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1、太阳能辅助能源集成技术及应用谢建 吴彤 龚彪 赵正德（云南师范大学 能源与环境科学学院，云南，昆明，650092）摘要：随着社会经济发展对能源需求的不断剧增，以及住宅消费和人们对生活品质要求不断提高，低能耗并能与建筑良好结合的热水系统，已经成为寻求的一种商品。本文主要对两种太阳能辅助能源集成技术的应用模式风光互补太阳能电源系统和太阳能热泵多能源系统技术集成原理进行了分析，针对不同气候条件，发挥系统多能源集成技术优势，提高系统运行可靠性和工作效率，降低系统能耗等问题进行了探讨。关键词：太阳能 风光互补 热泵 辅助能源 集成技术 0 引言 随着我国经济的飞速发展，人民生活水平不断提高，人们对住房居
2、住条件以及建筑节能环保要求越来越高。而建筑是我国耗能大户，我国建筑能耗在社会总能耗中所占的比列已达30%，全国每年建筑能耗约为1.3亿1.8亿吨标准煤1。新能源和可再生能源系统的应用，对节能环保起到了重要的作用，但对于普通太阳能应用系统的，由于存在效率和能源转换受天气情况影响大，能源的可靠性及安全性等问题有待进一步研究和审视。 开发和利用新能源(可再生能源和无污染绿色能源)以及改善能源综合利用技术，已是迫切需要解决的重要问题。人类可利用的新能源，如太阳能、风能、地热能、水能、海洋能等能源形式受到高度的关注。但从能源的稳定性、可持久性、数量、设备成本、利用条件等诸多因素考虑，太阳能仍然是最为理想
3、的可再生能源和无污染能源。太阳能的利用形式主要有光热利用、光伏发电利用和光化学转换三种形式，已经在各领域得到广泛应用，但由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。风能是因空气流做功而提供给人类的一种可利用的能量，风能的大小决定于风速和空气的密度。据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2%转化为风能，但其总量仍是十分可观的。风能由于其储量巨大，使用无污染以及可再生等特点，已经得到广泛地利用，现在对于风能的利用主要集中在风力发电方向。但是在一些地区风力发电经济性不足，许
4、多地区的风力有间歇性，风力发电需要大量土地兴建风力发电场，才可以生产比较多的能源。热泵是一种将低温热源的热能转移到高温热源的装置，作为节能技术具有独特的优势。空气源热泵是以空气作为热源，通过输入一定量的高品位能源（电能），实现低品位热能向高品位热能转移的热泵装置。但是，在天气寒冷的冬季，空气源热泵无法高效可靠地运行。其它的电加热、燃煤、燃气加热、生物能、地热能等技术也在建筑节能的太阳能辅助能源系统中得到应用。 上述主要介绍的太阳能、风能和热泵各有优缺点，但如果将其以合理的方式结合使用，集成为风光互补系统和太阳能空气源热泵系统，不但可以避免太阳能和风能在天气以及地理环境方面的限制，解决了热泵在较
5、寒冷冬季的低效问题，同时提高系统稳定性和使用效率。彼此取长补短，发挥各自的优势，在实际应用中将比使用单一能源系统更加具有竞争优势。1 太阳能风光互补系统1.1风光互补 太阳能和风能是最普遍的自然资源，也是取之不尽的可再生能源。太阳能与风能在时间上和季节上都有很强的互补性：白天太阳光照好、风小，晚上无光照、风较强；夏季太阳光照强度大而风小，冬季太阳光照强度弱而风大。这种互补性使风光并网发电系统在资源上具有最佳的匹配性，对实现连续、稳定发电提供了较好的解决方案。风光互补发电系统可根据用户用电负荷和自然资源条件进行最佳的合理配置，既可保证系统的可靠性，又能降低发电成本，满足用户用电需求，是当前较为合
6、理、可靠、安全、经济性和环保性好的供电系统。1.2 太阳能风光互补系统1.2.1太阳能风光互补系统组成 风光互补发电系统由太阳能电池、风力发电机组、控制器、蓄电池组和逆变器等几部分组成，有的系统还配置柴油发电机组。其中光电系统和风电系统把太阳能和风能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充放电，最后通过逆变器对用电负荷供电。该系统的优点是太阳能与风能的互补性强，风光互补发电系统弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺陷，提高了供电可靠性高，运行维护成本低。同时，风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的，可降低风光互补发电系统的造价。典型风光互补（可增加柴油发电）发电系统结构见图所示。图1.风光互
7、补系统结构图1.2.2太阳能风光互补系统工作原理 太阳能风光互补系统是基于太阳能光伏发电技术和风力发电技术上的一种多能源结合互补系统，充分发挥太阳能和风力资源的优势和互补性。在阳光充足的晴天，由太阳能电池工作，将太阳能转化为电能，经过控制器向系统蓄电池充电，控制器再控制蓄电池向负载供电。在风力资源也比较丰富的去，当风速达到凤力发电机起动风速后，风机开始转动，带动风力发电机发电。由控制器输出电能供给负载以及给蓄电池充电。在风速超过截止风速时，风机通过机械限速机构使风力机在一定转速下限速运行或停止运行，以保证风力机不致损坏。当连续很多天无风，无太阳时可启动备用柴油发电机对蓄电池补充充电，以防止蓄电
8、池长时间处于缺电状态。对于小型的风光互补发电系统，可以选配柴油发电机。 1.2.2太阳能风光互补路灯 风光互补太阳能路灯与普通太阳能路灯相比，由于其使用了更为可靠地多能源供应系统，使得路灯能够在太阳能匮乏的阴雨天气靠风力发电提供电力，而在风力不足的时段使用太阳能电池发电提供电力，使得路灯系统的全年使用效率整体上大为提升。与普通路灯相比，风光互补太阳能路灯应用范围更广，对环境的适应性更强，一次性投入可以持续产出，使用性能和稳定均有所改善，对环境不产生污染。1.3昆明环湖路太阳能路灯昆明市新建的环湖道路沿途安装的风光互补型太阳能路灯，每公里每天将省电463度，全年将节省近17万度电，预计全程每年将
9、节约550多万元。环湖路上的风光互补太阳能路灯大约9年就可以收回成本。风光互补太阳能路灯见图2所示。图2.风光互补太阳能路灯2太阳能热泵热水系统2.1热泵热水器热泵热水器主要是由压缩机、热交换器、轴流风扇、保温水箱、水泵、储液罐、过滤器、电子膨胀阀和电子自动控制器等组成。接通电源后，轴流风扇开始运转，室外空气通过蒸发器进行热交换，温度降低后的空气被风扇排出系统，同时，蒸发器内部的工质吸热汽化被吸入压缩机，压缩机将这种低压工质气体压缩成高温、高压气体送入冷凝器，被水泵强制循环的水也通过冷凝器，被工质加热后送去供用户使用，而工质被冷却成液体，该液体经膨胀阀节流降温后再次流入蒸发器，如此反复循环工作
10、，空气中的热能被不断“泵”送到水中，使保温水箱里的水温逐渐升高，最后达到55以上，这就是空气源热泵热水器的基本工作原理。目前市场上热泵热水器种类很多，主要有水源和空气源三种系列。水源热泵是利用一定温度的水源(20以上)作为热源以制冷剂为媒介，将水源中的热量吸收后经压缩机压缩制热，通过热交换器与冷水交换热量以达到取暖和制取热水的目的,水源热泵必须有一定温度和流量的水源；空气源热泵以水源热泵类似方法从空气获得热量来加热水。这两种热泵中，空气源热泵受到的条件限制最小，发展空间最大。2.2太阳能热泵热水系统太阳能热泵是将太阳能利用技术与热泵技术有机结合起来，比采用常规工质的空气源热泵提高性能系数50%
11、【3】。将热泵技术与太阳能结合供应生活热水，国内外进行了许多这方面的研究，主要有两种方式，一种是直接以空气源热泵作为太阳能系统的辅助加热设备，另一种是利用太阳能热水为低温热源或将太阳能集热器作为热泵的蒸发器的太阳能热泵系统。前者以太阳能直接加热为主以空气源热泵为辅，解决太阳能供热的连续性问题，但仍旧无法摆脱环境温度对热泵制热性能的影响；后者完全以太阳能作为热泵热源，大大提高了太阳能的利用效率，但太阳能资源不足时仍需要增加其它辅助热源，并且热泵供热能力受太阳能集热量的限制，规模一般比较小。2.2.1太阳能热泵热水系统组成 太阳能热泵热水系统的主要组成部分为太阳能集热器和太阳能辅助加热空气源热泵机
12、组，其他辅助设备与常规的中央热水系统相同，包括太阳能循环泵、热水加热环泵、换热器、热水箱及控制器等。为使空气源热泵在低温环境中高效、稳定、可靠的运行，国内外众多科研单位和生产企业进行了研发和改进，归纳起来主要有三种方式。一是依靠外界辅助热源来提高热泵低温制热性能，比如通过电加热提高热泵制热出水温度、采用燃烧器辅助加热室外换热器、在压缩机周围敷设相变蓄热材料以增加低温条件下制热运行出力等等；二是通过改善制冷剂循环系统来提高热泵的低温制热性能，比如采用双级压缩的空气源热泵，设中间补气回路的空气源热泵等；三是采用变频系统，低温工况下让压缩机高速工作增加工质循环量，同时向压缩机工作腔喷液以防止其过热，
13、从而使热泵机组能够正常运行。 太阳能辅助加热空气源热泵机组是基于上述第一种方式而产生的。在机组的蒸发器上增加了一辅助换热器。热泵在低温环境下制热运行时，高于环境温度的太阳能热水流经该辅助换热器，与将进入蒸发器的室外空气进行热量交换提高其温度，从而使制冷剂在相对较高的环境里蒸发吸热，提高了蒸发温度，改善了压缩机的工作状况。2.2.2太阳能热泵热水系统工作原理太阳能与太阳能辅助加热空气源热泵结合作为热水系统的热源，其目的在于取长补短，使二者互为补充，互为备用，在日照充足时优先使用太阳能加热热水，利用太阳能集热器产生的低温热水作为太阳能辅助加热空气源热泵的辅助热源，从而改善热泵的运行工况，提高其制热
14、性能。这种组合形式，使二者均在相对比较稳定高效的条件下工作，保证系统全年全天候的卫生热水供应。空气源热泵制热过程本质上是对空气中蕴藏的太阳热能的提升利用，根据热泵的工作特性，在整个热水系统的运行过程中，热泵机组作为辅助热源运行所供应的热量中，只有一小部分来自电能，所以太阳能热泵热水系统大大提高了太阳能利用率，减少了对一次能源的消耗。太阳能热泵集成系统结构及原理图见图3.图3.太阳能空气源热泵热水系统太阳能热泵热水系统的运行主要有以下四种工况： （1）太阳能加热生活热水 在大部分日照良好的晴天，系统按此工况工作，此时太阳能循环泵的工作由系统控制器根据太阳能集热器和热水箱的温度进行控制，源源不断的
15、利用集热器采集的热量通过中间换热器输送到热水箱。（2）太阳能辅助热泵机组加热生活热水 当阴天或多云天气，当太阳能集热温度低于热水箱水温不足以直接加热生活热水时，热泵机组启动，利用空气作为热源加热热水箱内生活热水。在秋冬季节，当环境温度低于热泵的经济运行温度时，热泵机组的制热效率下降并且蒸发器表面结霜，此时，热泵辅助加热循环启动，高于环境温度的低温太阳能热水进入热泵机组辅助换热器内，预热通过的空气，使热泵效率提高，并具有防止蒸发器结霜的作用，可以节约热泵机组的耗电量。（3）太阳能和热泵机组同时加热生活热水 在晴天日照良好时，如果热水系统的耗热量大于太阳能集热系统的有效供热量或太阳能集热器的数量较
16、少，不能满足热水系统的用热需求，则太阳能和热泵机组同时工作向热水系统供热。（4）热泵机组直接加热生活热水 在连续的雨雪天气，热水系统所需热量完全由空气源热泵机组提供。此时，太阳能系统处于待机状态，热泵机组单独工作对热水箱加热。 典型太阳能热泵热水系统见图4所示。图4.太阳能热泵热水系统3 几种常用热水器性能对比 3.1热水器运行费用对比 目前，市场上热水器的主流产品包括电热水器、燃气热水器、和太阳能热水器和热泵热水器几大类，但从实际使用分析，它们各具优势和不足。电热水器的工作原理是以电作为能源，通过加热器对水箱内水进行加热。优点主要是初期投入小，设备简单，操作方便，缺点是电热水器使用前需要预热
17、，不能连续使用超出额定容量的水量，没用完的热水会慢慢冷却，造成浪费。水温加热温度高，易结垢，污垢清理麻烦，不清又影响发热器寿命。能耗大，设备必须采取一定的安全措施以防漏电对人身造成的伤害。燃气热水器又称燃气热水炉，它是指以燃气作为燃料，通过燃烧加热方式将热量传递到流经热交换器的冷水中以达到制备热水的目的的一种燃气用具。燃气热水器的优势是设备间单，体积小，运行费用较低，它的缺点主要是表现为系统效率低，并且在燃烧不充分时产生CO等有害气体，不易调温，需定期除垢等。太阳能热水器把太阳光能转化为热能，将水从低温度加热到高温度，以满足人们在生活、生产中的热水使用。太阳能热水器的主要优点表现为运行费用低，
18、节能、环保、不占据室内的空间，设备简单、操作维修方便等，是一种新型的绿色产品。它主要缺点为初期投入大，系统总的效率低，太阳能本身具有的间歇性，不稳定性等。 用空气源热泵制取热水由于其安全、节能、寿命长、不排放毒气等诸多优点，在节能建筑、太阳能辅助能源集成系统等领域得到广泛应用。对部分应用的空气源热泵热水机组与其它热水加热设备运行费用进行了比较，详见表一：表一 几种热水加热设备运行费用对比表 供热方式热泵热水器燃气热水器燃油热水器电热水器太阳能加热一吨水所需的热量：1000kgX(60-20)X1=40000kcal能源种类电液化气轻柴油电电（辅助）能源热值860kcal/度12000kcal/
19、kg10300kcal/kg860kcal/度860kcal/度热效率380%80%80%95%95%能源消耗量12.2度42kg4.85kg49度17度（按35%计算）能源单价064元/度47元/度39元/度064元/度064元/度能源费用78元197元189元314元109元使用年限1015年810年810年810年810年通过比较可以发现：热泵热水器运行成本最低，比电热水器节省75.2%，比燃气热水器节省60.4%，比燃油热水器节省58.7%，比太阳能热水器节省28.4%。3.2太阳能热泵热水系统性能特点与普通的空气源热泵相比较，太阳能辅助加热空气源热泵机组在低温工况下运行具有如下明显的
20、特点：（1）制热系数显著提高 在同样的环境温度下，太阳能辅助加热使制冷剂系统的蒸发温度得以提高，机组的制热性能系数（COP）较普通空气源热泵机组有了明显的提高。（2）防止蒸发器结霜，减少除霜时间 由于辅助热源的加热作用，提高了进入蒸发器的空气温度，使其结霜的可能性降低，这样就可以防止蒸发器表面结霜，使其保持较高的换热效率，同时，机组的化霜次数和时间也大大减少，可以节省大量的电能，并保证热泵机组连续不间断的运行。（3）改善空调压缩机工作环境，延长机组使用寿命 在环境温度较低时，空调压缩机的压缩比急剧升高，压缩机的排气温度常常会超过压缩机允许的工作范围，从而导致压缩机频繁的启停，无法正常工作，长此
21、以往，将会损伤压缩机的整体性能，减少空调设备的使用寿命。通过太阳能作为辅助热源提高系统蒸发温度，间接的改善了压缩机的工作环境，不但解决了压缩机在外界低温环境下不能正常工作的问题，并且可以使整个热泵机组的使用寿命有效延长。3.3 太阳能热泵热水系统的实用意义作为太阳能热泵热水系统的主要组成部分，太阳能和空气源热泵都是技术较为成熟的节能环保产品。太阳能在生活热水系统中的规模化利用已有20余年的历史，空气源热泵的大量应用也有数十年的历史，太阳能热泵热水系统将太阳能与空气源热泵技术有机结合，在不影响二者原有运行功能的条件下，首先发挥太阳能资源及设备的最大效益，选择其它优质节能设备作为辅助能源系统，使其
22、运行效率显著提高，从而保证系统稳定可靠运行，是多能源技术应用和发展的重要途径之一。根据我国北方大部分地区的太阳能资源条件分析，按照卫生热水系统平均耗热量和太阳能集热器日平均得热量确定太阳能热水系统的集热器面积，太阳能热泵热水系统中，太阳能直接加热可满足热水系统全年6080%的热量需求，其余2040%热量由太阳能辅助加热空气源热泵机组供应，热泵平均COP可达3.0，较常规能源的热水系统可至少节能85% 以上。综上所述，太阳能热泵热水系统是一种性能可靠，环保节能的热水系统形式，该系统充分利用太阳能优势及节能性能较好的热泵系统相匹配，实现系统的高效利用，对环境没有污染。在我国大部分地区都可推广应用。
23、多能源集成技术应用于建筑节能中，将发挥最大的节能效益。4 结束语 太阳能以其无污染、清洁环保和取之不尽的特点，在今后人类发展进步的道路上，将发挥更加重要的作用。如果将太阳能与其它优质能源结合使用，彼此取长补短，不但可以实现能源结构的优化和多元化，加强我国经济发展的能源保障能力，还能有效的提高能源的使用效率，减少因大量使用常规能源造成的能源浪费和环境污染问题。多能源系统以其在能源利用率和系统稳定性方面的出色表现，在未来的能源结构中将会发挥积极而重要的作用。参考文献：1李元哲空气源热泵地板辐射建筑节能实用技术J上海节能,2005,1:30-31.2 姚建勋，王刚建筑节能中太阳能热利用J节能技术，2
24、004,3：23-35.3 Abou-Ziyan H Z, Ahmed ，Metwally M N. Solar assisted R22 and R143a heat pump systems for low-temperature application. Applied Thermal Engineering,1997,17(5):455-4694 谢建等，太阳能光伏发电工程实用技术M，化学工业出版社，2010,8.5 谢建等，太阳能热利用工程技术，化学工业出版社，北京：2011,2.6 谢建等、太阳能温室与设施技术，化学工业出版社，北京：2011,1.作者：谢建，云南师范大学能源与环境科学学院教授，专业方向：太阳能利用技术的研究与应用。