SB-TZH01碳中和小屋光熱-光伏-儲(chǔ)能耦合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
一、概述
碳中和小屋光熱-光伏-儲(chǔ)能耦合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),隨著"雙碳"戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，建筑領(lǐng)域作為能源消耗與碳排放的主要來(lái)源之一，其低碳化轉(zhuǎn)型已成為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵路徑。建筑可再生能源利用與儲(chǔ)能技術(shù)是建筑節(jié)能減碳的核心支撐，如何將太陽(yáng)能光伏發(fā)電、太陽(yáng)能光熱利用與相變儲(chǔ)能技術(shù)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)建筑用能系統(tǒng)的零碳化運(yùn)行，已成為新能源與建筑節(jié)能領(lǐng)域的重要研究方向。
碳中和小屋光熱-光伏-儲(chǔ)能耦合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)面向"碳中和小屋"場(chǎng)景，專為《儲(chǔ)能創(chuàng)客A》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)打造，模擬零碳小屋太陽(yáng)能光伏發(fā)電、太陽(yáng)能光熱集熱、相變儲(chǔ)熱、建筑冷熱負(fù)荷的完整能源鏈路-。系統(tǒng)集成光伏發(fā)電單元、太陽(yáng)能光熱單元、相變儲(chǔ)熱單元、建筑模擬負(fù)荷單元、多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及能量管理軟件六大模塊，以模塊化臺(tái)式柜體為載體，AC220V供電，覆蓋"光-電-熱-儲(chǔ)-用"全能量轉(zhuǎn)換與利用鏈條。
參數(shù)圖
碳中和小屋光熱-光伏-儲(chǔ)能耦合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)旨在服務(wù)本科生課程實(shí)驗(yàn)、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目及畢業(yè)設(shè)計(jì)，可用于碳中和小屋能源方案驗(yàn)證、光熱-光伏協(xié)同輸出特性測(cè)試、相變儲(chǔ)能充放熱特性研究、建筑冷熱負(fù)荷模擬與能源利用效率測(cè)算等教學(xué)與科研場(chǎng)景，兼具教學(xué)實(shí)訓(xùn)與基礎(chǔ)科研雙重功能-。各單元采用獨(dú)立模塊化設(shè)計(jì)，既可獨(dú)立運(yùn)行開展單項(xiàng)原理實(shí)驗(yàn)，也可聯(lián)動(dòng)組成完整的小屋能源系統(tǒng)進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件可控、數(shù)據(jù)可復(fù)現(xiàn)，幫助學(xué)生建立建筑零碳能源供給系統(tǒng)的整體認(rèn)知，掌握光伏發(fā)電、光熱利用、相變儲(chǔ)能、負(fù)荷模擬與能量調(diào)度等核心技能。
二、項(xiàng)目簡(jiǎn)介
本項(xiàng)目為"碳中和小屋光熱-光伏-儲(chǔ)能耦合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)"教學(xué)設(shè)備建設(shè)項(xiàng)目，以模擬零碳小屋的完整能源鏈路為核心目標(biāo)，系統(tǒng)由以下七大功能模塊組成：
（一）光伏發(fā)電單元：采用高精度太陽(yáng)能電池模擬器，額定功率800W，可精準(zhǔn)模擬不同光照強(qiáng)度下的光伏陣列輸出特性，替代室外光伏陣列開展實(shí)驗(yàn)，不受天氣與季節(jié)制約，為系統(tǒng)提供可控的直流電力輸入。
（二）太陽(yáng)能光熱單元：采用平板型太陽(yáng)能集熱器，采光面積2m?，吸收率≥95%，配套水循環(huán)管路與太陽(yáng)模擬光源，可模擬不同輻照條件下的光熱轉(zhuǎn)換過程，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能。
（三）相變儲(chǔ)熱單元：采用復(fù)合相變材料儲(chǔ)熱模塊，溫度控制范圍25-85℃，具備主動(dòng)儲(chǔ)熱與被動(dòng)儲(chǔ)熱雙模式，實(shí)現(xiàn)熱能的存儲(chǔ)與釋放，是系統(tǒng)"光-熱-儲(chǔ)"鏈路的核心環(huán)節(jié)。
（四）建筑模擬負(fù)荷單元：模擬碳中和小屋的采暖負(fù)荷、熱水負(fù)荷、照明負(fù)荷等多類冷熱用電負(fù)載，通過可調(diào)電阻負(fù)載、電加熱負(fù)載與模擬燈具組合，再現(xiàn)建筑典型用能場(chǎng)景。
（五）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：集成溫度傳感器、流量傳感器、電壓電流傳感器、輻照度傳感器等多類型傳感設(shè)備，實(shí)現(xiàn)多路物理量同步采集，采樣頻率可配置，支持實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與歷史數(shù)據(jù)記錄。
（六）能量管理軟件：基于工業(yè)組態(tài)平臺(tái)開發(fā)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能量流，自動(dòng)計(jì)算光電轉(zhuǎn)換效率與光熱轉(zhuǎn)換效率，支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出與分析報(bào)表生成，具備遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。
（七）安全保護(hù)與結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)具備過載保護(hù)、超溫保護(hù)、漏電保護(hù)等多重安全機(jī)制，采用模塊化臺(tái)式柜體設(shè)計(jì)，AC220V供電，布局緊湊、部署靈活。
系統(tǒng)各單元參數(shù)對(duì)標(biāo)工業(yè)真機(jī)，控制邏輯貼合工程實(shí)際，既支持單部件結(jié)構(gòu)認(rèn)知、原理驗(yàn)證、性能測(cè)試等基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)，也可開展系統(tǒng)集成、能量調(diào)度、故障排查等綜合實(shí)訓(xùn)，是構(gòu)建碳中和小屋能源系統(tǒng)教學(xué)與科研平臺(tái)的核心載體。
三、各單元部件作用及詳細(xì)技術(shù)參數(shù)
3.1 光伏發(fā)電單元
3.1.1 單元功能
光伏發(fā)電單元是碳中和小屋能源系統(tǒng)的核心電力輸入模塊，負(fù)責(zé)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為直流電能，為系統(tǒng)各負(fù)載及儲(chǔ)能單元供電。本單元采用高精度太陽(yáng)能電池模擬器，可精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)真實(shí)光伏組件在不同光照強(qiáng)度和溫度條件下的I-V/P-V輸出特性。
采用模擬器替代真實(shí)光伏陣列開展實(shí)驗(yàn)，可有效解決室外光伏發(fā)電受晝夜、天氣、季節(jié)等自然條件制約、實(shí)驗(yàn)條件不可控、數(shù)據(jù)不可復(fù)現(xiàn)的教學(xué)痛點(diǎn)。通過調(diào)節(jié)模擬器的輸出參數(shù)，可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)穩(wěn)定復(fù)現(xiàn)晴天、多云、陰天、陰影遮擋等多種工況下的光伏輸出特性，為光伏發(fā)電原理驗(yàn)證、MPPT算法測(cè)試、系統(tǒng)能量調(diào)度實(shí)驗(yàn)提供穩(wěn)定、可控、可重復(fù)的光伏電源。
3.1.2 詳細(xì)技術(shù)參數(shù)
參數(shù)項(xiàng) | 技術(shù)指標(biāo) |
額定輸出功率 | 800W（0℃～40℃環(huán)境） |
輸出電壓范圍 | 0～150V DC |
輸出電流范圍 | 0～10A |
電壓設(shè)定精度 | ±(0.01%讀數(shù)+10mV)（25±5℃） |
電流設(shè)定精度 | ±(0.1%讀數(shù)+10mA)（25±5℃） |
電壓紋波噪聲 | ≤50mVpp |
電流紋波噪聲 | ≤15mArms |
動(dòng)態(tài)響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間 | ≤5ms |
空載上升時(shí)間 | ≤300ms |
滿載上升時(shí)間 | ≤1s |
顯示方式 | 5位數(shù)字電壓、電流獨(dú)立顯示 |
通訊接口 | 標(biāo)配RS232、RS485，支持SCPI指令集、MODBUS-RTU協(xié)議 |
數(shù)據(jù)存儲(chǔ) | 內(nèi)置300組數(shù)據(jù)存儲(chǔ)調(diào)用功能 |
保護(hù)功能 | 過載保護(hù)、極性接反保護(hù)、過壓保護(hù)、過流保護(hù)、過溫保護(hù) |
供電電源 | AC 176V～264V（滿載），47Hz～63Hz |
工作環(huán)境溫度 | 0～40℃ |
相對(duì)濕度 | ≤80% |
3.1.3 功能特點(diǎn)
本單元支持輸出I-V曲線、P-V曲線的實(shí)時(shí)顯示與繪制，可模擬不同光照強(qiáng)度（100-1200W/m）、不同溫度（-10～50℃）條件下的光伏輸出特性；內(nèi)置300組數(shù)據(jù)存儲(chǔ)調(diào)用功能，可快速調(diào)用預(yù)設(shè)的不同工況特性曲線；標(biāo)配RS232/RS485通訊接口，支持與上位機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)無(wú)縫對(duì)接。
3.2 太陽(yáng)能光熱單元
3.2.1 單元功能
太陽(yáng)能光熱單元是碳中和小屋能源系統(tǒng)的熱能輸入模塊，負(fù)責(zé)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能，為建筑供暖與生活熱水提供熱源。本單元采用平板型太陽(yáng)能集熱器，配套水循環(huán)管路與可控輻照熱源，可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬不同太陽(yáng)輻照條件下的光熱轉(zhuǎn)換過程。
光熱單元與光伏單元共同構(gòu)成碳中和小屋的"光-電"與"光-熱"雙路太陽(yáng)能利用通道，是開展光熱-光伏協(xié)同輸出特性實(shí)驗(yàn)、光熱轉(zhuǎn)換效率測(cè)試、集熱器性能對(duì)比等教學(xué)實(shí)驗(yàn)的核心設(shè)備。
3.2.2 詳細(xì)技術(shù)參數(shù)
（一）平板型太陽(yáng)能集熱器
參數(shù)項(xiàng) | 技術(shù)指標(biāo) |
集熱器類型 | 平板型太陽(yáng)能集熱器 |
輪廓面積/采光面積 | 2m2 |
外形尺寸 | 約2000×1000×80mm- |
吸收率 | ≥95% |
發(fā)射率 | ≤6%- |
板芯材質(zhì) | 全銅板芯，選擇性吸收涂層- |
蓋板材質(zhì) | 高透光率鋼化玻璃 |
保溫層 | 玻璃纖維保溫棉 |
最大工作壓力 | ≥0.6MPa- |
瞬時(shí)熱效率 | ≥70%（標(biāo)準(zhǔn)工況） |
（二）水循環(huán)管路系統(tǒng)
參數(shù)項(xiàng) | 技術(shù)指標(biāo) |
循環(huán)泵功率 | ≤300W |
循環(huán)泵供電 | AC220V |
管路材質(zhì) | PEX保溫管 |
閥門配置 | 球閥、排氣閥、排污閥 |
保溫措施 | 橡塑保溫管套 |
工作介質(zhì) | 水或防凍液（依環(huán)境溫度選用） |
流量調(diào)節(jié) | 手動(dòng)閥調(diào)節(jié)，可配合變頻控制 |
（三）可控輻照熱源（選配）
參數(shù)項(xiàng) | 技術(shù)指標(biāo) |
光源類型 | 鹵素?zé)絷嚵?紅外輻射燈 |
輻照面積 | ≥2m2（匹配集熱器面積） |
輻照強(qiáng)度范圍 | 400～1200W/m2（可調(diào)） |
控制方式 | 無(wú)級(jí)調(diào)光 |
燈管壽命 | ≥5000h |
供電電源 | AC380V/AC220V |
3.2.3 功能特點(diǎn)
本單元可開展集熱器穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)性能測(cè)試、不同輻照強(qiáng)度與流量條件下的集熱效率對(duì)比實(shí)驗(yàn)、集熱器時(shí)間常數(shù)與熱損失系數(shù)測(cè)定等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。水循環(huán)管路采用透明或半透明管段設(shè)計(jì)，便于學(xué)生觀察水流狀態(tài)與氣泡排除過程。
3.3 相變儲(chǔ)熱單元
3.3.1 單元功能
相變儲(chǔ)熱單元是碳中和小屋能源系統(tǒng)的熱能存儲(chǔ)與調(diào)度核心模塊，負(fù)責(zé)將光熱單元收集的多余熱能儲(chǔ)存起來(lái)，在建筑需要熱量時(shí)釋放，解決太陽(yáng)能供給與建筑熱需求在時(shí)間上的不匹配問題。
相變儲(chǔ)能是一種以相變儲(chǔ)能材料為基礎(chǔ)的儲(chǔ)能技術(shù)，主要以儲(chǔ)熱為主，具有溫度恒定和儲(chǔ)能密度大的優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于熱量供給不連續(xù)或供給與需求不協(xié)調(diào)的工況。本單元采用復(fù)合相變材料，溫度控制范圍25-85℃，具備主動(dòng)儲(chǔ)熱和被動(dòng)儲(chǔ)熱兩種控制模式。通過本單元的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生可深入理解相變儲(chǔ)熱的工作原理、儲(chǔ)放熱特性、固液相變界面演變等關(guān)鍵過程。
3.3.2 詳細(xì)技術(shù)參數(shù)
（一）相變儲(chǔ)熱模塊
參數(shù)項(xiàng) | 技術(shù)指標(biāo) |
相變材料類型 | 石蠟 |
相變溫度范圍 | 25～85℃- |
工作溫度范圍 | 25～85℃（精確控溫） |
有效儲(chǔ)熱量 | ≥2.0kWh（@ΔT=40℃） |
儲(chǔ)熱密度 | ≥150kJ/kg |
儲(chǔ)能水箱 | PP材料400*400MM*400MM，可視化視窗直徑300MM |
保溫層 | 聚氨酯發(fā)泡/氣凝膠復(fù)合保溫，厚度≥30mm |
加熱方式 | 電加熱（PID精確控溫）+ 熱介質(zhì)循環(huán)儲(chǔ)熱 |
冷卻方式 | 水冷循環(huán)/自然冷卻- |
溫度控制精度 | ±0.5℃ |
熱響應(yīng)時(shí)間 | ≤10min（額定工況） |
（二）智能控制系統(tǒng)
參數(shù)項(xiàng) | 技術(shù)指標(biāo) |
控制模式 | 主動(dòng)儲(chǔ)熱模式、被動(dòng)儲(chǔ)熱模式 |
溫度控制 | PID精確控溫 |
人機(jī)界面 | LCD/LED顯示屏，可顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)、相變體各點(diǎn)溫度、相變體所處相態(tài) |
通訊接口 | RS485，支持遠(yuǎn)程控制與數(shù)據(jù)通信 |
控制切換 | 主動(dòng)/被動(dòng)式控制模式可一鍵切換 |
安全保護(hù) | 過溫保護(hù)、電能過載保護(hù)、漏電保護(hù) |
3.3.3 功能特點(diǎn)
本單元支持相變材料恒溫加熱/放熱特性曲線測(cè)試、換熱器性能測(cè)試、相變材料自由放熱特性測(cè)試、恒功率相變材料加熱特性測(cè)試、相變儲(chǔ)熱及儲(chǔ)放熱策略研究等多種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。儲(chǔ)熱體支持電能儲(chǔ)熱（電加熱）和熱介質(zhì)循環(huán)儲(chǔ)熱兩種方式，支持熱能儲(chǔ)存與熱能釋放同時(shí)進(jìn)行?？蛇x配透明視窗設(shè)計(jì)，便于學(xué)生觀察相變材料的固液相變過程。
3.4 建筑模擬負(fù)荷單元
3.4.1 單元功能
建筑模擬負(fù)荷單元是碳中和小屋能源系統(tǒng)的用能終端模塊，負(fù)責(zé)模擬碳中和小屋的采暖、熱水、照明等多類冷熱用電負(fù)荷。通過可調(diào)電阻負(fù)載、電加熱負(fù)載與模擬燈具的組合，再現(xiàn)建筑典型用能場(chǎng)景，為系統(tǒng)能量調(diào)度與供需平衡實(shí)驗(yàn)提供真實(shí)的負(fù)荷邊界條件。
3.4.2 詳細(xì)技術(shù)參數(shù)
（一）熱泵儲(chǔ)能
參數(shù)項(xiàng) | 技術(shù)指標(biāo) |
負(fù)荷類型 | 空氣源熱泵空調(diào) 主機(jī) 1P 變頻 制冷量1500W 制熱量1500W |
熱水箱 | 30L |
冷水箱 | 30L |
風(fēng)機(jī)盤管 | 2個(gè)獨(dú)立供熱和供冷 |
水泵 | 2個(gè)100W |
控制方式 | 手動(dòng)調(diào)節(jié)/程序控制 |
模擬對(duì)象 | 小屋采暖末端（散熱器/地暖） |
熱響應(yīng)時(shí)間 | ≤30s |
（三）照明模擬負(fù)荷
參數(shù)項(xiàng) | 技術(shù)指標(biāo) |
負(fù)荷類型 | LED燈具陣列 |
額定功率 | 0～100W（連續(xù)可調(diào)） |
色溫 | 3000～6500K可調(diào) |
調(diào)光方式 | PWM調(diào)光 |
模擬對(duì)象 | 小屋室內(nèi)照明 |
（四）綜合用電負(fù)荷
參數(shù)項(xiàng) | 技術(shù)指標(biāo) |
總功率范圍 | 0～1.5kW（組合可調(diào)） |
負(fù)載類型 | 阻性/感性/阻感混合- |
控制方式 | 獨(dú)立開關(guān)+程序時(shí)序控制 |
時(shí)序控制 | 支持24h負(fù)荷曲線編程 |
通訊接口 | RS485，支持上位機(jī)遠(yuǎn)程控制 |
3.4.3 功能特點(diǎn)
本單元支持多類型負(fù)荷的獨(dú)立控制與組合運(yùn)行，可通過編程設(shè)定24小時(shí)逐時(shí)負(fù)荷曲線，模擬碳中和小屋在不同季節(jié)、不同時(shí)段的典型用能模式；各負(fù)荷模塊功率連續(xù)可調(diào)，便于開展不同負(fù)荷水平下的系統(tǒng)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)；負(fù)荷狀態(tài)實(shí)時(shí)上傳至能量管理軟件，支持能量流向的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與記錄。
3.5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
3.5.1 單元功能
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的"神經(jīng)末梢"，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集光伏發(fā)電、光熱集熱、相變儲(chǔ)熱、建筑負(fù)荷等各環(huán)節(jié)的物理量數(shù)據(jù)，為能量流監(jiān)測(cè)、效率計(jì)算與系統(tǒng)分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。系統(tǒng)集成溫度、流量、電壓電流、輻照度等多類型傳感器，實(shí)現(xiàn)多路物理量的同步采集。
3.5.2 詳細(xì)技術(shù)參數(shù)
（一）溫度采集通道
參數(shù)項(xiàng) | 技術(shù)指標(biāo) |
通道數(shù) | ≥8路- |
傳感器類型 | Pt100鉑電阻（A級(jí)） |
測(cè)量范圍 | -20～150℃- |
測(cè)量精度 | ±0.1℃- |
分辨率 | 0.01℃ |
安裝方式 | 貼片式/浸入式/插入式 |
（二）流量采集通道
參數(shù)項(xiàng) | 技術(shù)指標(biāo) |
通道數(shù) | ≥2路 |
傳感器類型 | 渦輪流量計(jì)/超聲波流量計(jì) |
測(cè)量范圍 | 0～50L/min |
測(cè)量精度 | ±1%讀數(shù) |
輸出信號(hào) | 4～20mA/脈沖 |
（三）電壓電流采集通道
參數(shù)項(xiàng) | 技術(shù)指標(biāo) |
電壓采集通道 | ≥4路 |
電壓測(cè)量范圍 | 0～250V DC/AC |
電流采集通道 | ≥4路 |
電流測(cè)量范圍 | 0～20A DC/AC |
測(cè)量精度 | 0.5級(jí) |
采樣頻率 | ≥1kHz（可配置） |
A/D轉(zhuǎn)換 | 32Bit |
（四）輻照度采集通道
參數(shù)項(xiàng) | 技術(shù)指標(biāo) |
通道數(shù) | 1～2路- |
傳感器類型 | 硅光電池輻照度傳感器 |
測(cè)量范圍 | 0～2000W/m2- |
測(cè)量精度 | ＜5%- |
顯示分辨率 | 1W/m2 |
光譜范圍 | 300～3000nm |
（五）數(shù)據(jù)采集主機(jī)
參數(shù)項(xiàng) | 技術(shù)指標(biāo) |
模擬輸入通道 | ≥16路 |
模擬輸入范圍 | ±5000mV |
模擬輸入精度 | ±(讀數(shù)×0.1%+偏移量) |
測(cè)量分辨率 | 0.48μV |
輸入采集通道 | 電壓、電流 |
脈沖通道 | ≥6路 |
通訊協(xié)議 | Modbus RTU、RS232/485 |
數(shù)據(jù)存儲(chǔ) | 本地存儲(chǔ)+云端備份（可選） |
采樣頻率 | 1～1000Hz可配置 |
3.5.3 功能特點(diǎn)
本系統(tǒng)支持多通道同步采集，各通道采樣頻率獨(dú)立可配置；具備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、趨勢(shì)曲線繪制、歷史數(shù)據(jù)查詢與導(dǎo)出功能；支持Excel/CSV格式數(shù)據(jù)導(dǎo)出，便于學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與效率計(jì)算；各傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)接口，便于擴(kuò)展與更換。
3.6 能量管理軟件
3.6.1 單元功能
能量管理軟件是整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的"大腦"，負(fù)責(zé)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、能量流的可視化展示、光電/光熱轉(zhuǎn)換效率的自動(dòng)計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與分析。軟件以工業(yè)組態(tài)平臺(tái)為基礎(chǔ)開發(fā)，界面直觀、操作簡(jiǎn)便，適合本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。
3.6.2 詳細(xì)功能參數(shù)
（一）實(shí)時(shí)監(jiān)控功能
功能項(xiàng) | 詳細(xì)說(shuō)明 |
系統(tǒng)總覽 | 以能量流向圖形式展示光伏發(fā)電、光熱集熱、相變儲(chǔ)能、負(fù)荷用能的完整鏈路 |
光伏監(jiān)控 | 實(shí)時(shí)顯示光伏輸出電壓、電流、功率，繪制I-V/P-V曲線 |
光熱監(jiān)控 | 實(shí)時(shí)顯示集熱器進(jìn)出口溫度、流量、集熱功率、累計(jì)集熱量 |
儲(chǔ)熱監(jiān)控 | 實(shí)時(shí)顯示相變儲(chǔ)熱模塊各測(cè)點(diǎn)溫度、儲(chǔ)熱量、充放熱功率、相變狀態(tài) |
負(fù)荷監(jiān)控 | 實(shí)時(shí)顯示各負(fù)荷功率、累計(jì)用電量 |
（二）效率計(jì)算功能
功能項(xiàng) | 詳細(xì)說(shuō)明 |
光電轉(zhuǎn)換效率 | 光伏發(fā)電量/入射太陽(yáng)輻照能量 ×100%，自動(dòng)計(jì)算與顯示 |
光熱轉(zhuǎn)換效率 | 集熱器得熱量/入射太陽(yáng)輻照能量 ×100%，自動(dòng)計(jì)算與顯示 |
儲(chǔ)熱效率 | 儲(chǔ)熱模塊釋放熱量/儲(chǔ)存熱量 ×100%，自動(dòng)計(jì)算與顯示 |
綜合能源效率 | 系統(tǒng)有用輸出/總太陽(yáng)能輸入 ×100% |
報(bào)表生成 | 自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)表，包含效率曲線與統(tǒng)計(jì)圖表 |
（三）數(shù)據(jù)管理功能
功能項(xiàng) | 詳細(xì)說(shuō)明 |
數(shù)據(jù)記錄 | 自動(dòng)記錄各通道實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，采樣間隔可設(shè)置（1s～3600s） |
數(shù)據(jù)查詢 | 按時(shí)間范圍、數(shù)據(jù)類型查詢歷史數(shù)據(jù) |
數(shù)據(jù)導(dǎo)出 | 支持Excel/CSV格式導(dǎo)出，便于學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析- |
曲線繪制 | 支持多參數(shù)疊加曲線繪制與對(duì)比分析 |
（四）系統(tǒng)配置功能
功能項(xiàng) | 詳細(xì)說(shuō)明 |
參數(shù)設(shè)置 | 傳感器量程、報(bào)警閾值、采樣頻率等參數(shù)可配置 |
用戶管理 | 支持多用戶賬戶與權(quán)限管理- |
通訊配置 | 支持RS485/Modbus/以太網(wǎng)等多種通訊協(xié)議配置 |
3.6.3 技術(shù)架構(gòu)
參數(shù)項(xiàng) | 技術(shù)指標(biāo) |
開發(fā)平臺(tái) | 工業(yè)組態(tài)軟件（如MCGS/組態(tài)王） |
運(yùn)行環(huán)境 | Windows 10/11 專業(yè)版 |
數(shù)據(jù)庫(kù) | SQLite/MySQL |
通訊協(xié)議 | Modbus RTU/TCP、OPC-UA |
顯示終端 | 23.8英寸觸摸一體機(jī)/55英寸大屏（可選） |
遠(yuǎn)程訪問 | 支持Web端數(shù)據(jù)查看（可選） |
3.7 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與安全保護(hù)
3.7.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用模塊化臺(tái)式柜體設(shè)計(jì)，各功能單元獨(dú)立成柜，布局緊湊、部署靈活：
參數(shù)項(xiàng) | 技術(shù)指標(biāo) |
柜體形式 | 模塊化臺(tái)式/落地式柜體 |
柜體材質(zhì) | 冷軋鋼板，表面靜電噴塑 |
柜體尺寸 | 單柜約600×600×1200mm（可定制） |
模塊數(shù)量 | 4～6個(gè)獨(dú)立功能柜 |
供電方式 | AC220V/50Hz，總功率≤3kW |
散熱方式 | 自然對(duì)流+強(qiáng)制風(fēng)冷 |
移動(dòng)方式 | 帶腳輪，可鎖定 |
3.7.2 安全保護(hù)
保護(hù)類型 | 技術(shù)指標(biāo) |
過載保護(hù) | 各回路配備斷路器/熔斷器 |
超溫保護(hù) | 相變儲(chǔ)熱模塊獨(dú)立溫控器+硬件超溫保護(hù) |
漏電保護(hù) | 總配電箱配備漏電保護(hù)器 |
過壓保護(hù) | 光伏模擬器內(nèi)置過壓保護(hù) |
過流保護(hù) | 各負(fù)載回路配備過流保護(hù) |
接地保護(hù) | 系統(tǒng)整體可靠接地 |
緊急停機(jī) | 配備急停按鈕，一鍵切斷所有電源 |
電氣隔離 | 強(qiáng)弱電分離布線，信號(hào)線屏蔽處理 |
四、可開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目
本系統(tǒng)可支撐從基礎(chǔ)認(rèn)知到綜合創(chuàng)新的多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)，具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置如下：
實(shí)驗(yàn)一：光伏陣列輸出特性模擬與測(cè)試實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆仗?yáng)能電池模擬器的基本原理與操作方法，理解光伏陣列在不同光照、溫度條件下的I-V/P-V輸出特性。
主要內(nèi)容：通過太陽(yáng)能電池模擬器設(shè)定不同光照強(qiáng)度（200～1200W/m?）和溫度參數(shù)，繪制光伏組件的I-V曲線和P-V曲線，觀測(cè)最大功率點(diǎn)（MPP）的變化規(guī)律；對(duì)比不同工況下的輸出特性差異，理解光照、溫度對(duì)光伏輸出的影響機(jī)制。
實(shí)驗(yàn)二：平板型太陽(yáng)能集熱器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆掌桨逍吞?yáng)能集熱器的工作原理與性能測(cè)試方法，理解光熱轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律。
主要內(nèi)容：在不同輻照強(qiáng)度、不同入口水溫、不同流量條件下運(yùn)行集熱器，測(cè)量進(jìn)出口溫度、流量與得熱量，計(jì)算集熱效率；繪制集熱效率曲線（η vs. (T_in-T_a)/G）；分析輻照強(qiáng)度、流量對(duì)集熱效率的影響規(guī)律。
實(shí)驗(yàn)三：相變儲(chǔ)熱材料充放熱特性實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆障嘧儍?chǔ)熱的基本原理與儲(chǔ)放熱特性測(cè)試方法，理解相變潛熱儲(chǔ)存與顯熱儲(chǔ)存的區(qū)別。
主要內(nèi)容：在恒定加熱功率下對(duì)相變儲(chǔ)熱模塊進(jìn)行充熱，記錄各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化，繪制充熱溫度曲線；觀察相變材料固液相變過程，識(shí)別顯熱儲(chǔ)熱區(qū)與潛熱儲(chǔ)熱區(qū)；在自然冷卻和強(qiáng)制冷卻兩種條件下進(jìn)行放熱實(shí)驗(yàn)，對(duì)比放熱速率與放熱量；計(jì)算相變材料的有效儲(chǔ)熱密度與儲(chǔ)熱效率。
實(shí)驗(yàn)四：光伏-光熱協(xié)同輸出特性實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)?zāi)康模豪斫馓?yáng)能光伏發(fā)電與光熱利用的協(xié)同工作機(jī)理，掌握光-電與光-熱雙路能源輸出的測(cè)試方法。
主要內(nèi)容：在相同輻照條件下同時(shí)運(yùn)行光伏單元與光熱單元，分別測(cè)量光電轉(zhuǎn)換效率與光熱轉(zhuǎn)換效率；分析光伏板工作溫度對(duì)發(fā)電效率的影響（可結(jié)合光熱單元的冷卻效果進(jìn)行對(duì)比）；探討光伏-光熱一體化（PVT）的協(xié)同增效潛力。
實(shí)驗(yàn)五：建筑冷熱負(fù)荷模擬與用能特性實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆战ㄖ錈嶝?fù)荷的模擬方法，理解碳中和小屋的典型用能模式。
主要內(nèi)容：通過建筑模擬負(fù)荷單元設(shè)定不同季節(jié)、不同時(shí)段的負(fù)荷曲線（采暖、熱水、照明），記錄系統(tǒng)供電與供熱需求；分析建筑負(fù)荷的日變化規(guī)律與季節(jié)性差異；計(jì)算不同負(fù)荷組合下的總用能量與負(fù)荷率。
實(shí)驗(yàn)六：相變儲(chǔ)熱與建筑熱負(fù)荷供需匹配實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)?zāi)康模豪斫庀嘧儍?chǔ)熱在解決太陽(yáng)能供熱與建筑熱負(fù)荷時(shí)間不匹配問題中的作用。
主要內(nèi)容：設(shè)定典型日太陽(yáng)輻照曲線與建筑熱負(fù)荷曲線，運(yùn)行光熱單元與相變儲(chǔ)熱單元；觀測(cè)儲(chǔ)熱模塊在日間充熱、夜間放熱的完整循環(huán)過程；分析儲(chǔ)熱系統(tǒng)對(duì)建筑熱負(fù)荷的保障能力與時(shí)間平移效果；計(jì)算儲(chǔ)熱系統(tǒng)的日有用得熱量與熱利用效率。
實(shí)驗(yàn)七：碳中和小屋能源系統(tǒng)綜合效率測(cè)算實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆战ㄖ闾寄茉聪到y(tǒng)綜合能源利用效率的測(cè)算方法。
主要內(nèi)容：在完整工作日工況下運(yùn)行系統(tǒng)各單元，記錄光伏發(fā)電量、光熱集熱量、儲(chǔ)熱充放熱量、負(fù)荷用電量與用熱量；計(jì)算光電轉(zhuǎn)換效率、光熱轉(zhuǎn)換效率、儲(chǔ)熱效率與系統(tǒng)綜合能源效率；分析各環(huán)節(jié)的能量損失分布與效率瓶頸。
實(shí)驗(yàn)八：建筑側(cè)能量調(diào)度策略實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)?zāi)康模豪斫饨ㄖ闾寄茉垂┙o系統(tǒng)的能量調(diào)度邏輯與控制策略。
主要內(nèi)容：設(shè)定不同調(diào)度策略（光伏優(yōu)先、儲(chǔ)熱優(yōu)先、負(fù)荷跟隨等），觀測(cè)系統(tǒng)在各策略下的運(yùn)行狀態(tài)與能量流向；對(duì)比不同策略下的能源利用效率與負(fù)荷滿足率；分析最優(yōu)調(diào)度策略的適用條件。
實(shí)驗(yàn)九：不同儲(chǔ)能介質(zhì)儲(chǔ)熱性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆詹煌瑑?chǔ)熱介質(zhì)（相變儲(chǔ)熱 vs. 水儲(chǔ)熱）的性能差異與適用場(chǎng)景。
主要內(nèi)容：在相同輸入條件下，分別運(yùn)行相變儲(chǔ)熱模塊與等量水儲(chǔ)熱模塊（可增設(shè)對(duì)比水箱）；對(duì)比兩者的儲(chǔ)熱量、儲(chǔ)熱密度、充放熱速率與熱損失；分析相變儲(chǔ)熱在溫度恒定與儲(chǔ)能密度方面的優(yōu)勢(shì)。
實(shí)驗(yàn)十：碳中和小屋能源方案設(shè)計(jì)與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)?zāi)康模号囵B(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行碳中和小屋能源方案設(shè)計(jì)的能力。
主要內(nèi)容：給定碳中和小屋的建筑參數(shù)與用能需求，學(xué)生自主設(shè)計(jì)光伏容量、光熱面積、儲(chǔ)熱容量等關(guān)鍵參數(shù)；在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上搭建并運(yùn)行設(shè)計(jì)方案，驗(yàn)證其可行性；分析設(shè)計(jì)方案的能源自給率、經(jīng)濟(jì)性與碳減排效果；撰寫完整的能源方案設(shè)計(jì)報(bào)告。
3.8 55 英寸大屏顯示終端
屏幕規(guī)格：55 英寸高清工業(yè)顯示大屏
硬件配置：Intel Core i5-4650 處理器，預(yù)裝 Windows 10 操作系統(tǒng)
顯示功能：系統(tǒng)所有運(yùn)行數(shù)據(jù)以物聯(lián)網(wǎng)形式投放在大屏上，支持分屏展示系統(tǒng)總覽、風(fēng)光發(fā)電參數(shù)、儲(chǔ)能狀態(tài)、制氫工況、熱泵運(yùn)行數(shù)據(jù)、能量流向示意圖
展示效果：畫面清晰可視距離遠(yuǎn)，適配實(shí)訓(xùn)室集體教學(xué)觀摩場(chǎng)景
連接方式：通過以太網(wǎng)對(duì)接 PLC 與組態(tài)系統(tǒng)，運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步更新
3.9 仿真規(guī)劃軟件
基于Unity3D軟件，使用C#語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)，采用My Sql作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過FTP協(xié)議與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行通信。軟件使用者通過使用光伏、風(fēng)力、地?zé)?、生物質(zhì)4種能源設(shè)計(jì)多能互補(bǔ)方案，完成區(qū)域能源的供能結(jié)構(gòu)改造方案設(shè)計(jì)，并結(jié)合區(qū)域的氣候數(shù)據(jù)，模擬區(qū)域內(nèi)實(shí)時(shí)能耗與供能數(shù)據(jù)，從而優(yōu)化出合理的能源結(jié)構(gòu)。
（1）用戶管理功能：
注冊(cè)：支持學(xué)生或教師按照學(xué)校名稱和手機(jī)號(hào)碼注冊(cè)用戶
登錄：支持學(xué)生或教師根據(jù)手機(jī)號(hào)碼或用戶名登錄系統(tǒng)。
找回密碼：支持學(xué)生或教師根據(jù)手機(jī)號(hào)碼找回密碼
權(quán)限管理：支持主用戶添加或刪除子用戶
用戶信息管理：支持用戶信息查看，包括用戶名、學(xué)校、真實(shí)姓名、學(xué)號(hào)、上級(jí)用戶等
異地登錄：同一個(gè)賬號(hào)24小時(shí)內(nèi)只能在同一臺(tái)電腦上登錄，無(wú)法在其他電腦上登錄。
（2）氣象數(shù)據(jù)庫(kù)
支持查看全國(guó)超過32個(gè)城市的模擬地圖氣候數(shù)據(jù)。支持查看2013-2016年的精確到天的模擬地圖氣候數(shù)據(jù)，可自由設(shè)置日期進(jìn)行查看。每個(gè)城市的氣候數(shù)據(jù)均可查看：平均氣溫、最高最低氣溫、濕度、降水量、輻照量、氣壓、風(fēng)速、土地濕度攝氏度等。
（3）3D地圖功能
支持教師通過3D地圖上的模擬能耗布置相應(yīng)學(xué)習(xí)任務(wù)，同時(shí)可以修改多種參數(shù)以最大化的適應(yīng)不同實(shí)際情況，最后可以根據(jù)學(xué)生完成情況進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)分。
根據(jù)項(xiàng)目及學(xué)習(xí)任務(wù)需要規(guī)劃設(shè)計(jì)的區(qū)域面積大小，選擇對(duì)應(yīng)面積以及地形相似度高的區(qū)域，并定期更新可用的區(qū)域3d地圖、加載在3D地圖上的是真實(shí)的地形地貌，包含設(shè)計(jì)成虛擬的地形地貌、3D地圖模型、山川、河流與樹木；
支持修改光伏發(fā)電的相關(guān)評(píng)分參數(shù)：整機(jī)效率、最佳傾角、除組件和逆變器以外的其他成本參數(shù)等。
支持修改風(fēng)力發(fā)電的相關(guān)評(píng)分參數(shù)：整機(jī)效率、風(fēng)力波動(dòng)（自定義風(fēng)速的每小時(shí)波動(dòng)數(shù)據(jù)以體現(xiàn)出風(fēng)力發(fā)電機(jī)組隨著每小時(shí)風(fēng)速數(shù)據(jù)的變化，發(fā)電量在1天24小時(shí)內(nèi)隨機(jī)波動(dòng)的特點(diǎn)；）
支持修改地?zé)崮艿南嚓P(guān)評(píng)分參數(shù)：換熱能力、熱協(xié)調(diào)參數(shù)、成本單價(jià)
命名：教師可以自行命名模型的名字
刪除：教師可以對(duì)模型進(jìn)行刪除操作
（4）學(xué)生端功能
支持學(xué)生通過設(shè)置3D地圖上的各種能源搭配的方案來(lái)解答教師給出的學(xué)習(xí)任務(wù)，并給出相應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)表
學(xué)生在3d地圖上，根據(jù)模擬的每小時(shí)用能數(shù)據(jù)，合理布局"光伏發(fā)電""風(fēng)力發(fā)電""生物質(zhì)發(fā)電""淺層地?zé)嵩O(shè)施"設(shè)置各種產(chǎn)能模塊的產(chǎn)能參數(shù)，滿足區(qū)域用能需求，以完成需求側(cè)區(qū)域能源規(guī)劃方案的設(shè)計(jì)；
使用光伏、風(fēng)力、生物質(zhì)、地?zé)?種新能源并結(jié)合外部電力輸入以進(jìn)行能源供應(yīng)模擬并能自動(dòng)計(jì)算產(chǎn)能。
根據(jù)設(shè)施地區(qū)經(jīng)緯度與氣候參數(shù)，通過選擇不同型號(hào)規(guī)格的逆變器與光伏組件，來(lái)完成光伏組件方陣的設(shè)計(jì)，主要包含參數(shù)有：方陣行數(shù)、方陣列數(shù)、組件安裝方式設(shè)計(jì)、傾角設(shè)計(jì)、逆變器數(shù)量、組件間距設(shè)計(jì)、組串串并聯(lián)的數(shù)量等完成區(qū)域光伏電站設(shè)置。
根據(jù)每小時(shí)的用電情況，實(shí)現(xiàn)戶式/小型分布式光伏電站的模擬設(shè)計(jì)，并根據(jù)所選光伏組件與逆變器估算該電站的建設(shè)成本以及模擬該分布式電站與負(fù)載的合并運(yùn)行情況可設(shè)置不同容量大小的風(fēng)機(jī)，模擬風(fēng)力發(fā)電功率
根據(jù)模擬時(shí)段內(nèi)的氣溫?cái)?shù)據(jù)，判斷當(dāng)日是否存在制冷制熱需求，并根據(jù)當(dāng)日的冷熱程度模擬制冷制熱能耗情況。
根據(jù)逆變器、光伏組件的價(jià)格，風(fēng)機(jī)機(jī)組價(jià)格，地?zé)犭娬緝r(jià)格，生物質(zhì)電站價(jià)格對(duì)所設(shè)計(jì)的多能互補(bǔ)方案的建設(shè)總成本自動(dòng)統(tǒng)計(jì)在初始化并部署完成后，展示整個(gè)區(qū)域能源狀態(tài)，并根據(jù)預(yù)設(shè)值進(jìn)行計(jì)算和輸出，根據(jù)輸出結(jié)果形成各類報(bào)表。包括總數(shù)據(jù)和日數(shù)據(jù)；
能源數(shù)據(jù)報(bào)表中，通過模擬時(shí)間過程，以及設(shè)計(jì)好的方案，可以顯示各種能源的產(chǎn)能情況，包括：總產(chǎn)能、光伏發(fā)電量、風(fēng)力發(fā)電量、淺層地?zé)崮芰?、生物質(zhì)能發(fā)電量以及外部電力輸入等。
根據(jù)用能模塊預(yù)設(shè)的用能參數(shù)，模擬計(jì)算出用能情況實(shí)時(shí)曲線與各類產(chǎn)能設(shè)施的產(chǎn)能占比，并同步圖表顯示，包括總能耗、一般能耗、制冷制熱能耗等，有助于學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)能源的設(shè)計(jì)配比。
命名：學(xué)生可自行對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行命名或重命名
刪除：教師或?qū)W生可刪除方案
