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光伏光热一体化屋面系统——得能瓦板
时间:2020-11-14 15:04来源:北京瓦得能科技 作者:王青松,陈仲政 点击:

1.概述
目前市面上利用太阳能作为清洁能源的产品如太阳能热水器、太阳能光伏电池等,它们都是独立运行的,需要单独安装,均不能实现与建筑一体化,即不能成为完全的建筑屋面系统,且存在功能单一、太阳光采集面积小、安装困难、存在安全隐患、应用局限等缺点。
太阳能光伏发电系统技术存在以下问题:不能和建筑一体化、发电成本居高不下、现有建筑荷载无法满足传统太阳能光伏组件重量要求、太阳能光伏发电过程中产生的热量会提高环境温度(注:发电过程中背板热量会提升环境温度。理论与实验均表明,在较高的环境温度下,如果不对光伏组件采取冷却措施,其工作温度通常会高达60~90℃;引自季杰等所著《太阳能光伏光热综合利用研究》 ),如果不给光伏背板降温,城市屋顶光伏背板散热会加剧城市热岛效应。
针对以上情况,北京瓦得能科技有限公司研发了得能瓦板系列产品及其相关的核心技术、关键组件和关键材料,将普通树脂材料改性后开发成新能源材料。该产品攻克了传统太阳能光伏和光热技术不能与建筑一体化的世界性难题。不但可以实现光热光伏综合利用,同时还有基本的防水、保温、装饰等传统屋面瓦的功能,适用于各种建筑屋顶及墙面,且安装方便简单、重量轻、使用寿命长。
2.得能瓦板系列产品
得能瓦板产品本身是以合成树脂(如PVC、CPVC、ABS等)为主要原料,添加各种功能助剂,采用挤出工艺制成的得能瓦板,根据中空流道内部介质不同,分为液体流道得能瓦板和空气流道得能瓦板两种类型。产品根据需要可在瓦板阳光直射一侧的表面共挤一层太阳能吸收层或反射层,还可以在瓦板表面铺装薄膜或柔性晶硅组件等,形成光伏热水一体化得能瓦板。由得能瓦板组成的屋面系统和墙面系统实现了建筑表皮功能化:利用太阳能(发电、热水或热风)的同时减少辐射热对房屋室内温度的影响而提高建筑舒适性,同时实现了建筑节能降耗、生产清洁能源与提高舒适性三种功能。得能瓦板产品系列及运行原理如下:
(1) 液体流道得能瓦板——热水得能瓦板(图1)
利用得能瓦板组成的屋面系统或墙面系统,通过吸收太阳能辐射热加热得能瓦板流道内液态介质如水或太阳能导热液,液态介质经循环系统导出,通过换热贮热水箱来间接加热自来水,然后用于生活热水供应,冬季为末端供暖系统供热。需要注意的是,该系统应与其他热源设备联合使用,实现多能互补和节能的效果(图2)。             

1.图中辅助加热装置以内置电加热器为例,换热贮热水箱内置换热盘管和电加热器;
2.采用温差控制系统运行方式,当液体流道得能瓦板内介质温度(T1)大于或等于换热贮热水箱内热水温度(T2)5℃时,循环水泵启动,集热系统开始循环,将得能瓦板内介质收集的太阳能辐射热换到换热贮水热水箱;当液体流道得能瓦板内介质与换热贮热水箱内热水的温差(T1- T2)小于2℃时,循环水泵停止运行,集热系统停止运行,开始启动辅助电加热装置。
 
 
热水得能瓦板的技术特点如下:
① 热水得能瓦板为中空结构,内含流道,与传统的树脂瓦板不同的是,该产品有我司研发的核心封端组件,能够使其成为独立的封闭系统。
②液体流道得能瓦板既是屋面装饰瓦板,又是太阳能集热部件,实现了太阳能与建筑装饰一体化,不仅可以取代传统的屋面瓦、彩钢瓦等,而且能为建筑物节约能耗,同时保证其使用寿命可达25年以上。
② 在正常太阳能光照下,当外界环境温度高于20℃以上时,得能瓦板屋面系统可以产生70℃以上的热水,基本上每1㎡可以获得平均55℃左右60L生活热水;当环境温度低于10℃,得能瓦板屋面系统也能够获得45~55℃的热水;也就是说,在正常光照下,基本上都能获得40℃以上的热水能源。
③ 冬季受限于环境温度,液体流道得能瓦板提供的热量不能满足建筑热负荷需求时,应与空气源热泵热机组、电热水器、燃气采暖热水炉、壁挂炉等其他热源设备联合使用。系统与其他热源设备联合使用时,通过电路自动控制设置,优先使用得能瓦板集热系统供热,当得能瓦板集热系统供热不足时,自动切换到其他热源设备,同时经过得能瓦板循环的热水也可以在一定程度上提高热源设备的起始加热温度,减少能耗,从而在保障使用条件的情况下达到太阳能利用最大化。
⑤夏季时,传统建筑物彩钢瓦表面温度一般会达到60~80℃左右,而将热水得能瓦板置于建筑物表面后,首先可以将部分太阳能辐射热吸收,然后通过瓦板系统内的介质将热量不断带走,减少辐射热进入建筑物内,从而实现降低建筑物表面温度的目的,减少空调的使用时间,保持室内更好的舒适性;具体降温效果与介质循环速度有关,如果条件允许且不需要热水的情况下,可以采用为瓦板系统持续供应冷却水的办法,相当于为建筑物穿上一层凉水衣服,降温效果会更佳。 
⑥系统安装维护方便,施工效率高。屋面板与管道间均为标准模块化施工,进场施工前即可完成制作预装。
(1) 光伏与热水结合——光伏热水得能瓦板
利用专业的复合技术把薄膜或柔性晶硅组件等光伏板铺装在液体流道得能瓦板表面,组件发电时,背板产生的热量加热得能瓦板流道内的水或太阳能导热液,水或太阳能导热液经循环系统导出,通过换热贮热水箱间接加热自来水用于生活热水供应。冬季为末端供暖系统供热时,该系统应与其他热源设备联合使用,实现多能互补,同时为光伏电池起降温作用,提高光伏组件发电效率,实现光伏光热综合利用,综合使用寿命可达25年以上。该技术特点如下:
① 目前的光伏基板都是需要安装金属支架,安装成本较高,不能安全稳固地安装到屋面系统上,即无法实现与建筑物的一体化;而将其复合到得能瓦板上,热水得能瓦板既是屋面瓦,又是太阳能光伏发电组件的支撑背板部件,完美的实现了光伏发电和光热技术与建筑一体化。
② 光伏发电工作时,其背板通常工作温度会达到60~90℃,温度高不仅影响其发电效率,而且会减少光伏板的使用寿命,同时该热量基本上都是散到环境中,会加剧城市的热岛效应;光伏组件与得能瓦板结合后,可以将其背板温度控制在30~50℃,发电效率也相对会提高1%~3%左右。
③ 通过得能瓦板表面的吸热材料将光伏发电背板产生的热量转移到瓦板流道内的液体介质中,在为光伏背板降温的同时实现热水利用,正常情况下可以将其温度加热到40~50℃;然后该热水可通过换热贮热水箱间接加热自来水用于生活热水供应,冬季与其他热源设备联合使用,可为末端供暖系统供热,实现多能互补。
④ 将光伏与热水结合起来,可以形成独立的闭环系统,热水采集系统与光伏发电系统独立运行。发电的同时还可以生产热水,实现热电联产,灵活输出,为一些偏远地区提供解决方案。安装方式与热水得能瓦板相同(图3)。

(1) 空气流道集热得能瓦板——热风得能瓦板(图4)
采暖季节利用得能瓦板组成的屋面系统或墙面系统,通过吸收太阳能辐射热加热得能瓦板流道内空气,流道内的热空气由新风系统经过过滤处理后,送入室内,实现降低新风热负荷,提高送风舒适度,满足建筑节能要求;或者在空气良好条件下,将热风直接输入室内实现部分供暖。夏季则关闭循环风机,利用高处旁通将热空气直接排向环境,从而达到为建筑物降温的效果(图5、图6)。该产品技术特点如下:
① 产品颜色多,可以根据客户需求进行改变。黑色瓦板的集热效果最好,热风得能瓦板集热效率不低于50%,集热时环境温度可以提高30%~50℃。
②系统安装方便,可以直接作为建筑构件做到屋面或墙面结构上,且使用寿命长,维护成本低。

  (1) 空气流道隔热得能瓦板——降温得能瓦板(图7)
降温得能瓦板构成的屋面系统和墙面系统能完美地实现了与建筑一体化。利用瓦板表面共挤的太阳能反射隔热材料反射太阳辐射热,减少流道内空气得热;独特的结构设计和利用热压原理,达到给建筑物散热降温的效果。该产品具有三重隔热降温效果:高分子树脂材料本身有较好的隔热性能+表面共挤的太阳能反射隔热材料降温+中空流道热压原理散热降温。还可以根据用户需求,在背板覆盖纳米绝热材料,形成四重隔热降温。该产品技术特点如下:
① 产品主要用于南方炎热地带,为建筑物进行降温。与传统屋面相比,降温得能瓦板平均可以将建筑物温度降低10~25℃,具体效果也与室外环境和室内密封效果有关。
②系统安装方便,可以直接作为建筑构件做到屋面或墙面结构上,且使用寿命长,维护成本低。           图7 降温得能瓦板  
3.产品应用
得能瓦板系列产品可广泛应用于工业厂房、边远地区、旅游孤岛的仓储、车站、农业大棚、住宅等屋面系统,以及某些大量需要热水的厂矿单位。产品于2018年初开始批量生产,陆续做了多个示范项目,如沈阳西站两个大型屋面供暖系统(图8)、山东德州阳光小镇光伏光热一体化项目(图9)、湖南株洲某大学的学生宿舍屋面热水系统(图10)、北京昌平区小汤山某单位职工浴室热水项目(图11)、河北沧州南皮某公司冲压机车间屋面供暖系统等,均获得客户良好的反馈。 

4.得能瓦板的专利和成果
①一种多功能、多用途的瓦板和墙板国家发明专利,ZL 2014 1 0260677.9 , 于2017年11月已授权;并申请了PCT国际专利、欧盟、美国等外国专利,其中PCT国际专利于2018年4月已授权,欧盟专利于2018年10月已授权,美国专利已完成实审。
②一种移动式太阳能热水器实用新型专利,ZL 2014 2 0760644.6 ,于2015年6月已授权。
③一种空调器用太阳能瓦板蒸发器实用新型专利,ZL 2017 2 0538091.3,于2017年12月15日已授权。
2017年11月,得能瓦板系列产品通过了中国民营促进会的科技成果评价,评价委员会专家们一致认为,通过技术和工艺集成创新的得能瓦板产品系列,实现了产品功能化、模块化、轻量化,有利于建筑一体化集成应用,产品在材料配方、结构型式设计等方面均达到了国家先进水平。
    得能瓦板具体设计标准、要求、安装方式可见《得能瓦板光热系统》(2018CPXY-J416)专项图集(中国建材工业出版社,2018.10第1版)。


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