一種具有清洗功能的采光集熱太陽能屋面系統
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摘 要：太陽能是一種重要的可再生能源。本文根據現有太陽能屋面系統只能利用太陽能發電卻不能有效利用熱能的缺點，提出了一種帶有傾角可調節且具備自動清洗功能的新型采光集熱太陽能屋面系統。該系統能夠有效地在運用太陽能發電的同時采集熱能，提高太陽能的有效利用率。
關鍵詞：太陽能;采光;集熱;利用率
中圖分類號：F24J2 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）09-0142-02
0 引言
太陽能是太陽內部連續不斷的核聚變反應過程產生的能量，是一種新興的可再生能源。盡管太陽輻射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量的22億分之一，但已高達173000TW，也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當于500萬噸煤，如果這些能量能夠得到充分利用，將會解決日益緊張的礦物燃料供應問題。作為太陽能利用實例的一種，太陽能屋面系統，已經成為偏遠地區電能來源的一種方式，其放置于屋頂之上，采用大面積的太陽能發電模塊將太陽能轉化為電能，以滿足人們的用電需求，同時也達到了節能減排的效果。但自從太陽能屋面系統問世以來，其外形和結構并未發生太大的變化，在科技飛速發展的今天，其不足之處已經漸漸顯露出來。隨著人們生活標準的提高，人們對太陽能屋面系統有了更高的要求。例如，現有的太陽能屋面系統，只能利用太陽能進行發電，卻將日照所產生的熱量白白浪費，而且太陽能發電模塊表面溫度過高也會降低發電的效率;同時，現有的太陽能屋面系統也不具備自動清洗功能，在日積月累的積塵后，在其表面會形成泥垢，使得太陽能發電效率下降甚至不能發電，人工對其進行清理也比較麻煩和危險;并且，太陽東升西落，現有的大多數太陽能屋面系統不具備太陽跟蹤功能，無法實現高效發電。
因此，在利用太陽能發電的同時，應當注意對熱能的利用。集熱器就是一種可以將接收到的太陽能轉化為熱能的裝置。一般來說，在陽光直射的時候，它提供給集熱器的能量最大。一天之中以及一年四季太陽的高度是變化的，因此，需要根據太陽的位置對集熱器的角度進行調整來使得集熱器采集的熱量最高。
1 本文的研究方案
本實用新型旨在設計一種具有清洗功能的采光集熱太陽能屋面系統，以解決現有大多數太陽能屋面系統無法充分利用日照產生的熱能和熱量影響發電效率、系統不具備定時自動清洗功能以及太陽能發電模塊面板角度不可自動調整的問題。本新型太陽能屋面系統通過加入集熱管和溫差發電裝置將日照產生的熱能根據用戶的需要用于產生熱水或者發電，充分利用太陽能資源;通過加入自動清洗裝置，清洗時先對太陽能發電模塊面板表面進行噴水潤濕，然后刷子通過導軌運動進行刷洗工作，減少人工清洗帶來的麻煩和避免高空作業產生的危險，同時，當太陽能發電模塊面板溫度過高時，清洗裝置的噴水口可對面板進行噴水降溫，保證高溫狀態下太陽能發電效率，避免設備發生高溫損傷;通過加入太陽跟蹤裝置，使得太陽能發電模塊面板能夠根據日間太陽的角度變化自動調整朝向，保證發電時刻保持在高效狀態。在對太陽“跟蹤”的技術上，一些人對此已經做出了一些工作。文獻[1]提出了一種太陽集熱器跟蹤臺，但是它的結構較為復雜，不利于應用。在跟蹤方案上，目前主要有以下幾種設計方案。一種是采用實時追蹤的方案，即根據太陽的實時位置不斷對集熱器的角度進行調整，這種方案可以實現對太陽角度的全時跟蹤，但裝置結構較為復雜，成本較高;一種是根據某一時期采集面接收到太陽熱能的最佳傾角設計為這一時期的傾斜角，傾斜角按照時期（例如季節）進行周期調節，這樣可以極大降低裝置的復雜性，節約成本;另一種則是固定傾角的方案，即在固定角度的條件下尋找這一條件下接收能量最高的角度。按照這一方案設計的裝置最為簡單，但接收到的總能量就會降低。文獻[2]從成本與應用性的角度出發，結合西藏地區的實際情況，提出了一種半自動追光型集熱器，根據西藏地區維度與時間氣候特征，給出了一種簡單易行的角度調節方案。文獻[3]則通過仿真實驗，提出了按季節周期性調節傾角的一種實用方案。文獻[4]對集熱器的傾斜角與方位角變化的情況進行研究，得到集熱器全年最優傾角由南至北呈下降趨勢這一結論。
2 采光集熱太陽能屋面系統的設計
現結合附圖對本文所述的設計方案對進行進一步說明。一種具有清洗功能的采光集熱太陽能屋面系統俯視圖、正視剖面圖和正視圖參見圖1、圖2和圖3。
太陽能屋面系統的組成包括清洗刷（1），用于清洗刷運動的導軌（2），用于發電的太陽能發電模塊面板（3），用于對日間太陽角度進行跟蹤的太陽跟蹤裝置（4），收集太陽能發電信息并可對太陽能系統進行控制的無線控制模塊（5），用于清洗時和降溫時進行噴水工作的噴水口（6），驅動清洗刷運動對稱分布的微型電機（7），用于加熱水的集熱管（8），可將熱能進行發電的溫差發電裝置（9），水泵（10），集熱管的進水口（11），集熱管的出水口（12）和電能輸出口（13），其中各電子元件之間由導線或電路進行連接。
當用戶在使用本太陽能屋面系統時，將外接水源接入接集熱管進水口（11），將集熱管的出水口（12）接入儲存熱水的保溫儲水箱，將電能輸出口（13）接入外接蓄電池，并將設備放置于屋頂且有豐富光照的區域，太陽能模塊面板（3）開始進行發電，此時設備將自動運行，產生的電能將通過電能輸出口（13）向外輸出，用戶可使用手機使用配套APP通過與無線控制模塊（5）連接進入系統，可查看此時太陽能發電狀態，并可對日照產生熱量的利用模式進行選擇，可選擇熱水模式或者熱電模式;當用戶選擇熱水模式時，水泵（10）將會驅動進水口（11）向用于加熱水的集熱管（8）內供水，當溫度達到一定值時，熱水從出水口（12）送出，進入保溫儲水箱，供用戶使用;當用戶選擇熱電模式時，可將熱能進行發電的溫差發電裝置（9）將會工作，產生的電能通過電能輸出口（13）輸出，將進一步提高發電效率;用戶通過APP也可設置自動清洗太陽能模塊面板的時間，當達到設定時間時，水泵（10）將水通過噴水口（6）向面板上噴灑，對面板表面泥垢進行潤濕工作，隨后微型電機（7）將驅動清洗刷（1）沿著導軌（2）進行刷洗工作，保證面板表面的干凈，避免泥垢對發電效率的影響，當夏日日照使得面板表面溫度過高時，系統將自動控制水泵（10）將水通過噴水口（6）向面板上進行噴灑降溫，防止高溫對面板造成的熱損傷;當日間太陽的角度發生變化時，太陽跟蹤裝置（4）能時刻對太陽的角度進行跟蹤，驅動面板下的轉軸運動，使得面板時刻朝向太陽，保證系統最大效率地運行。
3 結語
太陽能的利用受到多種因素的影響，本文著眼于采集器的傾角與對表面污垢的清除提出了一種新型太陽能屋面系統，這一新型太陽能屋面系統通過加入集熱管和溫差發電裝置，日照產生的熱能也能被充分利用，使得太陽能屋面能源利用效率最大化。太陽能屋面系統加裝有自動清洗裝置，能定時對太陽能發電模塊面板進行清洗工作，保證了面板的清潔，也避免了人工清洗時可能發生的事故。同時，自動清洗裝置在夏日日照產生異常高溫時，也會介入噴水降溫，減少了高溫對設備造成的影響和損失。太陽跟蹤裝置的加入可以使太陽能發電模塊面板自動進行朝向角度的調整來對太陽進行跟蹤，保證發電系統高效地運行。因此，本文提出的新型太陽能的利用系統是一個高效可行的方案。
參考文獻
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