光伏光热一体式阳台壁挂系统

■ 李筛 张洋 潘大潮 庞连红

一 引言

阳台壁挂式太阳能热水器是将集热器放置于室外，吸收太阳光，而水箱放置于室内的热水器。由于太阳能集热器与水箱分离，适应了现代城市高层建筑的安装，占用自家阳台空间，互不干扰。

常规的阳台壁挂太阳能系统一般有两种形式，一种是自然循环方式，系统安装要求管路不能出现直角弯和反坡，否则会出现气堵的问题，不利于管道循环，而不规则的管道弯曲与室内环境很不协调，极大地影响了系统安装的美观度；另一种是分体承压强制循环方式，系统安装可以横平竖直，达到美观的效果，但是系统要配膨胀罐、泵站和控制系统，成本很高，后期维护费用也很昂贵。

本文介绍了新型的光伏光热阳台壁挂系统，彻底解决了常规阳台壁挂太阳能的缺点，既保证了阳台安装的美观性，又能免除高昂的系统成本和长期的维护问题。

二 系统原理

系统运行原理图如图1所示：系统使用平板集热器(也可以选择U型管集热器)作为集热部件，使用搪瓷内胆夹套水箱作为储水箱，以光伏电池作为小型直流循环泵的动力源，实现系统强制循环。循环管路上安装循环直流泵(光电泵)，根据阳光强弱进行智能化强制循环，主动将集热器收集的热量循环至水箱。

通过光热转换，使产品的热效应达到最佳，同步减少热损失，达到整体光热转换率最高。这款产品不仅大大提高了系统的集热效率，更是打破了自然循环式系统管路安装不能出现直角弯的安装瓶颈；同时与分体承压强制循环相比，价格更低，维护方便，维护成本低。而且该系统专门为建筑一体化而设计，在颜色和安装上，充分满足建筑的要求；在系统循环方式上为强制循环系统，集热器的换热效率高。在价格上配件集成化程度高、免维护、成本低，能很好的满足建筑一体化的需求。

在本系统中，以峰值输出功率为18W、峰值输出电压18V的单晶硅光伏电池作为小型直流循环泵的电源，以较低的成本实现强制循环，克服了自然循环系统的缺点，并且可以根据当天太阳辐射的情况自动调节循环速度，实现自动变速控制，提高集热效率。

利用太阳电池功率输出随太阳辐照强度变化而变化这一特性，可实现对直流循环泵的变速控制。当太阳辐射强时，平板集热器吸收的能量多，而此时恰好太阳电池输出功率变大，以太阳能电池为动力源的直流循环泵转速变大，此时集热循环速度快，可以更快地将平板集热器中的热量传递到储水箱中；当太阳辐射弱时，平板集热器吸收的能量少，而此时恰好太阳电池输出功率变小，以太阳电池为动力源的直流循环泵转速变小，减慢集热循环速度；当没有太阳辐射时，平板集热器吸收的能量为零，此时太阳电池输出功率也为零，直流循环泵停止运转，集热循环停止。

三 循环泵的研究与开发

循环泵是系统中重要的部件，循环的参数设计决定了整个系统的性能，泵的质量也决定了系统的可靠性。

该系统直接采用无刷直流水泵，采用永磁无刷直流电机的原理，在其转子上加上叶轮，在外壳结构上设计成使液体作离心运动的腔体构成。因没有碳刷摩擦，所以没有火花产生；高效率、低功耗、比有刷电机寿命长、噪音低。

1 水泵流量计算

利用热量守恒的原则：集热器吸收的热量和换热热量相等。

其中，t为时间，消去，将单位统一后得：

式中，A为集热器面积，本系统中取1.73m2；η为集热器效率，取50%；H为最大辐照功率，ρ为水的密度；C为水的比热容；芓为集热器进出口温度差，认为夹套换热效率基本稳定，温差取5℃，计算得：

2 循环泵的扬程计算

按照开式系统进行计算：

H=H1+H2

H1为冷温水系统总的沿程阻力和局部阻力；H2为开式水系统的静水压力即循环口的高度差，取0.35m。

管道系统水头损失i=105C-1.85·dj-4.87·Q1.85·l

C为Hazen-Williams/(海澄-威廉)系数，铜管、不锈钢管C=130；dj为管道计算内径，取8×10-3m；Q为设计流量，取2.48×10-5m3/s；l为管道沿程总长度，取6m。

计算得i=6.3kPa，即0.63m。

系统需求的最小扬程H=0.98m。

不同厂家开发的循环泵各不相同，本系统开发中选择的是可以在热水器系统中使用的循环水泵38#-21B，根据计算，可以发现38#-21B/12V的循环泵为最理想的系统循环泵。

3 泵的耐高温性

在阳台式系统正常运行时会出现100℃的高温，所以在水泵开发中一定要解决高温的问题。方法是将水泵的控制系统外接到水泵外面，以降低高温对水泵控制器的影响，同时开发新的接线板，在布局和选料上注意材料的耐温性。

直流无刷水泵一般包括转子、转轴、叶轮等部件，结构如图2所示。

表1 水泵材料特征

水泵中的材料选择是关键，经过多次测试论证，本系统中选择材料如表1所示。

四 总结

本系统颠覆了普通阳台壁挂产品太阳能光热技术单一运用的形式，以太阳能光热技术为主导，创新集成光伏发电系统，提升了系统整体的光热转换效率，并且打破了自然循环式系统管路安装不能出现直角弯的安装瓶颈，彻底实现了太阳能热水系统与建筑、技术和美学的完美融合。