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SB-TZH01碳中和小屋光熱-光伏-儲能耦合實驗系統

一、概述                           

碳中和小屋光熱-光伏-儲能耦合實驗系統,隨著"雙碳"戰略的深入推進，建筑領域作為能源消耗與碳排放的主要來源之一，其低碳化轉型已成為實現碳中和目標的關鍵路徑。建筑可再生能源利用與儲能技術是建筑節能減碳的核心支撐，如何將太陽能光伏發電、太陽能光熱利用與相變儲能技術有機結合，實現建筑用能系統的零碳化運行，已成為新能源與建筑節能領域的重要研究方向。

碳中和小屋光熱-光伏-儲能耦合實驗系統面向"碳中和小屋"場景，專為《儲能創客A》課程實驗教學打造，模擬零碳小屋太陽能光伏發電、太陽能光熱集熱、相變儲熱、建筑冷熱負荷的完整能源鏈路-。系統集成光伏發電單元、太陽能光熱單元、相變儲熱單元、建筑模擬負荷單元、多路數據采集系統及能量管理軟件六大模塊，以模塊化臺式柜體為載體，AC220V供電，覆蓋"光-電-熱-儲-用"全能量轉換與利用鏈條。

 參數圖

碳中和小屋光熱-光伏-儲能耦合實驗系統旨在服務本科生課程實驗、大學生創新創業項目及畢業設計，可用于碳中和小屋能源方案驗證、光熱-光伏協同輸出特性測試、相變儲能充放熱特性研究、建筑冷熱負荷模擬與能源利用效率測算等教學與科研場景，兼具教學實訓與基礎科研雙重功能-。各單元采用獨立模塊化設計，既可獨立運行開展單項原理實驗，也可聯動組成完整的小屋能源系統進行綜合實驗，實驗條件可控、數據可復現，幫助學生建立建筑零碳能源供給系統的整體認知，掌握光伏發電、光熱利用、相變儲能、負荷模擬與能量調度等核心技能。

二、項目簡介

本項目為"碳中和小屋光熱-光伏-儲能耦合實驗系統"教學設備建設項目，以模擬零碳小屋的完整能源鏈路為核心目標，系統由以下七大功能模塊組成：

（一）光伏發電單元：采用高精度太陽能電池模擬器，額定功率800W，可精準模擬不同光照強度下的光伏陣列輸出特性，替代室外光伏陣列開展實驗，不受天氣與季節制約，為系統提供可控的直流電力輸入。

（二）太陽能光熱單元：采用平板型太陽能集熱器，采光面積2m?，吸收率≥95%，配套水循環管路與太陽模擬光源，可模擬不同輻照條件下的光熱轉換過程，將太陽能轉化為熱能。

（三）相變儲熱單元：采用復合相變材料儲熱模塊，溫度控制范圍25-85℃，具備主動儲熱與被動儲熱雙模式，實現熱能的存儲與釋放，是系統"光-熱-儲"鏈路的核心環節。

（四）建筑模擬負荷單元：模擬碳中和小屋的采暖負荷、熱水負荷、照明負荷等多類冷熱用電負載，通過可調電阻負載、電加熱負載與模擬燈具組合，再現建筑典型用能場景。

（五）數據采集系統：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備，實現多路物理量同步采集，采樣頻率可配置，支持實時監測與歷史數據記錄。

（六）能量管理軟件：基于工業組態平臺開發，實時監測系統能量流，自動計算光電轉換效率與光熱轉換效率，支持數據導出與分析報表生成，具備遠程監控功能。

（七）安全保護與結構：系統具備過載保護、超溫保護、漏電保護等多重安全機制，采用模塊化臺式柜體設計，AC220V供電，布局緊湊、部署靈活。

系統各單元參數對標工業真機，控制邏輯貼合工程實際，既支持單部件結構認知、原理驗證、性能測試等基礎實訓，也可開展系統集成、能量調度、故障排查等綜合實訓，是構建碳中和小屋能源系統教學與科研平臺的核心載體。

三、各單元部件作用及詳細技術參數

3.1 光伏發電單元

3.1.1 單元功能

光伏發電單元是碳中和小屋能源系統的核心電力輸入模塊，負責將太陽能轉化為直流電能，為系統各負載及儲能單元供電。本單元采用高精度太陽能電池模擬器，可精準復現真實光伏組件在不同光照強度和溫度條件下的I-V/P-V輸出特性。

采用模擬器替代真實光伏陣列開展實驗，可有效解決室外光伏發電受晝夜、天氣、季節等自然條件制約、實驗條件不可控、數據不可復現的教學痛點。通過調節模擬器的輸出參數，可在實驗室內穩定復現晴天、多云、陰天、陰影遮擋等多種工況下的光伏輸出特性，為光伏發電原理驗證、MPPT算法測試、系統能量調度實驗提供穩定、可控、可重復的光伏電源。

3.1.2 詳細技術參數

3.1.3 功能特點

本單元支持輸出I-V曲線、P-V曲線的實時顯示與繪制，可模擬不同光照強度（100-1200W/m）、不同溫度（-10～50℃）條件下的光伏輸出特性；內置300組數據存儲調用功能，可快速調用預設的不同工況特性曲線；標配RS232/RS485通訊接口，支持與上位機數據采集系統無縫對接。

3.2 太陽能光熱單元

3.2.1 單元功能

太陽能光熱單元是碳中和小屋能源系統的熱能輸入模塊，負責將太陽能轉化為熱能，為建筑供暖與生活熱水提供熱源。本單元采用平板型太陽能集熱器，配套水循環管路與可控輻照熱源，可在實驗室內模擬不同太陽輻照條件下的光熱轉換過程。

光熱單元與光伏單元共同構成碳中和小屋的"光-電"與"光-熱"雙路太陽能利用通道，是開展光熱-光伏協同輸出特性實驗、光熱轉換效率測試、集熱器性能對比等教學實驗的核心設備。

3.2.2 詳細技術參數

（一）平板型太陽能集熱器

（二）水循環管路系統

（三）可控輻照熱源（選配）

3.2.3 功能特點

本單元可開展集熱器穩態與動態性能測試、不同輻照強度與流量條件下的集熱效率對比實驗、集熱器時間常數與熱損失系數測定等實驗項目。水循環管路采用透明或半透明管段設計，便于學生觀察水流狀態與氣泡排除過程。

3.3 相變儲熱單元

3.3.1 單元功能

相變儲熱單元是碳中和小屋能源系統的熱能存儲與調度核心模塊，負責將光熱單元收集的多余熱能儲存起來，在建筑需要熱量時釋放，解決太陽能供給與建筑熱需求在時間上的不匹配問題。

相變儲能是一種以相變儲能材料為基礎的儲能技術，主要以儲熱為主，具有溫度恒定和儲能密度大的優點，尤其適用于熱量供給不連續或供給與需求不協調的工況。本單元采用復合相變材料，溫度控制范圍25-85℃，具備主動儲熱和被動儲熱兩種控制模式。通過本單元的實驗教學，學生可深入理解相變儲熱的工作原理、儲放熱特性、固液相變界面演變等關鍵過程。

3.3.2 詳細技術參數

（一）相變儲熱模塊

（二）智能控制系統

3.3.3 功能特點

本單元支持相變材料恒溫加熱/放熱特性曲線測試、換熱器性能測試、相變材料自由放熱特性測試、恒功率相變材料加熱特性測試、相變儲熱及儲放熱策略研究等多種實驗項目。儲熱體支持電能儲熱（電加熱）和熱介質循環儲熱兩種方式，支持熱能儲存與熱能釋放同時進行。可選配透明視窗設計，便于學生觀察相變材料的固液相變過程。

3.4 建筑模擬負荷單元

3.4.1 單元功能

建筑模擬負荷單元是碳中和小屋能源系統的用能終端模塊，負責模擬碳中和小屋的采暖、熱水、照明等多類冷熱用電負荷。通過可調電阻負載、電加熱負載與模擬燈具的組合，再現建筑典型用能場景，為系統能量調度與供需平衡實驗提供真實的負荷邊界條件。

3.4.2 詳細技術參數

（一）熱泵儲能

（三）照明模擬負荷

（四）綜合用電負荷

3.4.3 功能特點

本單元支持多類型負荷的獨立控制與組合運行，可通過編程設定24小時逐時負荷曲線，模擬碳中和小屋在不同季節、不同時段的典型用能模式；各負荷模塊功率連續可調，便于開展不同負荷水平下的系統響應實驗；負荷狀態實時上傳至能量管理軟件，支持能量流向的實時監測與記錄。

3.5 數據采集系統

3.5.1 單元功能

數據采集系統是整個實驗平臺的"神經末梢"，負責實時采集光伏發電、光熱集熱、相變儲熱、建筑負荷等各環節的物理量數據，為能量流監測、效率計算與系統分析提供基礎數據支撐。系統集成溫度、流量、電壓電流、輻照度等多類型傳感器，實現多路物理量的同步采集。

3.5.2 詳細技術參數

（一）溫度采集通道

（二）流量采集通道

（三）電壓電流采集通道

（四）輻照度采集通道

（五）數據采集主機

3.5.3 功能特點

本系統支持多通道同步采集，各通道采樣頻率獨立可配置；具備數據實時顯示、趨勢曲線繪制、歷史數據查詢與導出功能；支持Excel/CSV格式數據導出，便于學生進行數據處理與效率計算；各傳感器采用標準工業接口，便于擴展與更換。

3.6 能量管理軟件

3.6.1 單元功能

能量管理軟件是整個實驗平臺的"大腦"，負責系統運行狀態的實時監控、能量流的可視化展示、光電/光熱轉換效率的自動計算以及實驗數據的存儲與分析。軟件以工業組態平臺為基礎開發，界面直觀、操作簡便，適合本科教學實驗場景。

3.6.2 詳細功能參數

（一）實時監控功能

（二）效率計算功能

（三）數據管理功能

（四）系統配置功能

3.6.3 技術架構

3.7 系統結構與安全保護

3.7.1 結構設計

系統采用模塊化臺式柜體設計，各功能單元獨立成柜，布局緊湊、部署靈活：

3.7.2 安全保護

四、可開展的實驗項目

本系統可支撐從基礎認知到綜合創新的多層次實驗教學，具體實驗項目設置如下：

實驗一：光伏陣列輸出特性模擬與測試實驗

實驗目的：掌握太陽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。

主要內容：通過太陽能電池模擬器設定不同光照強度（200～1200W/m?）和溫度參數，繪制光伏組件的I-V曲線和P-V曲線，觀測最大功率點（MPP）的變化規律；對比不同工況下的輸出特性差異，理解光照、溫度對光伏輸出的影響機制。

實驗二：平板型太陽能集熱器性能測試實驗

實驗目的：掌握平板型太陽能集熱器的工作原理與性能測試方法，理解光熱轉換的基本規律。

主要內容：在不同輻照強度、不同入口水溫、不同流量條件下運行集熱器，測量進出口溫度、流量與得熱量，計算集熱效率；繪制集熱效率曲線（η vs. (T_in-T_a)/G）；分析輻照強度、流量對集熱效率的影響規律。

實驗三：相變儲熱材料充放熱特性實驗

實驗目的：掌握相變儲熱的基本原理與儲放熱特性測試方法，理解相變潛熱儲存與顯熱儲存的區別。

主要內容：在恒定加熱功率下對相變儲熱模塊進行充熱，記錄各測點溫度隨時間的變化，繪制充熱溫度曲線；觀察相變材料固液相變過程，識別顯熱儲熱區與潛熱儲熱區；在自然冷卻和強制冷卻兩種條件下進行放熱實驗，對比放熱速率與放熱量；計算相變材料的有效儲熱密度與儲熱效率。

實驗四：光伏-光熱協同輸出特性實驗

實驗目的：理解太陽能光伏發電與光熱利用的協同工作機理，掌握光-電與光-熱雙路能源輸出的測試方法。

主要內容：在相同輻照條件下同時運行光伏單元與光熱單元，分別測量光電轉換效率與光熱轉換效率；分析光伏板工作溫度對發電效率的影響（可結合光熱單元的冷卻效果進行對比）；探討光伏-光熱一體化（PVT）的協同增效潛力。

實驗五：建筑冷熱負荷模擬與用能特性實驗

實驗目的：掌握建筑冷熱負荷的模擬方法，理解碳中和小屋的典型用能模式。

主要內容：通過建筑模擬負荷單元設定不同季節、不同時段的負荷曲線（采暖、熱水、照明），記錄系統供電與供熱需求；分析建筑負荷的日變化規律與季節性差異；計算不同負荷組合下的總用能量與負荷率。

實驗六：相變儲熱與建筑熱負荷供需匹配實驗

實驗目的：理解相變儲熱在解決太陽能供熱與建筑熱負荷時間不匹配問題中的作用。

主要內容：設定典型日太陽輻照曲線與建筑熱負荷曲線，運行光熱單元與相變儲熱單元；觀測儲熱模塊在日間充熱、夜間放熱的完整循環過程；分析儲熱系統對建筑熱負荷的保障能力與時間平移效果；計算儲熱系統的日有用得熱量與熱利用效率。

實驗七：碳中和小屋能源系統綜合效率測算實驗

實驗目的：掌握建筑零碳能源系統綜合能源利用效率的測算方法。

主要內容：在完整工作日工況下運行系統各單元，記錄光伏發電量、光熱集熱量、儲熱充放熱量、負荷用電量與用熱量；計算光電轉換效率、光熱轉換效率、儲熱效率與系統綜合能源效率；分析各環節的能量損失分布與效率瓶頸。

實驗八：建筑側能量調度策略實驗

實驗目的：理解建筑零碳能源供給系統的能量調度邏輯與控制策略。

主要內容：設定不同調度策略（光伏優先、儲熱優先、負荷跟隨等），觀測系統在各策略下的運行狀態與能量流向；對比不同策略下的能源利用效率與負荷滿足率；分析最優調度策略的適用條件。

實驗九：不同儲能介質儲熱性能對比實驗

實驗目的：掌握不同儲熱介質（相變儲熱 vs. 水儲熱）的性能差異與適用場景。

主要內容：在相同輸入條件下，分別運行相變儲熱模塊與等量水儲熱模塊（可增設對比水箱）；對比兩者的儲熱量、儲熱密度、充放熱速率與熱損失；分析相變儲熱在溫度恒定與儲能密度方面的優勢。

實驗十：碳中和小屋能源方案設計與驗證實驗

實驗目的：培養學生綜合運用所學知識進行碳中和小屋能源方案設計的能力。

主要內容：給定碳中和小屋的建筑參數與用能需求，學生自主設計光伏容量、光熱面積、儲熱容量等關鍵參數；在實驗平臺上搭建并運行設計方案，驗證其可行性；分析設計方案的能源自給率、經濟性與碳減排效果；撰寫完整的能源方案設計報告。

3.8 55 英寸大屏顯示終端

屏幕規格：55 英寸高清工業顯示大屏

硬件配置：Intel Core i5-4650 處理器，預裝 Windows 10 操作系統

顯示功能：系統所有運行數據以物聯網形式投放在大屏上，支持分屏展示系統總覽、風光發電參數、儲能狀態、制氫工況、熱泵運行數據、能量流向示意圖

展示效果：畫面清晰可視距離遠，適配實訓室集體教學觀摩場景

連接方式：通過以太網對接 PLC 與組態系統，運行數據實時同步更新

3.9 仿真規劃軟件

基于Unity3D軟件，使用C#語言進行開發，采用My Sql作為后臺數據庫，通過FTP協議與數據庫進行通信。軟件使用者通過使用光伏、風力、地熱、生物質4種能源設計多能互補方案，完成區域能源的供能結構改造方案設計，并結合區域的氣候數據，模擬區域內實時能耗與供能數據，從而優化出合理的能源結構。

（1）用戶管理功能：

注冊：支持學生或教師按照學校名稱和手機號碼注冊用戶

登錄：支持學生或教師根據手機號碼或用戶名登錄系統。

找回密碼：支持學生或教師根據手機號碼找回密碼

權限管理：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、學校、真實姓名、學號、上級用戶等

異地登錄：同一個賬號24小時內只能在同一臺電腦上登錄，無法在其他電腦上登錄。

（2）氣象數據庫

支持查看全國超過32個城市的模擬地圖氣候數據。支持查看2013-2016年的精確到天的模擬地圖氣候數據，可自由設置日期進行查看。每個城市的氣候數據均可查看：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學習任務，同時可以修改多種參數以最大化的適應不同實際情況，最后可以根據學生完成情況進行相應的評分。

根據項目及學習任務需要規劃設計的區域面積大小，選擇對應面積以及地形相似度高的區域，并定期更新可用的區域3d地圖、加載在3D地圖上的是真實的地形地貌，包含設計成虛擬的地形地貌、3D地圖模型、山川、河流與樹木；

支持修改光伏發電的相關評分參數：整機效率、最佳傾角、除組件和逆變器以外的其他成本參數等。

支持修改風力發電的相關評分參數：整機效率、風力波動（自定義風速的每小時波動數據以體現出風力發電機組隨著每小時風速數據的變化，發電量在1天24小時內隨機波動的特點；）

支持修改地熱能的相關評分參數：換熱能力、熱協調參數、成本單價

命名：教師可以自行命名模型的名字

刪除：教師可以對模型進行刪除操作

（4）學生端功能

支持學生通過設置3D地圖上的各種能源搭配的方案來解答教師給出的學習任務，并給出相應的數據報表

學生在3d地圖上，根據模擬的每小時用能數據，合理布局"光伏發電""風力發電""生物質發電""淺層地熱設施"設置各種產能模塊的產能參數，滿足區域用能需求，以完成需求側區域能源規劃方案的設計；

使用光伏、風力、生物質、地熱4種新能源并結合外部電力輸入以進行能源供應模擬并能自動計算產能。

根據設施地區經緯度與氣候參數，通過選擇不同型號規格的逆變器與光伏組件，來完成光伏組件方陣的設計，主要包含參數有：方陣行數、方陣列數、組件安裝方式設計、傾角設計、逆變器數量、組件間距設計、組串串并聯的數量等完成區域光伏電站設置。

根據每小時的用電情況，實現戶式/小型分布式光伏電站的模擬設計，并根據所選光伏組件與逆變器估算該電站的建設成本以及模擬該分布式電站與負載的合并運行情況可設置不同容量大小的風機，模擬風力發電功率

根據模擬時段內的氣溫數據，判斷當日是否存在制冷制熱需求，并根據當日的冷熱程度模擬制冷制熱能耗情況。

根據逆變器、光伏組件的價格，風機機組價格，地熱電站價格，生物質電站價格對所設計的多能互補方案的建設總成本自動統計在初始化并部署完成后，展示整個區域能源狀態，并根據預設值進行計算和輸出，根據輸出結果形成各類報表。包括總數據和日數據；

能源數據報表中，通過模擬時間過程，以及設計好的方案，可以顯示各種能源的產能情況，包括：總產能、光伏發電量、風力發電量、淺層地熱能量、生物質能發電量以及外部電力輸入等。

根據用能模塊預設的用能參數，模擬計算出用能情況實時曲線與各類產能設施的產能占比，并同步圖表顯示，包括總能耗、一般能耗、制冷制熱能耗等，有助于學生進行相應能源的設計配比。

命名：學生可自行對設計方案進行命名或重命名

刪除：教師或學生可刪除方案