一、概述

隨著“雙碳"戰(zhàn)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(xiàn)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(jié)能減碳的核心支撐，如何將太陽能光伏發(fā)電、太陽能光熱利用與相變儲能技術有機結合，實現(xiàn)建筑用能系統(tǒng)的零碳化運行，已成為新能源與建筑節(jié)能領域的重要研究方向。

MY-PV60碳中和小屋光伏光熱綜合教學實驗系統(tǒng)面向“碳中和小屋"場景，專為《儲能創(chuàng)客A》課程實驗教學打造，模擬零碳小屋太陽能光伏發(fā)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(tǒng)集成光伏發(fā)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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。

系統(tǒng)旨在服務本科生課程實驗、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目及畢業(yè)設計，可用于碳中和小屋能源方案驗證、光熱-光伏協(xié)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(lián)動組成完整的小屋能源系統(tǒng)進行綜合實驗，實驗條件可控、數(shù)據(jù)可復現(xiàn)，幫助學生建立建筑零碳能源供給系統(tǒng)的整體認知，掌握光伏發(fā)電、光熱利用、相變儲能、負荷模擬與能量調(diào)度等核心技能。

二、項目簡介

本項目為“MY-PV60碳中和小屋光伏光熱綜合教學實驗系統(tǒng)"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(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(jié)制約，為系統(tǒng)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2m2，吸收率≥95%，配套水循環(huán)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(xiàn)熱能的存儲與釋放，是系統(tǒng)“光-熱-儲"鏈路的核心環(huán)節(jié)。

（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(diào)電阻負載、電加熱負載與模擬燈具組合，再現(xiàn)建筑典型用能場景。

（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備，實現(xiàn)多路物理量同步采集，采樣頻率可配置，支持實時監(jiān)測與歷史數(shù)據(jù)記錄。

（六）能量管理軟件：基于工業(yè)組態(tài)平臺開發(fā)，實時監(jiān)測系統(tǒng)能量流，自動計算光電轉換效率與光熱轉換效率，支持數(shù)據(jù)導出與分析報表生成，具備遠程監(jiān)控功能。

（七）安全保護與結構：系統(tǒng)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(tǒng)各單元參數(shù)對標工業(yè)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(tǒng)集成、能量調(diào)度、故障排查等綜合實訓，是構建碳中和小屋能源系統(tǒng)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(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，負責將太陽能轉化為直流電能，為系統(tǒng)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(xiàn)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(fā)電受晝夜、天氣、季節(jié)等自然條件制約、實驗條件不可控、數(shù)據(jù)不可復現(xiàn)的教學痛點。通過調(diào)節(jié)模擬器的輸出參數(shù)，可在實驗室內(nèi)穩(wěn)定復現(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)電原理驗證、MPPT算法測試、系統(tǒng)能量調(diào)度實驗提供穩(wěn)定、可控、可重復的光伏電源。

3.1.2 詳細技術參數(shù)

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/m2）、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)存儲調(diào)用功能，可快速調(diào)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(tǒng)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(huán)管路與可控輻照熱源，可在實驗室內(nèi)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(xié)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(shù)

（一）平板型太陽能集熱器

（二）水循環(huán)管路系統(tǒng)

（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(wěn)態(tài)與動態(tài)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(shù)與熱損失系數(shù)測定等實驗項目。水循環(huán)管路采用透明或半透明管段設計，便于學生觀察水流狀態(tài)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(tǒng)的熱能存儲與調(diào)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(yōu)點，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(shù)

（一）相變儲熱模塊

（二）智能控制系統(tǒng)

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(zhì)循環(huán)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(tǒng)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(diào)電阻負載、電加熱負載與模擬燈具的組合，再現(xiàn)建筑典型用能場景，為系統(tǒng)能量調(diào)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(shù)

（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(jié)、不同時段的典型用能模式；各負荷模塊功率連續(xù)可調(diào)，便于開展不同負荷水平下的系統(tǒng)響應實驗；負荷狀態(tài)實時上傳至能量管理軟件，支持能量流向的實時監(jiān)測與記錄。

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)是整個實驗平臺的“神經(jīng)末梢"，負責實時采集光伏發(fā)電、光熱集熱、相變儲熱、建筑負荷等各環(huán)節(jié)的物理量數(shù)據(jù)，為能量流監(jiān)測、效率計算與系統(tǒng)分析提供基礎數(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，實現(xiàn)多路物理量的同步采集。

3.5.2 詳細技術參數(shù)

（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(shù)據(jù)采集主機

3.5.3 功能特點

本系統(tǒng)支持多通道同步采集，各通道采樣頻率獨立可配置；具備數(shù)據(jù)實時顯示、趨勢曲線繪制、歷史數(shù)據(jù)查詢與導出功能；支持Excel/CSV格式數(shù)據(jù)導出，便于學生進行數(shù)據(jù)處理與效率計算；各傳感器采用標準工業(yè)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(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)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(shù)據(jù)的存儲與分析。軟件以工業(yè)組態(tài)平臺為基礎開發(fā)，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(shù)

（一）實時監(jiān)控功能

（二）效率計算功能

（三）數(shù)據(jù)管理功能

（四）系統(tǒng)配置功能

3.6.3 技術架構

3.7 系統(tǒng)結構與安全保護

3.7.1 結構設計

系統(tǒng)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

3.8 55 英寸大屏顯示終端

(1)屏幕規(guī)格：55 英寸高清工業(yè)顯示大屏

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

(3)顯示功能：系統(tǒng)所有運行數(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、風光發(fā)電參數(shù)、儲能狀態(tài)、制氫工況、熱泵運行數(shù)據(jù)、能量流向示意圖

(4)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

(5)連接方式：通過以太網(wǎng)對接 PLC 與組態(tài)系統(tǒng)，運行數(shù)據(jù)實時同步更新

四、可開展的實驗項目

本系統(tǒng)可支撐從基礎認知到綜合創(chuàng)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(nèi)容：通過太陽能電池模擬器設定不同光照強度（200～1200W/m2）和溫度參數(shù)，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(guī)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(guī)律。

主要內(nèi)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(guī)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(qū)別。

主要內(nèi)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(qū)與潛熱儲熱區(qū)；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(xié)同輸出特性實驗

實驗目的：理解太陽能光伏發(fā)電與光熱利用的協(xié)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(nèi)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(fā)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(xié)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(nèi)容：通過建筑模擬負荷單元設定不同季節(jié)、不同時段的負荷曲線（采暖、熱水、照明），記錄系統(tǒng)供電與供熱需求；分析建筑負荷的日變化規(guī)律與季節(jié)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(nèi)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(huán)過程；分析儲熱系統(tǒng)對建筑熱負荷的保障能力與時間平移效果；計算儲熱系統(tǒng)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(tǒng)綜合效率測算實驗

實驗目的：掌握建筑零碳能源系統(tǒng)綜合能源利用效率的測算方法。

主要內(nèi)容：在完整工作日工況下運行系統(tǒng)各單元，記錄光伏發(fā)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(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。

實驗八：建筑側能量調(diào)度策略實驗

實驗目的：理解建筑零碳能源供給系統(tǒng)的能量調(diào)度邏輯與控制策略。

主要內(nèi)容：設定不同調(diào)度策略（光伏優(yōu)先、儲熱優(yōu)先、負荷跟隨等），觀測系統(tǒng)在各策略下的運行狀態(tài)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；分析調(diào)度策略的適用條件。

實驗九：不同儲能介質(zhì)儲熱性能對比實驗

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

主要內(nèi)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(yōu)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(yǎng)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(nèi)容：給定碳中和小屋的建筑參數(shù)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(shù)；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(jīng)濟性與碳減排效果；撰寫完整的能源方案設計報告。