李承凱

摘要：采用新型熱電材料結(jié)合光伏太陽(yáng)能技術(shù)，給予家庭熱能和電能的供給。一個(gè)國(guó)家的能源結(jié)構(gòu)往往是跟它的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和技術(shù)發(fā)展密切相關(guān)的，隨著分布式光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多的家庭開始關(guān)注分布式能源的使用。太陽(yáng)能和風(fēng)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(guó)家的大力推動(dòng)下，分布式太陽(yáng)能電站正處于推廣和應(yīng)用，有助于解決日益增長(zhǎng)的能源需求。因此，設(shè)計(jì)創(chuàng)新并構(gòu)建新型能源應(yīng)用系統(tǒng)的具有十分重要的意義。

關(guān)鍵詞：交互設(shè)計(jì)；服務(wù)設(shè)計(jì)；清潔能源；能源可視化

中圖分類號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，人們環(huán)保意識(shí)越來(lái)越深入人心。隨著技術(shù)和觀念的改變，傳統(tǒng)能源正在逐步配新能源所替代。對(duì)于能源的有效合理利用，可降低各種對(duì)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(guò)并且可以減小能源在運(yùn)輸過(guò)程中無(wú)法避免的損耗。

從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)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(fèi)支出。家庭光伏發(fā)電分散集中式光伏發(fā)電投資風(fēng)險(xiǎn)，提升有效能源的利用率。針對(duì)家庭個(gè)體單位來(lái)說(shuō)，同樣是一種有價(jià)值的資產(chǎn)投資。

技術(shù)的發(fā)展也給我們生活的變革帶來(lái)了新的動(dòng)力，利用好新的技術(shù)來(lái)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(wú)法滿足家庭實(shí)際對(duì)于能源的需求，需要通過(guò)各項(xiàng)技術(shù)的統(tǒng)一設(shè)計(jì)整合，提供一個(gè)整體的解決方案。

科技的發(fā)展給我們帶來(lái)各種可能，如何利用好各種技術(shù)。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(yáng)能、空氣能、地?zé)崮堋⑾渥儍?chǔ)能、電力墻儲(chǔ)能等各自優(yōu)勢(shì)，對(duì)能源進(jìn)行綜合利用。

通過(guò)智能互聯(lián)技術(shù)，對(duì)家庭的各種能源的供給和使用進(jìn)行合理分配，已達(dá)到高效節(jié)能合理的成績(jī)分配利用的目的。

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

我國(guó)太陽(yáng)能開發(fā)潛力巨大，充分利用太陽(yáng)能熱發(fā)電，是未來(lái)有效緩解傳統(tǒng)熱力發(fā)電帶來(lái)的能源短缺、資源枯竭、環(huán)境污染等問(wèn)題的重要手段之一。集中式太陽(yáng)能熱發(fā)電（concentrated solarpower，CSP）技術(shù)相對(duì)成熟、發(fā)電成本低、與電網(wǎng)匹配性好，而且其熱電轉(zhuǎn)換部分與常規(guī)火力發(fā)電機(jī)組相同，有相對(duì)成熟的技術(shù)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(dòng)性，太陽(yáng)能的獲取不可連續(xù)，使得發(fā)電系統(tǒng)很難平穩(wěn)運(yùn)行。

光伏發(fā)電是作為傳統(tǒng)能源的有益補(bǔ)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(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)入到尋常百姓家，會(huì)帶來(lái)各種問(wèn)題。

按照《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，到2020年太陽(yáng)能裝機(jī)總量定為110GW，光熱為5GW，光伏電站為45GW，分布式為60GW。機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)，分布式光伏在未來(lái)4年年均復(fù)合增長(zhǎng)率將高達(dá)58.17%。

2 中國(guó)太陽(yáng)能資源分布及其應(yīng)用

智研咨詢發(fā)布的《2017-2022年中國(guó)光伏發(fā)電市場(chǎng)行情動(dòng)態(tài)及發(fā)展前景預(yù)測(cè)報(bào)告》顯示，我國(guó)屬太陽(yáng)能資源豐富的國(guó)家之一，全國(guó)總面積2/3以上地區(qū)年日照時(shí)數(shù)大于2000小時(shí)，年輻射量在5000MJ/m2以上。根據(jù)國(guó)家氣象局風(fēng)能太陽(yáng)能評(píng)估中心劃分標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)太陽(yáng)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(dāng)于230kg標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)于180-230kg標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)于140-180kg標(biāo)準(zhǔn)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(shí)數(shù)不小于2200小時(shí)，是我國(guó)太陽(yáng)能資源豐富或較豐富的地區(qū)，面積較大，約占全國(guó)總面積的2/3以上，具有利用太陽(yáng)能的良好資源條件（如圖1）。

本文討論太陽(yáng)能的綜合利用方式，太陽(yáng)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(lái)太陽(yáng)能的大規(guī)模利用是用來(lái)發(fā)電。利用太陽(yáng)能發(fā)電的方式主要有兩種：（1）光一熱一電轉(zhuǎn)換。此方案成本較高，效率較低。（2）光一電轉(zhuǎn)換。其基本原理是利用光生伏特效應(yīng)將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能。

3 新型太陽(yáng)能熱電聯(lián)供原理及其應(yīng)用

通過(guò)對(duì)用戶的使用習(xí)慣進(jìn)行分析和研究，尋找出用戶希望能夠使用清潔能源，但擔(dān)心自己對(duì)設(shè)備的不了解會(huì)在使用過(guò)程中帶來(lái)一系列的麻煩。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中盡可能采用全自動(dòng)化控制，在服務(wù)設(shè)計(jì)方面提升用戶體驗(yàn)。通過(guò)設(shè)計(jì)研究使用過(guò)程中的各種交互體驗(yàn)，讓系統(tǒng)更加人性化，人機(jī)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(jié)合服務(wù)設(shè)計(jì)、交互設(shè)計(jì)和全新商業(yè)模式設(shè)計(jì)。

3.1 熱發(fā)電材料及其性能

Bi2Te3熱電材料是半導(dǎo)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(zhuǎn)化。其工作原理主要是通過(guò)材料表面的溫差將熱能轉(zhuǎn)換成電能（圖2），工作室需要有相對(duì)高的熱源和表面冷卻機(jī)構(gòu)。

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

3.2 相變儲(chǔ)能材料

相變儲(chǔ)能是利用材料在相變時(shí)吸熱或放熱來(lái)儲(chǔ)能或釋能。因此，它的核心和基礎(chǔ)是相變儲(chǔ)能材料，簡(jiǎn)稱相變材料（PhaseChange Materials，即PCM）。相變儲(chǔ)熱技術(shù)可以解決能量供給在時(shí)間和空間上失衡的矛盾，是提高能源利用效率和保護(hù)環(huán)境的重要技術(shù)（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(yáng)能發(fā)電，二次能源為利用一次能源發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的余熱結(jié)合半導(dǎo)體熱電材料回收部分熱能。將熱能轉(zhuǎn)化為電能，由于此類半導(dǎo)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(guò)水冷或者風(fēng)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(guò)程中的吸收的熱量收集起來(lái)，對(duì)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(zhuǎn)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(yáng)能光伏電池、Bismuth telluride （Bi2Te3）碲化鉍熱電組、雙向儲(chǔ)能型光伏逆變器、箱變儲(chǔ)能材料、儲(chǔ)能電池組、雙向電表和中控?cái)?shù)據(jù)處理設(shè)備（圖4）。

對(duì)于整套系統(tǒng)將會(huì)帶來(lái)兩大產(chǎn)物。第一，是光伏電池發(fā)電能，外加半導(dǎo)體熱電材料發(fā)的電能。第二，針對(duì)半導(dǎo)體發(fā)電必須有兩級(jí)溫差，為了達(dá)到冷卻目的所吸收的熱量。

需要結(jié)合消費(fèi)者的生活習(xí)慣及實(shí)際需求，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行合理化分析。通過(guò)目標(biāo)用戶的一系列調(diào)研，通過(guò)自動(dòng)化控制合理的分配和使用資源，以達(dá)到能源的利用最大化。通過(guò)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(guò)程可以被視為能源的梯級(jí)利用，可以達(dá)到提高一次太陽(yáng)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(jí)，出符合的產(chǎn)品需要滿足兩個(gè)條件：要能使用戶對(duì)其行為結(jié)果可預(yù)測(cè)和每一個(gè)操作對(duì)應(yīng)一種變化，令用戶指導(dǎo)操作的有效性。

家庭熱電聯(lián)供系統(tǒng)面向的是普通消費(fèi)者，對(duì)于他們來(lái)說(shuō)是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜難以操作的系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)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(chǔ)下能夠很好的服務(wù)用戶，并且可以給客戶帶來(lái)他們的正在需求，而不會(huì)需要他們太多的學(xué)習(xí)成本和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

需要一個(gè)中央數(shù)據(jù)集控器，采集各設(shè)備間的工作狀態(tài)和相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)不同用戶的使用習(xí)慣進(jìn)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(guò)終端設(shè)備獲取相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)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(shí)，此系統(tǒng)同時(shí)解決了家庭用戶的熱能和電能的基本需求。并且針對(duì)用戶的使用習(xí)慣，通過(guò)智控系統(tǒng)的能源合理分配，以滿足用戶日常需求。考慮到用戶并非專業(yè)人員，因此優(yōu)化控制交互界面，用簡(jiǎn)潔圖形表達(dá)的方式，讓用戶可以更為便捷的獲取系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。