SY-TZH01碳中和小屋光热-光伏-储能耦合实验系统

一、概述                            

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。

本系统面向“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。

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、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/m²）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。