新型太陽能家庭熱電供給系統(tǒng)設計

李承凱

摘要：采用新型熱電材料結合光伏太陽能技術，給予家庭熱能和電能的供給。一個國家的能源結構往往是跟它的產(chǎn)業(yè)結構和技術發(fā)展密切相關的，隨著分布式光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，越來越多的家庭開始關注分布式能源的使用。太陽能和風能被普遍視為可再生的清潔能源，更多的人們所接受和使用。在國家的大力推動下，分布式太陽能電站正處于推廣和應用，有助于解決日益增長的能源需求。因此，設計創(chuàng)新并構建新型能源應用系統(tǒng)的具有十分重要的意義。

關鍵詞：交互設計；服務設計；清潔能源；能源可視化

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2018）02-0122-02

1 家庭能源概況分析

隨著社會的發(fā)展和進步，人們環(huán)保意識越來越深入人心。隨著技術和觀念的改變，傳統(tǒng)能源正在逐步配新能源所替代。對于能源的有效合理利用，可降低各種對環(huán)境有污染的物質(zhì)排放。提升家庭光伏發(fā)電的普及度，可有效的分散能源供給壓力，通過并且可以減小能源在運輸過程中無法避免的損耗。

從經(jīng)濟角度來看，如何在保證我們生活品質(zhì)的前提下，減少不必要的消費支出。家庭光伏發(fā)電分散集中式光伏發(fā)電投資風險，提升有效能源的利用率。針對家庭個體單位來說，同樣是一種有價值的資產(chǎn)投資。

技術的發(fā)展也給我們生活的變革帶來了新的動力，利用好新的技術來幫助我們解決家庭能源的有效利用。單一系統(tǒng)的建立，已經(jīng)無法滿足家庭實際對于能源的需求，需要通過各項技術的統(tǒng)一設計整合，提供一個整體的解決方案。

科技的發(fā)展給我們帶來各種可能，如何利用好各種技術。合理的規(guī)劃和布局我們的家庭能源系統(tǒng)，可以很大程度的降低公共能源的供給壓力。家庭能源綜合供給方案，整合太陽能、空氣能、地熱能、箱變儲能、電力墻儲能等各自優(yōu)勢，對能源進行綜合利用。

通過智能互聯(lián)技術，對家庭的各種能源的供給和使用進行合理分配，已達到高效節(jié)能合理的成績分配利用的目的。

太陽能發(fā)電儲能供電系統(tǒng)，主要由太陽能電池組件和儲能部分組成，儲能部分包括鐵電池、逆變器、控制器等。

我國太陽能開發(fā)潛力巨大，充分利用太陽能熱發(fā)電，是未來有效緩解傳統(tǒng)熱力發(fā)電帶來的能源短缺、資源枯竭、環(huán)境污染等問題的重要手段之一。集中式太陽能熱發(fā)電（concentrated solarpower，CSP）技術相對成熟、發(fā)電成本低、與電網(wǎng)匹配性好，而且其熱電轉換部分與常規(guī)火力發(fā)電機組相同，有相對成熟的技術加以利用，特別適合于大規(guī)模集中熱發(fā)電，是可再生能源發(fā)電中最具發(fā)展前景的發(fā)電形式之一。

但由于晝夜交替、氣候變化光伏發(fā)電的波動性，太陽能的獲取不可連續(xù)，使得發(fā)電系統(tǒng)很難平穩(wěn)運行。

光伏發(fā)電是作為傳統(tǒng)能源的有益補充之一，光伏發(fā)電現(xiàn)在正發(fā)展的火熱，但是也面臨著一系列的尷尬。當光伏發(fā)電系統(tǒng)進入到尋常百姓家，會帶來各種問題。

按照《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，到2020年太陽能裝機總量定為110GW，光熱為5GW，光伏電站為45GW，分布式為60GW。機構預計，分布式光伏在未來4年年均復合增長率將高達58.17%。

2 中國太陽能資源分布及其應用

智研咨詢發(fā)布的《2017-2022年中國光伏發(fā)電市場行情動態(tài)及發(fā)展前景預測報告》顯示，我國屬太陽能資源豐富的國家之一，全國總面積2/3以上地區(qū)年日照時數(shù)大于2000小時，年輻射量在5000MJ/m2以上。根據(jù)國家氣象局風能太陽能評估中心劃分標準，我國太陽能資源地區(qū)分為以下四類：

一類（資源豐富帶）地區(qū)：全年輻射量在6700-8370MJ/m2。相當于230kg標準煤燃燒所發(fā)出的熱量。

二類（資源較富帶）地區(qū)：全年輻射量在5400-6700MJ/m2，相當于180-230kg標準煤燃燒所發(fā)出的熱量。

三類（資源一般帶）地區(qū)：全年輻射量在4200-5400MJ/m2。相當于140-180kg標準煤燃燒所發(fā)出的熱量。

四類地區(qū)：全年輻射量在4200MJ/m2以下。

一、二類地區(qū)，年日照時數(shù)不小于2200小時，是我國太陽能資源豐富或較豐富的地區(qū)，面積較大，約占全國總面積的2/3以上，具有利用太陽能的良好資源條件（如圖1）。

本文討論太陽能的綜合利用方式，太陽能利用的基本方式可分為光熱利用、光電利用。

光電利用：未來太陽能的大規(guī)模利用是用來發(fā)電。利用太陽能發(fā)電的方式主要有兩種：（1）光一熱一電轉換。此方案成本較高，效率較低。（2）光一電轉換。其基本原理是利用光生伏特效應將太陽輻射能直接轉換為電能。

3 新型太陽能熱電聯(lián)供原理及其應用

通過對用戶的使用習慣進行分析和研究，尋找出用戶希望能夠使用清潔能源，但擔心自己對設備的不了解會在使用過程中帶來一系列的麻煩。因此，在系統(tǒng)設計過程中盡可能采用全自動化控制，在服務設計方面提升用戶體驗。通過設計研究使用過程中的各種交互體驗，讓系統(tǒng)更加人性化，人機交互部分只給予用戶最近的數(shù)據(jù)。

熱電聯(lián)供能源系統(tǒng)研究結合服務設計、交互設計和全新商業(yè)模式設計。

3.1 熱發(fā)電材料及其性能

Bi2Te3熱電材料是半導體材料，室溫下具有良好的熱電特性，能夠?qū)崿F(xiàn)熱能和電能的相互轉化。其工作原理主要是通過材料表面的溫差將熱能轉換成電能（圖2），工作室需要有相對高的熱源和表面冷卻機構。

單晶硅的光伏板的轉化率一般在24%左右，通過引進新材料的使用，可有效的提供單位面積的發(fā)電功率，同時此系統(tǒng)可以將多余的能量轉化為熱能。

3.2 相變儲能材料

相變儲能是利用材料在相變時吸熱或放熱來儲能或釋能。因此，它的核心和基礎是相變儲能材料，簡稱相變材料（PhaseChange Materials，即PCM）。相變儲熱技術可以解決能量供給在時間和空間上失衡的矛盾，是提高能源利用效率和保護環(huán)境的重要技術（圖3）。

3.3 分布式家庭熱電系統(tǒng)的工作原理

系統(tǒng)的工作原理，一次能源為利用光伏電池采集太陽能發(fā)電，二次能源為利用一次能源發(fā)電過程中產(chǎn)生的余熱結合半導體熱電材料回收部分熱能。將熱能轉化為電能，由于此類半導體熱發(fā)電材料的主要工作原理是溫差發(fā)電，因此材料需要通過水冷或者風冷的方式將其冷卻，我們所采用的方式為水冷。在此我們可以將冷卻過程中的吸收的熱量收集起來，對于家庭用戶而言，回收熱量可以被用作為生活熱源使用。比如我們可以將此熱量轉化為生活熱水，或者可以在冬季被用作為采暖使用。

主要組成部分為太陽能光伏電池、Bismuth telluride （Bi2Te3）碲化鉍熱電組、雙向儲能型光伏逆變器、箱變儲能材料、儲能電池組、雙向電表和中控數(shù)據(jù)處理設備（圖4）。

對于整套系統(tǒng)將會帶來兩大產(chǎn)物。第一，是光伏電池發(fā)電能，外加半導體熱電材料發(fā)的電能。第二，針對半導體發(fā)電必須有兩級溫差，為了達到冷卻目的所吸收的熱量。

需要結合消費者的生活習慣及實際需求，對產(chǎn)品進行合理化分析。通過目標用戶的一系列調(diào)研，通過自動化控制合理的分配和使用資源，以達到能源的利用最大化。通過電能的上網(wǎng)和共享給其他用戶，可提高系統(tǒng)的整體利用率。此過程可以被視為能源的梯級利用，可以達到提高一次太陽能的利用率（圖5）。

Donald·A·Norman曾經(jīng)把易用性和可理解性作為產(chǎn)品同類的層級，出符合的產(chǎn)品需要滿足兩個條件：要能使用戶對其行為結果可預測和每一個操作對應一種變化，令用戶指導操作的有效性。

家庭熱電聯(lián)供系統(tǒng)面向的是普通消費者，對于他們來說是一個相對復雜難以操作的系統(tǒng)，通過對整體的分析，我們需要考慮的是建立一套以用戶為中心的交互系統(tǒng)。在現(xiàn)有基礎下能夠很好的服務用戶，并且可以給客戶帶來他們的正在需求，而不會需要他們太多的學習成本和經(jīng)濟負擔。

需要一個中央數(shù)據(jù)集控器，采集各設備間的工作狀態(tài)和相關數(shù)據(jù)，對不同用戶的使用習慣進行分析，給予不同用戶差異化的能源使用方案，用戶可以通過終端設備獲取相應的系統(tǒng)參數(shù)。

4 結論

通過對傳統(tǒng)分布式光伏的性能優(yōu)化，能夠提高能源的利用率。與此同時，此系統(tǒng)同時解決了家庭用戶的熱能和電能的基本需求。并且針對用戶的使用習慣，通過智控系統(tǒng)的能源合理分配，以滿足用戶日常需求?？紤]到用戶并非專業(yè)人員，因此優(yōu)化控制交互界面，用簡潔圖形表達的方式，讓用戶可以更為便捷的獲取系統(tǒng)的運行狀態(tài)。