SB-TZH01碳中和小屋光热-光伏-储能耦合实验系统

一、概述                           

碳中和小屋光热-光伏-储能耦合实验系统,随着"双碳"战略的深入推进，建筑领域作为能源消耗与碳排放的主要来源之一，其低碳化转型已成为实现碳中和目标的关键路径。建筑可再生能源利用与储能技术是建筑节能减碳的核心支撑，如何将太阳能光伏发电、太阳能光热利用与相变储能技术有机结合，实现建筑用能系统的零碳化运行，已成为新能源与建筑节能领域的重要研究方向。

碳中和小屋光热-光伏-储能耦合实验系统面向"碳中和小屋"场景，专为《储能创客A》课程实验教学打造，模拟零碳小屋太阳能光伏发电、太阳能光热集热、相变储热、建筑冷热负荷的完整能源链路-。系统集成光伏发电单元、太阳能光热单元、相变储热单元、建筑模拟负荷单元、多路数据采集系统及能量管理软件六大模块，以模块化台式柜体为载体，AC220V供电，覆盖"光-电-热-储-用"全能量转换与利用链条。

 参数图

碳中和小屋光热-光伏-储能耦合实验系统旨在服务本科生课程实验、大学生创新创业项目及毕业设计，可用于碳中和小屋能源方案验证、光热-光伏协同输出特性测试、相变储能充放热特性研究、建筑冷热负荷模拟与能源利用效率测算等教学与科研场景，兼具教学实训与基础科研双重功能-。各单元采用独立模块化设计，既可独立运行开展单项原理实验，也可联动组成完整的小屋能源系统进行综合实验，实验条件可控、数据可复现，帮助学生建立建筑零碳能源供给系统的整体认知，掌握光伏发电、光热利用、相变储能、负荷模拟与能量调度等核心技能。

二、项目简介

本项目为"碳中和小屋光热-光伏-储能耦合实验系统"教学设备建设项目，以模拟零碳小屋的完整能源链路为核心目标，系统由以下七大功能模块组成：

（一）光伏发电单元：采用高精度太阳能电池模拟器，额定功率800W，可精准模拟不同光照强度下的光伏阵列输出特性，替代室外光伏阵列开展实验，不受天气与季节制约，为系统提供可控的直流电力输入。

（二）太阳能光热单元：采用平板型太阳能集热器，采光面积2m?，吸收率≥95%，配套水循环管路与太阳模拟光源，可模拟不同辐照条件下的光热转换过程，将太阳能转化为热能。

（三）相变储热单元：采用复合相变材料储热模块，温度控制范围25-85℃，具备主动储热与被动储热双模式，实现热能的存储与释放，是系统"光-热-储"链路的核心环节。

（四）建筑模拟负荷单元：模拟碳中和小屋的采暖负荷、热水负荷、照明负荷等多类冷热用电负载，通过可调电阻负载、电加热负载与模拟灯具组合，再现建筑典型用能场景。

（五）数据采集系统：集成温度传感器、流量传感器、电压电流传感器、辐照度传感器等多类型传感设备，实现多路物理量同步采集，采样频率可配置，支持实时监测与历史数据记录。

（六）能量管理软件：基于工业组态平台开发，实时监测系统能量流，自动计算光电转换效率与光热转换效率，支持数据导出与分析报表生成，具备远程监控功能。

（七）安全保护与结构：系统具备过载保护、超温保护、漏电保护等多重安全机制，采用模块化台式柜体设计，AC220V供电，布局紧凑、部署灵活。

系统各单元参数对标工业真机，控制逻辑贴合工程实际，既支持单部件结构认知、原理验证、性能测试等基础实训，也可开展系统集成、能量调度、故障排查等综合实训，是构建碳中和小屋能源系统教学与科研平台的核心载体。

三、各单元部件作用及详细技术参数

3.1 光伏发电单元

3.1.1 单元功能

光伏发电单元是碳中和小屋能源系统的核心电力输入模块，负责将太阳能转化为直流电能，为系统各负载及储能单元供电。本单元采用高精度太阳能电池模拟器，可精准复现真实光伏组件在不同光照强度和温度条件下的I-V/P-V输出特性。

采用模拟器替代真实光伏阵列开展实验，可有效解决室外光伏发电受昼夜、天气、季节等自然条件制约、实验条件不可控、数据不可复现的教学痛点。通过调节模拟器的输出参数，可在实验室内稳定复现晴天、多云、阴天、阴影遮挡等多种工况下的光伏输出特性，为光伏发电原理验证、MPPT算法测试、系统能量调度实验提供稳定、可控、可重复的光伏电源。

3.1.2 详细技术参数

3.1.3 功能特点

本单元支持输出I-V曲线、P-V曲线的实时显示与绘制，可模拟不同光照强度（100-1200W/m）、不同温度（-10～50℃）条件下的光伏输出特性；内置300组数据存储调用功能，可快速调用预设的不同工况特性曲线；标配RS232/RS485通讯接口，支持与上位机数据采集系统无缝对接。

3.2 太阳能光热单元

3.2.1 单元功能

太阳能光热单元是碳中和小屋能源系统的热能输入模块，负责将太阳能转化为热能，为建筑供暖与生活热水提供热源。本单元采用平板型太阳能集热器，配套水循环管路与可控辐照热源，可在实验室内模拟不同太阳辐照条件下的光热转换过程。

光热单元与光伏单元共同构成碳中和小屋的"光-电"与"光-热"双路太阳能利用通道，是开展光热-光伏协同输出特性实验、光热转换效率测试、集热器性能对比等教学实验的核心设备。

3.2.2 详细技术参数

（一）平板型太阳能集热器

（二）水循环管路系统

（三）可控辐照热源（选配）

3.2.3 功能特点

本单元可开展集热器稳态与动态性能测试、不同辐照强度与流量条件下的集热效率对比实验、集热器时间常数与热损失系数测定等实验项目。水循环管路采用透明或半透明管段设计，便于学生观察水流状态与气泡排除过程。

3.3 相变储热单元

3.3.1 单元功能

相变储热单元是碳中和小屋能源系统的热能存储与调度核心模块，负责将光热单元收集的多余热能储存起来，在建筑需要热量时释放，解决太阳能供给与建筑热需求在时间上的不匹配问题。

相变储能是一种以相变储能材料为基础的储能技术，主要以储热为主，具有温度恒定和储能密度大的优点，尤其适用于热量供给不连续或供给与需求不协调的工况。本单元采用复合相变材料，温度控制范围25-85℃，具备主动储热和被动储热两种控制模式。通过本单元的实验教学，学生可深入理解相变储热的工作原理、储放热特性、固液相变界面演变等关键过程。

3.3.2 详细技术参数

（一）相变储热模块

（二）智能控制系统

3.3.3 功能特点

本单元支持相变材料恒温加热/放热特性曲线测试、换热器性能测试、相变材料自由放热特性测试、恒功率相变材料加热特性测试、相变储热及储放热策略研究等多种实验项目。储热体支持电能储热（电加热）和热介质循环储热两种方式，支持热能储存与热能释放同时进行。可选配透明视窗设计，便于学生观察相变材料的固液相变过程。

3.4 建筑模拟负荷单元

3.4.1 单元功能

建筑模拟负荷单元是碳中和小屋能源系统的用能终端模块，负责模拟碳中和小屋的采暖、热水、照明等多类冷热用电负荷。通过可调电阻负载、电加热负载与模拟灯具的组合，再现建筑典型用能场景，为系统能量调度与供需平衡实验提供真实的负荷边界条件。

3.4.2 详细技术参数

（一）热泵储能

（三）照明模拟负荷

（四）综合用电负荷

3.4.3 功能特点

本单元支持多类型负荷的独立控制与组合运行，可通过编程设定24小时逐时负荷曲线，模拟碳中和小屋在不同季节、不同时段的典型用能模式；各负荷模块功率连续可调，便于开展不同负荷水平下的系统响应实验；负荷状态实时上传至能量管理软件，支持能量流向的实时监测与记录。

3.5 数据采集系统

3.5.1 单元功能

数据采集系统是整个实验平台的"神经末梢"，负责实时采集光伏发电、光热集热、相变储热、建筑负荷等各环节的物理量数据，为能量流监测、效率计算与系统分析提供基础数据支撑。系统集成温度、流量、电压电流、辐照度等多类型传感器，实现多路物理量的同步采集。

3.5.2 详细技术参数

（一）温度采集通道

（二）流量采集通道

（三）电压电流采集通道

（四）辐照度采集通道

（五）数据采集主机

3.5.3 功能特点

本系统支持多通道同步采集，各通道采样频率独立可配置；具备数据实时显示、趋势曲线绘制、历史数据查询与导出功能；支持Excel/CSV格式数据导出，便于学生进行数据处理与效率计算；各传感器采用标准工业接口，便于扩展与更换。

3.6 能量管理软件

3.6.1 单元功能

能量管理软件是整个实验平台的"大脑"，负责系统运行状态的实时监控、能量流的可视化展示、光电/光热转换效率的自动计算以及实验数据的存储与分析。软件以工业组态平台为基础开发，界面直观、操作简便，适合本科教学实验场景。

3.6.2 详细功能参数

（一）实时监控功能

（二）效率计算功能

（三）数据管理功能

（四）系统配置功能

3.6.3 技术架构

3.7 系统结构与安全保护

3.7.1 结构设计

系统采用模块化台式柜体设计，各功能单元独立成柜，布局紧凑、部署灵活：

3.7.2 安全保护

四、可开展的实验项目

本系统可支撑从基础认知到综合创新的多层次实验教学，具体实验项目设置如下：

实验一：光伏阵列输出特性模拟与测试实验

实验目的：掌握太阳能电池模拟器的基本原理与操作方法，理解光伏阵列在不同光照、温度条件下的I-V/P-V输出特性。

主要内容：通过太阳能电池模拟器设定不同光照强度（200～1200W/m?）和温度参数，绘制光伏组件的I-V曲线和P-V曲线，观测最大功率点（MPP）的变化规律；对比不同工况下的输出特性差异，理解光照、温度对光伏输出的影响机制。

实验二：平板型太阳能集热器性能测试实验

实验目的：掌握平板型太阳能集热器的工作原理与性能测试方法，理解光热转换的基本规律。

主要内容：在不同辐照强度、不同入口水温、不同流量条件下运行集热器，测量进出口温度、流量与得热量，计算集热效率；绘制集热效率曲线（η vs. (T_in-T_a)/G）；分析辐照强度、流量对集热效率的影响规律。

实验三：相变储热材料充放热特性实验

实验目的：掌握相变储热的基本原理与储放热特性测试方法，理解相变潜热储存与显热储存的区别。

主要内容：在恒定加热功率下对相变储热模块进行充热，记录各测点温度随时间的变化，绘制充热温度曲线；观察相变材料固液相变过程，识别显热储热区与潜热储热区；在自然冷却和强制冷却两种条件下进行放热实验，对比放热速率与放热量；计算相变材料的有效储热密度与储热效率。

实验四：光伏-光热协同输出特性实验

实验目的：理解太阳能光伏发电与光热利用的协同工作机理，掌握光-电与光-热双路能源输出的测试方法。

主要内容：在相同辐照条件下同时运行光伏单元与光热单元，分别测量光电转换效率与光热转换效率；分析光伏板工作温度对发电效率的影响（可结合光热单元的冷却效果进行对比）；探讨光伏-光热一体化（PVT）的协同增效潜力。

实验五：建筑冷热负荷模拟与用能特性实验

实验目的：掌握建筑冷热负荷的模拟方法，理解碳中和小屋的典型用能模式。

主要内容：通过建筑模拟负荷单元设定不同季节、不同时段的负荷曲线（采暖、热水、照明），记录系统供电与供热需求；分析建筑负荷的日变化规律与季节性差异；计算不同负荷组合下的总用能量与负荷率。

实验六：相变储热与建筑热负荷供需匹配实验

实验目的：理解相变储热在解决太阳能供热与建筑热负荷时间不匹配问题中的作用。

主要内容：设定典型日太阳辐照曲线与建筑热负荷曲线，运行光热单元与相变储热单元；观测储热模块在日间充热、夜间放热的完整循环过程；分析储热系统对建筑热负荷的保障能力与时间平移效果；计算储热系统的日有用得热量与热利用效率。

实验七：碳中和小屋能源系统综合效率测算实验

实验目的：掌握建筑零碳能源系统综合能源利用效率的测算方法。

主要内容：在完整工作日工况下运行系统各单元，记录光伏发电量、光热集热量、储热充放热量、负荷用电量与用热量；计算光电转换效率、光热转换效率、储热效率与系统综合能源效率；分析各环节的能量损失分布与效率瓶颈。

实验八：建筑侧能量调度策略实验

实验目的：理解建筑零碳能源供给系统的能量调度逻辑与控制策略。

主要内容：设定不同调度策略（光伏优先、储热优先、负荷跟随等），观测系统在各策略下的运行状态与能量流向；对比不同策略下的能源利用效率与负荷满足率；分析最优调度策略的适用条件。

实验九：不同储能介质储热性能对比实验

实验目的：掌握不同储热介质（相变储热 vs. 水储热）的性能差异与适用场景。

主要内容：在相同输入条件下，分别运行相变储热模块与等量水储热模块（可增设对比水箱）；对比两者的储热量、储热密度、充放热速率与热损失；分析相变储热在温度恒定与储能密度方面的优势。

实验十：碳中和小屋能源方案设计与验证实验

实验目的：培养学生综合运用所学知识进行碳中和小屋能源方案设计的能力。

主要内容：给定碳中和小屋的建筑参数与用能需求，学生自主设计光伏容量、光热面积、储热容量等关键参数；在实验平台上搭建并运行设计方案，验证其可行性；分析设计方案的能源自给率、经济性与碳减排效果；撰写完整的能源方案设计报告。

3.8 55 英寸大屏显示终端

屏幕规格：55 英寸高清工业显示大屏

硬件配置：Intel Core i5-4650 处理器，预装 Windows 10 操作系统

显示功能：系统所有运行数据以物联网形式投放在大屏上，支持分屏展示系统总览、风光发电参数、储能状态、制氢工况、热泵运行数据、能量流向示意图

展示效果：画面清晰可视距离远，适配实训室集体教学观摩场景

连接方式：通过以太网对接 PLC 与组态系统，运行数据实时同步更新

3.9 仿真规划软件

基于Unity3D软件，使用C#语言进行开发，采用My Sql作为后台数据库，通过FTP协议与数据库进行通信。软件使用者通过使用光伏、风力、地热、生物质4种能源设计多能互补方案，完成区域能源的供能结构改造方案设计，并结合区域的气候数据，模拟区域内实时能耗与供能数据，从而优化出合理的能源结构。

（1）用户管理功能：

注册：支持学生或教师按照学校名称和手机号码注册用户

登录：支持学生或教师根据手机号码或用户名登录系统。

找回密码：支持学生或教师根据手机号码找回密码

权限管理：支持主用户添加或删除子用户

用户信息管理：支持用户信息查看，包括用户名、学校、真实姓名、学号、上级用户等

异地登录：同一个账号24小时内只能在同一台电脑上登录，无法在其他电脑上登录。

（2）气象数据库

支持查看全国超过32个城市的模拟地图气候数据。支持查看2013-2016年的精确到天的模拟地图气候数据，可自由设置日期进行查看。每个城市的气候数据均可查看：平均气温、最高最低气温、湿度、降水量、辐照量、气压、风速、土地湿度摄氏度等。

（3）3D地图功能

支持教师通过3D地图上的模拟能耗布置相应学习任务，同时可以修改多种参数以最大化的适应不同实际情况，最后可以根据学生完成情况进行相应的评分。

根据项目及学习任务需要规划设计的区域面积大小，选择对应面积以及地形相似度高的区域，并定期更新可用的区域3d地图、加载在3D地图上的是真实的地形地貌，包含设计成虚拟的地形地貌、3D地图模型、山川、河流与树木；

支持修改光伏发电的相关评分参数：整机效率、最佳倾角、除组件和逆变器以外的其他成本参数等。

支持修改风力发电的相关评分参数：整机效率、风力波动（自定义风速的每小时波动数据以体现出风力发电机组随着每小时风速数据的变化，发电量在1天24小时内随机波动的特点；）

支持修改地热能的相关评分参数：换热能力、热协调参数、成本单价

命名：教师可以自行命名模型的名字

删除：教师可以对模型进行删除操作

（4）学生端功能

支持学生通过设置3D地图上的各种能源搭配的方案来解答教师给出的学习任务，并给出相应的数据报表

学生在3d地图上，根据模拟的每小时用能数据，合理布局"光伏发电""风力发电""生物质发电""浅层地热设施"设置各种产能模块的产能参数，满足区域用能需求，以完成需求侧区域能源规划方案的设计；

使用光伏、风力、生物质、地热4种新能源并结合外部电力输入以进行能源供应模拟并能自动计算产能。

根据设施地区经纬度与气候参数，通过选择不同型号规格的逆变器与光伏组件，来完成光伏组件方阵的设计，主要包含参数有：方阵行数、方阵列数、组件安装方式设计、倾角设计、逆变器数量、组件间距设计、组串串并联的数量等完成区域光伏电站设置。

根据每小时的用电情况，实现户式/小型分布式光伏电站的模拟设计，并根据所选光伏组件与逆变器估算该电站的建设成本以及模拟该分布式电站与负载的合并运行情况可设置不同容量大小的风机，模拟风力发电功率

根据模拟时段内的气温数据，判断当日是否存在制冷制热需求，并根据当日的冷热程度模拟制冷制热能耗情况。

根据逆变器、光伏组件的价格，风机机组价格，地热电站价格，生物质电站价格对所设计的多能互补方案的建设总成本自动统计在初始化并部署完成后，展示整个区域能源状态，并根据预设值进行计算和输出，根据输出结果形成各类报表。包括总数据和日数据；

能源数据报表中，通过模拟时间过程，以及设计好的方案，可以显示各种能源的产能情况，包括：总产能、光伏发电量、风力发电量、浅层地热能量、生物质能发电量以及外部电力输入等。

根据用能模块预设的用能参数，模拟计算出用能情况实时曲线与各类产能设施的产能占比，并同步图表显示，包括总能耗、一般能耗、制冷制热能耗等，有助于学生进行相应能源的设计配比。

命名：学生可自行对设计方案进行命名或重命名

删除：教师或学生可删除方案