太阳能及新能源设计要点

太阳能及其它新能源项目设计概述太阳能及其它新能源项目设计概述 第一章第一章 产品篇产品篇 一 全玻璃真空管 1 1 普通全玻璃真空管 全玻璃真空管一般由内玻璃管 选择性吸收涂层 外玻璃管 卡子及吸气 膜组成 内玻璃管 与外玻璃管构成真空夹层 其内壁容纳用来导热的介质 外壁 上附着选择性吸收涂层 并将选择性吸收涂层所吸收的热量传递到其所容纳的 介质 选择性吸收涂层 该涂层主要由三部分组成 从外到内 依次分别为 减 反层 吸收层 金属反射层 减反层主要起到增透膜 保护膜 减少反射比的 作用 吸收层主要起到吸收光能并转换为热能的作用 金属反射层主要起到反 射作用 即将内管内部的介质所辐射出来的热量反射回去 外玻璃管 与内玻璃管构成真空夹层 采用真空隔热的原理减少内部热量 的散发 但能将外部所传来得光透射进真空管 并保护内部不受损伤 卡子 固定内玻璃管的自由端 减少内外玻璃管之间因震动而造成的相对 位移所带来得破坏力 固定吸气剂 保证吸气剂在烤出吸气膜后 吸气膜的位 置合理 吸气膜 吸收真空夹层内残余或渗透进来得的气体 维持真空夹层的真空 度 同时 吸气膜的大小和有无 还可以检验真空管还有无真空度 1 2 三高管 三靶管 三高管与普通管在性能上的区别主要在 三高管具有耐高温 耐寒冷 高 效的优势 普通真空管在空晒温度达到 270 左右 容易导致吸热膜层脱落 而三高管可以达到 400 左右 三高管在低温地区 尤其在环境温度零下的地 区 吸热能力比普通管高出 12 左右 普通真空管在环境温度 15 的情况下 几乎不产热水 效果上等同三高管在环境温度 40 的工作情况 三高管与普通管的判别方法 观察内管膜层颜色 普通管呈蓝色 略显白 三高管呈蓝色 略显红 观察管口膜层长度 普通管管口大约有 2 5 厘米的长度因高温封口技术造 成的膜层脱落 三高管管口大约只有 1 厘米的长度因高温封口技术造成的膜层 脱落 1 3 紫金管 紫金管与三高管的区别不大 在效率上紫金管是略大于三高管 在使用效 果上几乎无区别 在市场差异性定价和产品多样化的情况下 一般紫金管卖出 的价格比三高管要更高 三高管与紫金管的判别 紫金管颜色呈暗金色或暗黑色 1 4 北方地区推荐使用三高管的原因 创意博所产的普通管 三高管是同一个价格 肯定选用三高管 三高管和 普通管在家装机上的应用区别在冬季比较明显 一般同等条件下 三高管家装 机水温比普通管高出 2 3 在工程应用上 没有对比实验可以参考 暂时不能 提供数据 预计会高出 1 2 但三高管在使用寿命和衰减度上 肯定优于普通 管 二 平板集热器 平板集热器构造非常简单 主要由钢化玻璃盖板 铝合金框架 吸热膜层 金属管流道 保温层及背板组成 平板集热器产品的区别主要就在于吸热膜层的材料和金属管流道 吸热膜 层主要有黑铬 蓝膜 阳极氧化等 价格上当属进口蓝膜最贵 使用效果上蓝 膜优于阳极氧化优于黑铬 但总体在吸热性能上差别不大 主要的差别在于衰 减性上 黑铬涂层的衰减最大 吸热效率 3 5 年就能降到 80 以下 目前的国 产蓝膜也较差 吸热效率很难达到 92 发射率更是居高不下 德国进口蓝膜 吸收率在 92 94 发射率约 5 衰减率不清楚 但整体性能上明显略于三靶 真空管 平板集热器的金属流道选择上 有全铜 全铝 铜铝复合等 流道从 8 22 不等 价格区别上也较大 平板集热器与真空管集热器的比较 1 平板集热器最主要的优势在于安全性 稳定性好 由于钢化玻璃的保护 使得平板表面能抗冰雹等外力打击 即使破损 金属流道密封 也不会造成屋 面跑水的情景 这方面 是真空管最大的弱点 易碎 易炸管 还会造成屋面 跑水等现象 2 平板集热器是一体化结构 外观好 真空管不能单独使用 需要配合水 箱或联箱组合使用 部件多而分散 不能整体运输 不能作为建筑整体部件 平板集热器是一体化构件 应用于阳台壁挂 屋顶嵌入等更加方便 结构稳定 强度高 外观效果更加美观 3 平板集热器是可承压集热器 真空管集热器一般承受的最大压力不能超 过 0 5Bar 最大瞬间压力不能超过 1 5Bar 平板集热器一般承受的最大压力不 能超过 6Bar 最大瞬间压力不能超过 10Bar 平板集热器在承受压力超过产品 规定值后 会导致铜管扩大 管壁变薄 4 平板集热器受安装角度影响大 平板集热器表面钢化盖板玻璃虽采用内 六角结构 降低表面的反射率 但仍受安装角度的影响大 通常 平板表面与 光线入射角小于 45 其吸热能力就开始加速下降 夹角低于 30 时 吸热能 力几乎消失 真空管由于是圆形管 横向安装时 不受太阳高度角的影响 也 就是说不受安装角度的影响 但受太阳方位角的影响 竖向安装时 不受太阳 能方位角的影响 但受太阳高度角的影响 也就说受安装角度的影响 而平板 集热器是同时受太阳高度角和方位角影响 其中太阳高度角对集热器吸热能力 影响最大 太阳方位角影响较小 5 平板集热器保温性能差 平板集热器采用的只是普通保温材料保温 并 且保温厚度低 冬季集热器不工作时 不及时排出水 必将造成集热器冻坏 一般是集热器接口处先冻裂 而集热器内铜管被冻涨 夏季集热器内水温达到 70 80 时 需要大量时间才能升至 90 其散热性能严重影响了水温的继续提 升 真空管集热器在冬季 10 内 不会因自身不工作而被冻损 其保温性能相 当优越 而其在高温段的温度上升 例如 50 90 其温升速度是平稳的下降 下降速率不大 三 光伏篇 光伏电池板有单晶硅 多晶硅 非晶硅等 单晶硅 颜色较纯 光电效率最高 15 左右 最高可达 24 制作成本 高 多晶硅 颜色有印花纹 光电转化效率一般 12 左右 制作成本较低 非晶硅 薄膜式太阳能电池 光电转化效率低 8 10 衰减度高 光伏电池板以直流电形式产电能 是由多个单体电池片串并联组成 通常 使用的工作电压为 12V 18V 36V 逆变器 就是将光伏电池板的直流电转化成各种电压的交流电的设备 是 一个由电容和电感为主的类似振荡和过滤的电路 四 热泵篇 热泵有水源 地源 空气源 污水源等各种热泵 但原理就是利用卡诺循 环和逆卡诺循环 从各种有热量的 源 提取热能 是一种能量的高效转移过 程 以空气源热泵为例说明能量转移过程 1 制热过程 蒸发吸热后的制冷剂变成气态形式进入压缩机 被压缩后 变成高温高压的制冷剂 此时制冷剂中所蕴藏的热量分为两部分 一部分是从 空气中吸收的热量 Q2 一部分是输入压缩机中的电能在压缩制冷剂时转化成的 热量 Q1 被压缩后的高温高压制冷剂进入冷凝器 将其所含热量 Q1 Q2 释放给冷凝器的循环冷水 冷水吸收热量后保存到水箱或直接转移至末端散发 供室内采暖 放热后的制冷剂以再次液态形式进入膨胀机构 节流降压 如此 不间断进行循环 冷水获得的热 量 Q3 制冷剂从空 气中吸收的热量 Q2 驱动压缩机 的电能转化成的热 量 Q1 在标准工 况下 Q2 3Q1 即 消耗 1 份电能 得到 4 份的热量 2 制冷过程 根据卡诺循环基本原 理 压缩机系统中高温高 压气态制冷剂经膨胀机构 节流处理后变为低温低压 的液态制冷剂 进入蒸发 器吸热 室内风机盘管循 环水不断将室内热量运至 蒸发器 被液态制冷剂吸 收 蒸发器吸热后的制冷剂变成气态形式进入压缩机 被压缩后 变成高温高 压的制冷剂 此时制冷剂中所蕴藏的热量分为两部分 一部分是从室内吸收的 热量 Q2 一部分是输入压缩机中的电能在压缩制冷剂时转化成的热量 Q1 被 压缩后的高温高压制冷剂进入冷凝器 将其所含热量 Q1 Q2 释放给冷凝器 的循环冷水 该循环冷水不断通过毛细管网向空气中散发热量 该处冷凝器释 放的热量也可以同时提供给储热水箱 提供生活热水 Q4 放热后的制冷剂以再次液态形式进入膨胀机构 节流降压 如此不间断进 行循环 释放到室外空气或水箱的热量 Q3 Q4 制冷剂从室内空气中吸收的热量 Q2 驱动压缩机的电能转化成的热量 Q1 在标准工况下 Q2 5 8Q1 即消耗 1 份电能 释放 5 8 份的热量 第二章第二章 设计篇设计篇 一 水量与集热面积 真空管 47 1500 每根管含水量 1 3L 日均可产热水 45 8L 真空管 58 1800 每根管含水量 1 8L 日均可产热水 45 10 5L 常规 50 管集热器 每组集热器含水量 75L 日均可产热水 45 400L 其中冬季大约日均 200L 夏季大约日均 800L 该参数是湖州地区所测 1 平方米集热面积 70L 75L 索阳所使用的集热器 实际有效集热面 积约为 4 8 本估算法按实际每组集热器的安装面积计算 索阳为 5 55 平板集热器估算法也按面积法 1 平方米集热面积 50L 夏季勉强能达 到 75L 因为平板集热器的有效面积和安装面积几乎相等 就显得比真空管 参数明显低很多 二 水量与使用人数 人均热水使用量具体参见 建筑给排水设计规范 通常人均热水使用量按 50L 人设计比较经济 以此确定储水箱容积 三 得热系统 不管太阳能集热器是真空管集热器 还是平板集热器等 在得热系统理念 下 凡是太阳能集热器的功能都是一样的 即获取太阳能热源 得热系统一般 由三要素组成 热源 热媒 热存储 热源即是获取太阳能热的形式 热媒是 传输太阳能热的载体或媒介 热存储是太阳能热的最终储存设备 实现太阳能热利用的主要途径就是热源 热媒 热存储 而这途径就是一 个热能的转移过程 我把它称为热能的 运输系统 如何实现热能转移是太阳 能行业的基础 如何实现热能高效率的转移 是太阳能工程行业的核心科技所 在 也是太阳能工程行业为何至今这么低水平的原因所在 这个核心科技始终 没有被人重视和利用 简单地说 设计一个太阳能系统 就是在设计一个太阳 能热转移系统 目前 太阳能行业的热转移方式有 自然循环 温差循环 定温放水 定 温补水 温差循环等 都存在弊端 1 自然循环 水等热媒通常存在密度随着温度的上升而降低的特性 自 动存在热水上浮冷水下沉的热运动 通过自身物理特性实现了局部的热能转移 家装机 阳台壁挂太阳能等都利用了该种热转移方式 自然循环存在的弊端很多 例如热转移距离很近 自身的热运动克服不了 管线阻力 热转移速度低 不适用大系统 单向性 必须有冷热温差产生的条 件而且热能只能向上转移 2 温差循环 就是热能何时转移的问题 答案就是温度差 热源比热存 储设备温度高出例如 8 即表明有热能可以转移了 温差循环利用的就是该 方式 集热器温度比水箱温度高出 8 自动启动循环水泵 将水箱冷水送入 集热器 同时集热器热水被顶入水箱 集热器因冷水补充温度下降 与水箱温 度差为 4 的时候 自动停止水泵 由集热器继续吸收太阳能 如此不断循环 往复 将热量不断转移到水箱 温差循环的好处 只要热源处获得了足够热量 就必然有温差 热能必然 可以被带入水箱 适用于所有有水箱的系统 温差循环的弊端 不适用于即产即用系统或快速得热系统 热转移效率低 耗电量多 循环过程丢失热能多 形式单一 只讲究温差 不考虑实际可利用 温度 太阳能热转移效率要提高 单一的温差循环系统是必然要被淘汰的 是 目前最落后的人工热转移形式 3 定温放水 定温放水的热媒对象就是水 但也可以适用其它热媒 定 温放水也是热能何时转移的问题 答案是集热器热媒达到固定的有效利用温度 通常定温放水是指集热器温度达到 50 时 自动往集热器补充自来水 由自来 水将集热器内的热水顶入水箱 集热器温度因补充自来水而下降 温度下降成 45 时暂时停止补充自来水 继续加热 如此往复 在有水箱的情况下 一般 当水箱满水时停止工作 定温放水的好处 可以直接获得满足温度要求的水 能即产即用 利用自 来水压力 无需消耗运输电费 在平板 热管等快速得热系统下 热效率明显 高于温差循环 定温放水的弊端 在得热速率慢的情况下 集热器获得的热量不能及时或 者不能传递到水箱 4 定温补水 放水 温差循环 该模式是上述两种热转移方式的优势互补 简单的说可以分为两种形式 一种是索阳常用的定温补水 温差循环 该方式的 系统热传递依然是温差循环 只不过是通过控制水箱的水量和现有温度来实现 水温温度的合理性 即热传递一直只是单调的执行温差循环过程 而水箱在水 温满足要求后再间断性补充适量冷水 直至水箱补满水 若当日光照不足 出 现半箱热水的情况属于合理情况 另一种方式是真正的定温放水 温差循环方式 该方式是以执行定温放水为 主 待水箱满水位后 再转成温差循环的方式 一旦水箱水位不满 则自动转 成定温放水模式 5 定温循环 定温循环与定温放水相似 但该方式多用于二次换热系统 是介质系统减 少循环次数或快速得热系统较为经济的运行方式 6 光照直流 循环 大型工业系统 太阳能无法提供足够热量 只能提供部分热量时 采用光 照直流或循环的热传递模式 可以获得更多的太阳能热量 该模式即太阳光照 达到要求后 水直接流经集热器后排出或输送至耗热单位 没有水温要求 该 模式由于运行在集热器的低温特性区段 比有温度控制的模式能获取更多的热 量 四 耗热系统 太阳能得热系统获取热量并存储后 下一个使用热量的过程就是耗热系统 耗热系统简单地讲 就是通过一种合适的方式把储热水箱的热量运输至使用末 端 设计者考虑的就是热量的转移 参考但不受限于常规用热方式 4 1 洗浴用热水系统 太阳能作为洗浴用热水的系统 其耗热方式就是供应热水 通常有自然压 力供水 定压供水 定温供水 恒温恒压供水 变频供水 定时供水等 其本 质就是取决于水温和水压两个参数 设计者得保证洗浴用户末端的出水温度在 38 及以上 70 以下 出水点压 力在 0 5MPa 以上 3 5MPa 以下 较为经济合理的出水压力为 1 0MPa 淋浴洗浴者每分钟获得的热水量要保证在 2L 及以上 非商业浴室 4L Min 热水量较为经济合理 商业浴室 8L Min 较为经济合理 通常出于节能和控制用 水量的目的 不得大于 12L Min 的设计流量 否则不但浪费严重 并且用户会 质疑太阳能厂家 具体出水流量设计需参考淋浴器说明的出水量 对于定时段供应热水的单位 可在开始供水前 5 30 分钟 进行一次供热水 管道循环 保障即开即热的效果 定时段内 可强制启动供水增压泵 但必须 设有回水管路 对于没有回水管道的系统 采用自动增压泵或压力开关控制水 泵启停 对于 24 小时全天候供应热水的单位 必须采用自动增压泵 或变频泵 压 力开关泵 供应热水 设有回水管路的 必须相应安装回水电磁阀 可采用管 路温差循环或定时循环的方式保障管路中时时有热水 建议慎重使用管路温差 循环 供热水管线越长 对系统的散热影响越大 可以造成用户辅助加热 24 小 时开启的情况 甚至水箱没热水 4 2 供暖及其他用热方式 太阳能热水配合其他辅助加热设备 也能对建筑进行供暖 通常散热片供 暖供回水温度 95 70 地暖供回水温度 45 40 如何实现回水温度达到 标准要求 首先理论上以能量守恒的方式计算循环水流量 再实际选配水泵的 时候适当提高或减少水泵的额定流量 出于保障性的角度 可以提供水泵流量 出于经济性的角度 可以减少水泵额定流量 实际上只要额定供水温度达到要 求 回水温度的影响并不大 作为设计者 不会出现循环流量较大的偏离 例 如 200 平米的建筑采暖 采用 1 吨 小时的水泵 也照样能取得很好的室内温度 但这样的设计只是争对设计者自家住宅来设计的 因为经济实用 对于索阳用 户 设计流量越大 风险就越低 所以得取高值 太阳能热水作为锅炉用水的一部分 我个人建议太阳能水温最高不超过 50 就供锅炉 这样太阳能热利用较高 太阳能热水为工业工艺过程提供保温保湿的 例如地砖厂等 需重点考虑 太阳能热水白天与夜间的使用分配问题 太阳能工业应用项目对工控技术要求 高 对太阳能热稳定性和可靠性有极高的要求 我认为是太阳能除发电和制冷 外热利用的最高境界 五 控制系统 控制系统是太阳能热传导的指挥官 一个优秀的太阳能热利用设计师 必 须具备控制系统的逻辑设计能力 逻辑设计其实很简单 可以概括为条件和行为两部分 太阳能系统的行为就是表现为水泵启停 电池阀开闭 电加热启停等外设 设备的运转和显示 包括指示灯亮 显示水温等 那么太阳能系统的条件也很简单 就是各类温度 压力 开关信号 时间 等 控制系统的设计 必须具有条件和行为的对应关系 即任何一个条件和行 为都不能单独存在 而一个条件可以有多个行为 一个行为也可以对应多个条 件 例如温差循环的逻辑设计 集热器温度 T1 水箱温度 T2 温差循环水泵 P1 温差循环开启温度 X 停 止温度 Y 则逻辑设计表述为 条件 T1 T2 X 行为 P1 通电 条件 T1 T2 Y 行为 P2 断电 纯看该逻辑表述条件 温差循环非常的简单 对于索阳设计人员 能把自 己的设计想法以这类形式表述出来 已经不错了 作为专业人员 则必须考虑 温度等条件波动带来的影响 而温差循环正好因为 X 与 Y 数值的幅度变化自动 消除了该条件信息 例如水箱补水的逻辑设计 水箱液位 W1 设定液位下限 X 液位上限 Y 电磁阀 F1 条件 W1 X 行为 F1 打开 条件 W1 Y 行为 F1 关闭 从表面看 该逻辑表达没有任何问题 但实际补水过程中 水面是波动的 也就是 W1 的值是不断波动的 但总体处于上升过程 W1 未必出现等于 Y 的情 况 可能直接大于 Y 那么 F1 就可能永远没机会关闭了 所以正确的表述就得 改为 W1 Y 那么会不会出现水位因晃动而虚高到 Y 值 实际未能达到呢 这是完全有可能的 所以实际该功能设计上的表述是这样的 条件 W1 X 行为 F1 打开 条件 W1 Y 行为 延时 1 分钟 F1 关闭 对于控制系统的设计 原则上各功能之间处于并列关系 相互之间是互不 影响 也就是说条件和行为都是独立的 逻辑设计完成后 一定要检查是否存 在冲突 逻辑上的 BUG 会导致系统功能失灵或错乱 不同条件下 行为的结果 可能正好相反怎么办 例如集热器高温保护的时候要求停止 P1 但满足温差循 环条件又要启动 P1 这种情况下 停和启同时出现时 系统自动默认为停止 六 供暖与空调制冷 6 1 供暖设计 1 普通供暖设计 设计者必须搞清楚采暖设计热负荷指标与建筑物耗热量指标的概念 这是 估算供暖功率的基础 估算时必须参考窗墙面积比和建筑体型 北京市节能建 筑采暖设计热负荷指标宜取 28 37W 不宜高于 52W 耗热量指标不低于 20 6W 指标与面积乘积即制热或耗热功率 在选择设备制热功率匹配时 考虑设备维护与保养时间 按采暖设计功率 的基础上浮 50 匹配 空气源热泵必须对应环境温度下的真实制热量 供暖末端有风机盘管 散热片和地板辐射 风盘是人体舒适度最差的方式 尤其水温高于 60 或者低于 35 的情况下 散热片则必须保障供水温度 70 以上 不能应用于低温供暖设备 地板辐射采暖舒适度好 但温度上升慢 通 常需要 1 3 天的预热时间 供暖管线必须包含有补水系统设计与排空方式设计 地板辐射采暖一般难 以简单排空 低温环境下长时间不使用必须考虑防冻 2 太阳能供暖设计 采用太阳能热水供暖 或者采用太阳能空气集热器供暖 稳定性都不可能 保障 而且实际经济性也较差 以目前的太阳能热利用技术 走水式太阳能集 热器自身的冬季防冻问题都是一大技术难题 不可再去保护其它设施的防冻问 题 太阳能采暖在北京地区几乎不可取 但配合空气源等其它采暖方式 还是 具有一定意义的 由于太阳能采暖没有保障性和稳定性 通常其它供暖方式的 制热量与太阳能的制热量不能叠加 设计上以其它供暖方式的制热功率为主 通常 1 平米建筑面积配比 4 5 平米太阳能集热面积即可 3 地源热泵地下换热系统设计 以索阳目前掌握的资料和经验 对地源热泵地下换热器的指标仍旧没有具 体的数据参照 但双 U32 管按 35w m 吸热功率设计量应当是有保障的 地下土 质好的情况下 取 45w m 的吸热功率应当可行 关于地下散热的 目前没有任何一手数据和经验 按 55W M 散热功率设计 应当可行 若实际出现散热功率不够的情况 可添加冷却塔降温 成本比打地 源井节约很多 地源热泵按 1 平方建筑面积匹配 1 5 2 延米的估算可确保采暖不存在多大 问题 4 水源热泵取水设计 水源热泵根据室内采暖所需热量等于机组自身散热 5 温差的水提取热 来计算水源井需保证的出水流量 至于静水位 动水位等 需实际成井后才能 测得 地下水以每年 1 3 米的速度下降 必须考虑动水位与水泵距离预留 回灌水流量大于 30 立方 时 自然回灌的可行性就不大 需采取人工回灌 6 2 制冷设计 目前索阳没有进行任何的制冷工程案例 经验十分缺乏 所以设计上需相 对保守 具体制冷负荷估算指标 参照 暖通空调系统设计手册 北京地区夏 季制冷时间短 尤其是办公场所 夜间基本无需开启制冷设备 我个人认为 北京地区按设备采暖功率再上浮 50 就可行 目前的地源 水源 空气源等中央空调系统设计 夏季所需制冷功率是冬 季制热功率的 2 倍 采用 2 台机组夏季制冷 而冬季仅 1 台制热 另一台备用 的形式最佳 毕竟夏季设备故障不可能造成大规模损失 而冬季就可能冻坏建 筑设备等 风险大 需要备用设备 七 光伏电站设计 光伏电站的设计首先要确定是采用用户侧并网 还是离网的方式 虽然整 体设计上区别不大 但对电气设备的设计影响大 根据屋顶可安装面积或用户需求 初步确定发电功率 根据发电功率选择 不同厂家的逆变器 一定要提前确定逆变器的厂家及型号 因为电池组件的设 计是完全取决于逆变器的参数 不同大小及型号和厂家的逆变器 其参数都可 能完全不一样 例如 屋面可安装发电功率约 260KW 则选用了能高的逆变器 参数如下 型号 SunVert 250 推荐光伏组件功率 275kWp 最大直流输入电压 880V MPP 工作电压范围450V 820V 最大直流输入电流 600A 直流输入路数 8 额定交流输出功率 250kW 额定交流输出电流 380A 电流总谐波畸变率 THD 3 额定功率 额定交流电压 380V 交流电压范围320V 420V 额定电网频率 50Hz 充许电网频率 48 50 5Hz 功率因数 0 99 额定功率 最大效率 97 7 待机状态功耗 40W 防护等级 IP20 冷却方式强迫风冷 允许环境温度 30 55 允许相对湿度 95 无凝露 允许最高海拔 6000m 超过3000m 需降容使用 人机界面触摸屏 标准通讯方式以太网 可选通讯方式 RS485 外形尺寸 宽 高 深 2200 2000 850 mm 重量 2000kg 确定逆变器后 我们首先看 MPPT 工作电压范围 该参数是我们设计电池组 件的关键 再看最大直流输入电压 880V 这样 我们就可以选择电池组件的工 作电压