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太阳能光伏发电作为电力的能级品位最高，清洁，源源不断等优势成为我国乃至世界绿色能源的发展方向。而单纯的太阳能光伏发电系统效率低、成本高限制了光伏发电的应用领域，也制约了太阳能光伏发电的发展。把光伏组件与太阳能集热器组合在一起， 同时提供电能和热能， 提高了太阳能的总利用效率。与分离的光伏系统和集热系统相比， 太阳能电热联产装置可以共用一些组件、降低系统成本、减少安装面积、而且仅有一种组件在外观上是可见的， 有利于建筑美观，更加有效地利用太阳能。太阳能电热联产系统可用于民用建筑和工业建筑以预热冷水或空气及提供热水或加热室内空气等。建筑物能为太阳能电热联产系统提供足够的面积，不需要另占土地，能省去光伏系统的支撑结构、省去输电费用。

基于解决光伏建筑一体化和屋顶分布式光伏发电中光伏组件发热而影响其发电效率、太阳能利用率低的问题开展了太阳能电热联产系统研发，通过开发光伏集热模块以及其应用系统为建筑提供电能的同时产生热水。研发的太阳能电热联产系统有两种：①光伏集热模块与家用空气源热泵热水器集成形成家用太阳能电热联产系统;②光伏集热模块、太阳能集热器与空气源热泵机组联合使用的集中供热太阳能电热联产系统。系统工作原理如下：晴天光伏模块集热发电，其产生的热量由装在底部的全铜吸热板内的水吸收，水温升高循环水泵提供系统的循环动力，将储热水箱中的冷水带入高温的光伏集热模块内，吸收热量温度升高，然后回到储热水箱，送样一直反复循环从而获得较高温度的热水储存于储热水箱中。产生的电能用来驱动循环水泵外余下的电能并入用户端。

光伏集热模块具有通用性，可通过串联、并联或串并结合组成一套具有供电和供热水结合的电热联产系统。适用于家用和商用供热水及发电系统。下图为项目研发的产品应用原理图，其中图1为家用太阳能电热联产系统原理图，图2为集中供热太阳能电热联产系统原理图，图3为家用太阳能电热联产系统实物图。

光伏集热模块由透明盖板、太能电池板、吸热板、铝合金边框、底部保温组成。由铜板、铜管通过压槽、激光焊接等结合构成吸热板，粘合于光伏电池组件下方，在铜板底部加保温及热镀锌板作为底板，组成了一个光伏光热综合利用光伏集热模块。吸热板中的水吸收光伏板的热量通过循环水泵的循环送到蓄水箱中。为尽可能使电池效率保持在较高水平，充分利用吸收的太阳辐射能，在光伏组件的背面与全铜吸热板之间放有导热胶以增加传热效果。

光伏集热模块将厚3.2mm的钢化玻璃、太能电池板和绝缘导热的背板一起封装在铝合金边框里，吸热板用导热胶粘合于光伏电池组件背板下方，加聚氨酯发泡保温板、热镀锌保护底板组成。吸热板流体管道结构形式主要有并联式集热器和蛇形管集热器，两端用分别集管连接，可直接与水箱或光伏模块间连接，以便标准化规模化生产。常规并联式光伏模块集热器适用于各光伏模块集热器的并联连接，与水箱连接成自然循环;蛇形管光伏模块集热器适用于各光伏模块集热器间串联，与水箱连成强迫循环，也可作为空气源热泵系统的蒸发器通过热泵循环， 提高、稳定太阳能光热转换的输出温度。由于太阳能电池板与流道的布置位置也便于安装与维护，整体系统的结构复杂程度不高，具有结构简单、安装方便、单元模块化、太阳能转化效率更高、供热效果更好的优点，又有制造工艺简单、系统投资维护费低、运行成本低等特点，使其具备了相对传统太阳能电池板具有更广的应用领域，更能满足民用与商用领域的用户需求。

光伏集热模块主要用于电热联产系统，用水吸收光伏组件发电过程中产生的热量，参照太阳能集热器参数，并联式光伏集热模块的尺寸和接口按照现行的平板集热器尺寸标准制作，以能与平板太阳能集热器连接形成供热能力较强的系统。光伏集热模块外形尺寸为1m×2m，电池功率300W。

水箱是整个系统能否成功运行的关键设备。由于不同温度水的密度不同，因此水箱会实现不同程度的温度分层， 这使得水箱下部温度较低， 而上部温度较高。将水箱分成集热水箱和储热水箱两部分，光伏集热模块通过循环水泵与集热水箱底部相连，储热水箱为辅助热源加热，冷水进口设在集热水箱底部，这样保证集热水箱底部在一定低温范围内，而低温的水能够进入光伏集热模块，降低光伏集热模块进口温度，又能增加可被利用的热水量， 减少辅助加热量， 提高光伏集热模块的发电率。

根据家用空气热泵热水器的储水量较少、承压等特点将水箱一体化设计，即把储热水箱放置在集热水箱上面，用小管径将两个水箱上下两通，既能保证集热水箱与储热水箱进行热交换，也能减少储热水箱的向集热水箱传热。

由于太阳能的不稳定性，对于要求24 小时或定时稳定供热的太阳能电热联产系统，必须在系统中加设常规能源辅助加热设施（如热泵或者电加热）。储热水箱内胆为S304不锈钢，保温层采用50mm厚聚氨酯发泡层，高压发泡技术一次成型，提高保温效果。储热水箱外壳采用钢板金属用金属烤漆、不锈钢、磨砂型不锈钢等高档时尚，外观、颜色多样。水箱底部处在低温，辅助加热设置在水箱中部。

太阳能系统由多块光伏集热模块采用并联的连接方式，并联最大的优点在于系统流动阻力较小，当光伏集热模块数量较多时并联的组数不宜过多，否则会导致光伏集热模块之间流量分配不均的现象。管路布置有两种：同程管路系统和异程管路系统。同程管路系统中每块光伏集热模块的进、出口到达系统集管的长度之和相同，该布置方式有利于流量的均匀分配，保证系统高效率运行。

太阳能-空气源热泵热水系统控制要求有：太阳能补水阀控制、空气源热泵辅助加热的启停控制、热水供应增压及回水控制、集热循环的水泵运行控制等。

采集光伏集热模块集热器出口处温度TE1，当达到预设的上限值时，启动太阳能循环水泵，将储热水箱底部冷水输送入光伏集热模块集热器，同时光伏集热模块集热器内的热水排放到热水箱;当 TE1 降至预设的下限值时，停止太阳能循环水泵，光伏集热模块集热器继续加热水。

控制系统的基本结构分为三部分：微型计算机处理核心、数据采集监控管理、现场检测输入输出系统。具体采用 PLC 与触摸屏相结合的方式，数据采集模块采集温度、压力、流量等数据，采集传给到PLC进行分析处理，然后再命令 PLC进行动作。这系统配置易安装、易使用，系统可靠，可以严格保证系统设施的安全运行。控制系统硬件整体结构图如图5所示。

温度传感器采用NTC 热敏电阻分别检测采集水箱温度、集热循环温度、回水温度各个检测点的温度，压力传感器采集压缩机进出口压力、供水压力等并将采集到的压力模拟信号经电量转换和变送后转换成直流传入数据采集模块。数据采集模块对被检测值进行一系列的运算、分析和处理后，将控制量传送给可编程控制器PLC，再由PLC直接输出开关量，驱动执行机构动作，控制被控对象。现场设置触摸屏，用于对现场采集来的数据进行计算处理，并使系统按所制定测量运行，控制器具有模式选择、参数设置、历史数据查询、故障诊断报警和实时数据曲线显示等功能。既能调节整个系统的设备运行，又能实现对现场运行参数的检测和控制数据的远传，触摸屏控制器与监控单元采用RS485串口通信。

本系统使用MCGS组态软件实现可观可控。整个监控界面包括主体控制，参数显示，运行系统模拟显示。监控图形可直观、动态地显示出新型太阳能热泵系统各部位重要参数的变化。

数值实时显示可很直观的看到当前机组各参数点所测到温度值，这些值可供用户或技术人员参考检测。报警显示用于在机组运行过程，压缩机的吸排气压力或排气温度等各个监测点超过限定值时，警报灯就会闪，开始报警，就可提醒用户采取相应措施予以解决。

系统左侧是业务目录，右侧是功能菜单如下：

实时监控：实时显示当前业务数据状态;

告警管理：实时显示当前所有业务的报警，可查询历史记录;

用电统计：可按月、日查询用电量;

用水统计：可按月、日查询用水量;

能耗统计：可按月、日查询能耗情况;

用户管理：可增删、修改新用户及登陆情况

本项目具有手机监控功能，通过GPRS将数据传到服务器，通过下载微信APP，用手机微信绑定系统后，可在手机上监控，系统有故障报警等信息能自动发送到微信手机上，及时知道告警。

3.6基于光伏集热模块应用的逆变器选择

本项目光伏集热模块所发的电能供电负载有：①在小型家用系统中主要用于驱动强制循环水泵，余电并网;②在大型系统中通过逆变器逆变成220V或380V后，除供给太阳能集热循环水泵外，供辅助热源等设备;③剩余的电并到电网中。

太阳能电热联产系统和示范工程采用WVC600光伏微型逆变器，安装简单，成本低。采用的微逆变器外形如下图9。

WVC600采用IP65防水型流线外观设计，可有效防止雨水在表面的浸蚀，内置高性能最大功率点追踪（Maximum power point tracking）功能，能更好的跟踪太阳光度的变化而控制不同的输出功率，有效地捕捉与收集阳光。电力传输采用逆向交流电力传输技术，是我们的专利技术之一，逆变器所输出的电力可优先提供负载使用，用不完的电力以逆方向给电网传输，高效地使用逆变器所发出来的电能，电力传输率可达99%以上。光伏微型逆变器的功能特点

高性能自动功率点追踪（MPPT）

逆向电力传输

智能化监控管理

输入输出完全隔离，保障用电安全

高可靠性多台并联堆叠

全数字化控制

简化维护工作（用户自行维护）

运行维护成本低

安装灵活

光伏微逆变器的电气原理图如下。

（1）单相微逆变系统电气原理图

（2）三相微逆变系统电气原理图

经测试，所研发的光伏集热模块应用的太阳能电热联产系统综合效率达到60%以上，光伏集热模块系统效率比单一组件发电系统效率高。

本系统的优势有如下三点：（1）高效利用太阳能的电热联产系统，进行产业化技术攻关形成市场需要的太阳能综合利用产业化产品，拓展太阳能应用范围。（2）基于光伏集热模块应用的智慧能源管理系统以数字技术和网络技术为基础，以高级计量体系、智能交互、智能采集等技术为依托，将居民家庭中各种设备有机整合为一体，进行各部分的能耗检测进而优化用能管理与控制，以达到在满足用户用电需求的前提下最大限度节能、减少用电费用等目的。（3）储热水箱内胆创新性地设计成上下两部分，储热箱放置在上面太阳能集热箱放置在下面，使温度高的水在上部，温度低的水在在下面以保持低温的水进入光伏集热模块集热器，提高系统效率。