共同组成新的供暖系统。

太阳能光伏光电供暖系统首先将太阳能电池方阵发出的电能，通过控制器由充电机对蓄电池组进行充电，将白天发电系统发出的能量直接储存在蓄电池组中，这时存在蓄电池组中的电为直流电，通过逆变器将直流电转变为工频交流电，通过电源控制箱与市电互为备用作为储水系统的电源。储水系统、供热自动控制循环系统、原有的供热管路系统等组成新的太阳能光伏光电供暖系统。通过热水循环为房间供暖。白天太阳光充足时太阳能光伏发电系统足以满足供热系统的用电，将剩余的电量存储，阴天或夜间通过蓄电池组储存的能量对热水进行辅助加热。储热水箱中的热水，运用循环泵作为循环系统的动力，由供热自动循环系统通过管道将热水输送到终端散热系统，此系统安装自动上水系统保证水箱及系统不缺水，系统温控器控制循环泵的循环运行，使系统成为自动控制系统或半自动控制系统。散热器将热量通过对流或辐射传递给供热空间，回水再输送到集热器。

太阳能光伏发电系统存储的电能不仅作为供热系统的加热能源，还用于整个建筑的照明、空调、热水器的生活用电，原有电源仅作为备用电源使用。

(图1－1太阳能光伏光电供热系统原理图）

三、性能及特点

太阳能光伏光电供暖系统是利用以光生伏打效应原理制成的太阳能电池，将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统。它由太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器、电源控制箱、储水换热循环系统等部分组成，其系统组成如图1－1所示。

1．太阳能电池方阵：

太阳能电池方阵只有在光照射时工作,输出有功功率,到晚上或阴雨天由于光线不足几乎不能输出功率,平时将太阳能电池方阵有光时发的电能储存起来，供晚上或雨天无光照时应用，所以太阳能光伏发电系统要装备储能蓄电池。太阳能电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为4cm2到100cm2不等。太阳能电池单体的工作电压约为0.5V,工作电流约为20－25m A/cm2,一般不能单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行串并联封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。太阳能电池组件再经过串并联组合安装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，可以满足负载所要求的输出功率。(见图 1－2）。

(图1－2太阳能电池方阵）

2．充放电控制器

充放电控制器控制充电机为蓄电池组充电，是能自动防止蓄电池组过充电和过放电并具有简单测量功能的电子设备。由于蓄电池组被过充电或过放电后将严重影响其性能和寿命，充放电控制器在光伏系统中一般是必不可少的。充电控制器主要由电子元器件、仪表、继电器、开关等组成。在太阳能发电系统中，充电控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命；同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。

3．直流/交流逆变器：

逆变器是将直流电变换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池发出的是直流电，负载是交流负载，通过使用逆变器设备,将太阳能电池产生的直流或者蓄电池释放的直流电转化为负载需要的工频交流电。

4．蓄电池组：

蓄电池组是将太阳能电池方阵受光照时所发出直流电贮存起来供负载使用。在光伏发电系统中，电池处于浮充放电状态，白天日照量大太阳能电池方阵给蓄电池充电，同时方阵还要给负载用电，晚上或阴天日照量少时负载用电全部由蓄电池供给,这部分贮存的电能逐步放出。因此，要求蓄电池的自放电要小，而且充电效率要高，同时还要考虑价格和使用是否方便等因素。常用的蓄电池有铅酸蓄电池和硅胶蓄电池，要求较高的场合也有价格比较昂贵的镍镉蓄电池。我们选用铅酸蓄电池。

太阳能光伏发电系统中的储能蓄电池具体有两个方面的作用：一是储能;二是确定太阳能光伏发电方阵的工作点和起到一定钳位和稳定作用,不管方阵电压随光照如何变动,输出电压一定被钳位在蓄电池电压上。

5．电源控制箱

对蓄电池组系统，进行跟踪测量，如蓄电池电压和充放电电流，测量所用的电压和电流表装在控制器面板上。蓄电池组中存放的电能通过逆变器作为储水加热系统的主供电源，市电作为备用电源。

6．储水加热系统

自动补水装置保证有足够的水量供系统循环使用，蓄电池组中存放的电能，通过电源控制箱，自动加热水箱中的水温。

7.供热循环系统

由各房间采集温度，由控制器控制水箱水温，系统温控器控制循环泵的循环运行使房间达到规定温度。

四、经济效益分析

1、原有的费用支出

以一中间站工务维修工区为例,房屋建筑为6间共180m2,房屋高度3.2m，周围无其他建筑,无专门的建筑保温设计,房间门直接与户外相通经常开关,人流量大,属于非节能公共类建筑。原有的燃煤采暖炉日消耗100k g年消耗煤炭大约12吨，冬季采暖期需要雇用临时司炉工，每年燃煤、人工、维修费用总计约3万元。

2、采暖设计热负荷计算。

以天津地区180m2现有建筑为例。

主要城市采暖期耗热量指标和采暖设计热负荷指标

采暖设计热负荷指标，是在采暖室外计算温度条件下，为保持室内计算温度，单位建筑面积在单位时间内需由供热设施供给的热量。

根据相关标准，天津地区节能建筑设计负荷耗热量指标为31.54W/m2。即天津地区采暖室外计算温度为-9℃的条件下，为保持室内计算温度18℃，1m2的建筑面积1h需要由供热设施提供的热量为31.54W/m2。

根据以上计算，天津地区现有非节能180m2建筑，采暖期一日24小时所需供热设施提供的热量为:

31.54W/m2×180m2×24h=136.25kWh(489.6兆焦）

每小时需要的热量为

31.54W/m2×180m2×1h=5.67kW·h(20.41兆焦）

采暖期24小时不间断供热，取暖期用电约

5.67kW·h×24h=16193kWh(58295M J）

循环水泵等辅助用电约500kW·h，整个采暖期约17193kW·h(61895兆焦）。

3、根据负荷的需要确定太阳能电池方阵的数量

要保证正常供暖的需要，太阳能电池发电系统采暖期发电总量要保证在17193kW·h以上。选用300W太阳能光电组件120块组成太阳能电池方阵，若每天光照时间7a,综合效率为60-80%,按效率为70%计算，每天发电约

0.3kW×7h×0.7=176kW·h(634M J）

整个采暖期约发电

176kW·h×119d=21000kW·h(75600M J）

根据以上计算,发电量21000kW·h(75600M J大于用电比的最清洁的能源之一,采用太阳能光伏光电供热系统，代替原有的燃煤炉或小型燃煤无压热水锅炉，能满足供热要求。能做到24小时不间断供热可以完全放弃原有的燃煤供热方式,是解决小型建筑采暖问题的重要支撑技术。此系统维护方便，运行稳定，完全达到节能环保的要求，具有良好的经济效益和社会效益。可以提高可再生能源的利用范围，促进改变国民经济结构和能源结构，达到节能减排的目的。

推广太阳能光伏发电系统,不仅在冬季享有温暖舒适的室内环境，而且为保护一片蓝天，维护地球绿色做出了应有的贡献。参考文献：

期刊论文《太阳能供热采暖系统介绍》

期刊论文《光伏系统发电量计算的分析》

GB50364-2005《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》