CN100575811C - 太阳能光伏发电-热水器复合组件及系统 - Google Patents

Abstract

一种能同時利用太阳光、热辐射能的光伏-光热复合组件，使其在充分利用太阳短波波段辐射能发电的同時，还能有效地吸收太阳长波波段所产生的热能，达到降低太阳电池运行温度，减少光电转换效率损失和高得热量的生产定温热水的双重功效。本发明充分利用自然循环原理和无源自控元件，以及光热系统的标准化、模块化、高性能的最新专利技术部件，共同构筑太阳能光伏发电-热水器复合组件及系统。以满足各种规模的太阳光伏电站发电和电站生产、生活定温热水的消费需求，提高太阳能全面利用效率。

Description

太阳能光伏发电-热水器复合组件及系统

技术领域

本发明涉及太阳能利用领域，是一种能将太阳光伏发电与太阳热水系统有机组合为一体的复合组件及系统。

背景技术

太阳光伏发电与太阳热水是分属于太阳能光电利用和光热利用，两个不同领域的太阳能利用产业。长期以来，从科研到生产都有严格的分工并自成体系。故時至今日，国内外都还没有出現能将两种产品有机组合为一体，在利用半导体器件的光电效应进行太阳发电的同時，还能有效地收集利用太阳的辐射热能；实現边高效发电，边高得热量的生产定温热水，光电-光热双重利用的技术组件及系统。

太阳光伏电池所产生的电力，与太阳辐射强度及电池面积成正比。光电转换效率则与太阳光的波长、辐射强度及电池温度直接相关，反而与电池大小没有太大关系；太阳光伏电池的输出功率具有负的温度系数，输出功率随环境温度升高而下降。因此，在无法控制太阳光辐射的情况下，如何提高或维持光伏电池稳定的光电转换效率；如何降低和有效冷却光伏电池的运行温度；一直是国际光伏建筑长期关注和努力攻克的难点、热点和重点。为了确保光伏电池能在低温下常年运行，人们通常利用辐射或对流散热方式来冷却光伏电池组件。例如：在光伏电池背面加装散热片；增设专用空气流散热通道或铺设强制水冷循环系统；以及塗装高发射率的表面塗层等等。上述措施长期以来一直未能得到有效推广利用的关键在于，居高不下的能耗和成本。在一块单位面积的光伏电池板后面，为降低1-3个百分点的光电转换效率损失，而采用强制风冷或水冷所消耗的电力，完全是得不偿失。对一个大型光伏发电系统，若采用上述方案，则必须在巨额电站投资的基础上，再追加一笔可观的强制散热装置基建预算和常年维持运转费用。上述方案虽理论可行但是没有实用價值；因此，也可以说是不可行的。

发明内容

本发明的目的在于克服現有技术之不足，提供一种能同時利用太阳光、热辐射能的光伏-光热复合组件，使其在充分利用太阳短波波段辐射能发电的同時，还能有效地吸收太阳长波波段所产生的热能，达到降低太阳电池运行温度，减少光电转换效率损失和高得热量的生产定温热水的双重目的。本发明充分利用自然循环原理和无源自控元件，以及光热系统的新专利技术部件来组装单块光伏电池板；再配搭最新专利技术成果的建筑一体化定补双循环太阳热水器，作为二级定温加热部件，共同构筑太阳能光伏发电-热水器复合组件及系统。以满足各种规模的太阳光伏电站发电和电站生产、生活定温热水的消费需求，提高太阳能利用效率；开创光电-光热复合组件新技术、新产品产业化生产运用的新途径。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

由装有偏盒式温差内循环换热器的光伏电池复合组件(20)、定补双循环太阳热水器(21)、太阳能收集器型材边框(8)、边框防辐射伪装瓦(9)、放气止水阀(12)、组合式全自动输配节水阀(14)、保温储热自洁水箱(22)、机动热水储水箱(24)，以及太阳收集器锁固横樑(37)、瓦面坡屋顶檩樑锁固挂勾(38)、过渡瓦(39)、平面可调太阳入射角支架(44)、相关管和阀零配件共同组合而成的一种太阳能光伏发电-热水器复合组件及系统，其特征在于：偏盒式温差内循环换热器面板的背面装有集热排管(3)，集热排管后面用保温绝热材料(4)紧密覆盖，保温绝热层之后为换热器的循环水箱(5)，循环水箱上下对角处，安装有进水管(6)和出水管(7)；面板(2)的正上方则紧贴太阳光伏电池板(1)。

装有偏盒式温差内循环换热器的光伏电池复合组件(20)的出水管，通过放气止水阀(12)与定补双循环太阳热水器(21)的进水口串联；定补双循环太阳热水器(21)的出水口(32)，又通过组合式全自动输配节水阀(14)分别与保温储热自洁水箱(22)和机动热水储水箱(24)串、并联。

保温储热自洁水箱(22)的底部装有进、出水，排污，放气，溢流共用管座(23)和组合式全自动输配节水阀(14)。

机动热水储水箱(24)通过机动热水输出管(25)和机动热水输入管(26)与各网络用户热水系统相并联；机动水箱出口的另一端串联有水温控制器(34)、温控电磁阀(27)和射流三通(28)。

太阳能收集器型材边框(8)通过太阳能收集器锁固横樑(37)穿过过渡瓦(39)与瓦面坡屋顶檩樑锁固挂勾(38)相连接；或者太阳能收集器型材边框(8)通过太阳能收集器锁固横樑(37)直接与平面可调安装角支架(44)配套连接。

在专利技术产品：“定补双循环太阳热水器”(专利号：ZL200320104776.5)；“放气止水阀”(专利号：ZL200420104530.2)；“多功能平板集热器边框型材”(专利号：ZL200420104531.7)；以及“组合式全自动输配节水阀门及系统”(专利申请号：200520022569.4)；“太阳能瓦面坡屋顶专用锁固支架”(专利申请号：200520099968.0)等新专利技术的基础上及定型产品的支持下，用传热效果良好的金属薄板制作一支集储合一的偏盒式温差内循环换热器；该换热器平整面板的背面焊有一排集热排管；排管后面用保温绝热、耐腐蚀、无毒无味材料紧密覆盖，以杜绝热的横向传递；集热排管保温绝热层之后为换热器的循环水箱。偏盒式温差内循环换热器上下对角处，安装有侧向开口的进出水口。偏盒式温差内循环换热器平整面板的正上方则紧贴太阳光伏电池板。随后，用已产业化生产的多功能平板集热器边框型材制作框架；按底板；保温层；偏盒式温差内循环换热器的先后秩序安装相关部件；然后在封装好的太阳光伏电池板背面塗上导热密封硅胶，紧贴偏盒式温差内循环换热器的平整面板安装光伏电池；最后再用定型玻璃压条沿边密封框架，从而完成太阳能光伏发电-热水器复合组件基础单元的整体组装。

随后，再将检验合格的太阳能光伏发电-热水器复合组件基础单元的进水口，通过温控电磁阀与自来水管相联；出水口则通过专用保温管道和“放气止水阀”与“定补双循环太阳热水器”的进水口相通。“定补双循环太阳热水器”所产的定温热水，则通过组合式全自动输配节水阀门，与预置在室内的保温储热水箱和隐蔽安装在“定补双循环太阳热水器”背后下方的机动储热水箱等部件相联相通；两组以上的相邻系统，则按“组合式全自动输配节水阀门及系统”的网络连接方法，通过机动热水进、出水管与共用机动热水储水箱并联，而构成大型系统；最后，完成整个太阳能光伏发电-热水器复合组件及系统的标准化连接安装。

该系统可用“定补双循环太阳热水器”的可调安装角支架安装在平屋顶上；也可选用“太阳能瓦面坡屋顶专用锁固支架”的各类专用零部件将其建筑一体化，安装在包括民族民居瓦面坡屋顶在内的各类現代建筑的斜坡屋面上。

本发明的有益效果是，在上述五项太阳能光热利用新专利技术部件的支撑下，只需改型设计制造一支集储合一的“偏盒式温差内循环换热器”作为接口，就可有效地将太阳光伏电池板与新型太阳热利用技术部件，共同构建成崭新的一套“太阳能光伏发电-热水器复合组件”，并按成熟的标准化系统网络结构和全新的建筑一体化理念，实現包括民族民居坡屋顶在内的各类民用建筑上的安装。

本发明使边高效率发电，边高效率大得热量的生产定温热水成为可能。在有效降低太阳光伏电池运行温度，提高太阳光电转换效率的同時，能将太阳电池所产生的“废热”转化为基础水温，再输入到定温太阳热水器内继续加热到使用温度，从而提高了热水器的热效率和产水量。真正意义上的实現了“全波段”的利用太阳辐射能，从而提高了太阳能利用率；使进一步降低太阳能发电综合成本成为可能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明的关键部件作进一步说明。

图1为本发明装有偏盒式温差内循环换热器的光伏电池复合组件的纵向断面与A-A剖面示意图；

图2为本发明复合组件基础单元标准系统连接示意图；

图3为本发明基础单元保温储热水箱系统及运行机制示意图；

图4为本发明在瓦面坡屋顶上安装结构及相关部件示意图；

图中：1.为光伏电池板；2.为偏盒式温差内循环换热器面板；3.为换热器集热排管；4.为换热器集热排管流道绝热层；5.为换热器循环储水箱；6.为换热器冷水进水管；7.为换热器“热水”出水管；8.为太阳能收集器型材边框；9.为边框防辐射伪装瓦；10.为光伏电池傍路电阻盒与电源输出接口；11.为保温层；12.为放气止水阀；13.为止回阀；14.为组合式全自动输配节水阀，图中：14+为常开阀、14-为常闭阀；15.为温度传感器；16.为温控冷水电磁阀，17.为冷水进水总阀；18.为计费水表；19.为水温、水位控制、显示器；20.为装有偏盒式温差内循环换热器的光伏电池基础复合组件；21.为定补双循环太阳热水器；22.为室内保温储热自洁水箱；23.为自洁水箱进、出水，排污，放气，溢流共用管座；24.为置于屋顶隐蔽处的机动热水储水箱；25.为机动热水输出管；26.为机动热水输入管；27.为机动水箱存水二次循环控制电磁阀；28.为机动水箱存水二次循环射流三通；29.为室内水箱微型强制循环泵；30.为室内水箱强制循环同步电磁阀；31.为定补双循环太阳热水器进水口；32.为定补双循环太阳热水器定温热水出水口(输水管)；33.为室内保温水箱进水电磁阀；34.为机动水箱水温控制器；35.为手控水温调节阀；36.为温控冷水电磁阀的手控强制开关；37.为太阳能收集器锁固横樑；38.为瓦面坡屋顶檩樑锁固挂勾；39.为过渡瓦；40.为檩樑；41.为椽子；42.为板瓦；43.为筒瓦；44.为平面可调安装角支架；

本发明结构不仅限于附图所示。

具体实施方式

将1-2组装有偏盒式温差内循环换热器的光伏电池基础复合组件20，与定补双循环太阳热水器21；放气止水阀12；组合式全自动输配节水阀14；室内保温储热自洁水箱22；以及置于屋顶隐蔽处的机动热水储水箱24；相适应的平面或瓦面坡屋顶安装支架等主要基础单元部件和相关管、阀零配件，按图2、图3所示，构建成本发明的基础标准系统。在接通冷、热水管，电源负载和打开冷水进水总阀17之后，本发明的基础单元系统即进入正常工作状态。

当阳光照射到光伏电池板1上之后，随着光电转换的发生太阳电池板的板温也在逐步升高；通过传热硅胶传递，紧贴在太阳电池板1后面的偏盒式温差内循环换热器的面板2开始受热，并将其热量直接传递给处于面板背面集热排管3流道中的水。由于集热排管3流道横侧方向均被绝热层4包裹，热量无法横向扩散，处于集热排管流道中少量的水被迅速加热，並与换热器循环储水箱5中大多数的水产生温差。根据水的物理特性，处于集热排管流道中被加热的水体积膨胀、比重变轻，开始沿排管流道上浮，并进入换热器上部；同時，推动换热器循环储水箱5底部的冷水，由集热排管流道下方开口处进入集热排管3进行补充，同時吸收面板2源源不断传递过来的热能。周而复始，在不消耗任何辅助能源的前提下，将太阳光伏电池板1所产生的废热，有效地变成换热器循环储水箱5中的“温水”。

实验证明在正常情况下，定补双循环太阳热水器21将平均温度为20℃左右的冷水加热到45℃，仅需要15-20分钟。即平均每隔18分钟，两组换热器循环储水箱5中就有近80％的“温水”会被置换到太阳热水器21中去继续受热。换句话说，光伏电池板1后面的换热器能够长期有效地维持在20℃以下的低温环境中运转，并形成一个能大量吸收光伏电池板1所产废热的稳定低温环境空间，从而有效地抑制了板温的升高，减少了负的温度系数带来的光电转换效率损失。

太阳热水器21加热温度，被安装在板芯上集管热水出水口32附近的温度探头15严密监控，当水温达到设定的使用温度后，系统会即時起动温控冷水电磁阀16，将自来水通过换热器冷水进水管6注入复合组件20的换热器内，同時将换热器循环储水箱5中的大多数“温水”通过换热器“热水”出水管，挤入太阳热水器21中继续接受太阳光热辐射加热。而太阳热水器21中的达标热水则同步通过热水出口32，直接被挤入室内保温储热水箱22中储备待用。在室内热水箱22装满之后，常开阀14+会自动关闭，并将水满信息传递给常闭阀14-；该阀立即打开机动热水输水管25的通道，将本单元的多余热水送入共用机动水箱24中储存；在某位用户使用热水，导致本单元室内热水箱22水位下降后，机动水箱中的存水会即時自动经热水输入管26补充到位，实现热水互济。若某用户当天不再需要更多热水，(或连续数天出外旅游)可随時关闭本单元的室内保温水箱进水电磁阀33。在进水电磁阀33关闭之后，本单元用户的太阳热水器21所产生的热水将全部进入屋顶共用机动热水储水箱24内储存，并随机提供给联网的其他大热水用户使用。当机动热水储水箱24中的存水水温下降到使用温度以下時，其出口处的水温控制器会自动打开二次循环控制电磁阀27；只要有太阳，机动水箱24中的存水会在自来水流的驱动下经射流三通28，自动进入太阳热水器21中进行二次循环加温。

隔日隔夜之后，若室内保温储热水箱22中的存水量超过规定额度，且水温已降至使用温度以下，水温、水位控制显示器19的监控程序会提醒用户：若有日照，请即時关闭温控电磁阀16和冷水进水总阀17；起动微型低流量循环泵29和同步电磁阀30，借助换热器冷水进水管和共用的集热器存水排空管，反方向将室内保温储热水箱22中的存水强制泵入太阳热水器21中进行二次强制循环加温，直到水温达到使用温度后监控程序自动停机。当然，此時还需请用户将事先已关闭掉的温控电磁阀16、冷水进水总阀17复原，才能保证系统重新进入正常运转状态。

寒冬季节或突发降温時，为确保系统管、板不被冻坏；可在关闭冷水进水总阀17和强制打开温控冷水电磁阀16之后，再有目的的调节手控水温调节阀35，系统会自动将储存在换热器循环储水箱5和太阳热水器21集热板芯中，以及相连管道中的余水全部有序的导出提供用户掺混使用，直到排空管、板中所有的余水。众所周知，排空管、板余水，是最有效的抗冻措施。反向排空管、板余水的附加功能是，能同時对系统内部进行一次彻底的排污冲洗。寒冬过后或解除冻害预警之后，用户只需关闭事先人为强制开起的温控冷水电磁阀16和打开被关掉的冷水进水总阀17即可让系统再次恢复正常。只要阳光重新普照大地，安装在太阳热水器21板芯上的温度探头15会即時感知阳光带来的温暖，并适時起动温控冷水电磁阀16，让系统重新注满水，并进入正常运转状态。

根据“定补双循环太阳热水器”；“多功能平板集热器边框型材”；以及“太阳能瓦面坡屋顶专用锁固支架”等新专利技术；太阳能光伏发电--热水器复合组件及系统，可以建筑一体化的安装在平面屋顶或民族民居瓦面坡屋顶上。置于平屋顶上的系统，在集储分离，水箱进家入户隐形安装的前提下；选用“定补双循环太阳热水器”可调太阳入射(安装)角支架系统，即可进行简易安装和按需适時调控太阳入射角和方位角。选用“太阳能瓦面坡屋顶专用锁固支架”檩樑锁固挂勾38；过渡瓦39；边框防辐射伪装瓦9等，将能在不改变原有建筑结构的前提下，简易而牢靠地实现防风、防漏、防震、防滑落，在民族民居瓦面坡屋顶上的建筑一体化安装，并能使边框色调与瓦屋面色彩完全协调一致，而不造成新的视觉污染。

本发明由于引进了光热利用方面的五项国家专利成果，于常规的光伏太阳电池，共同构成全新一代太阳能光伏——热水器复合组件及系统，从而有效地提高了“全波段”利用太阳辐射能的效率。

Claims (5)

1.一种太阳能光伏发电-热水器复合组件及系统；由装有偏盒式温差内循环换热器的光伏电池复合组件(20)、定补双循环太阳热水器(21)、太阳能收集器型材边框(8)、边框防辐射伪装瓦(9)、放气止水阀(12)、组合式全自动输配节水阀(14)、保温储热自洁水箱(22)、机动热水储水箱(24)，以及太阳收集器锁固横樑(37)、瓦面坡屋顶檩樑锁固挂勾(38)、过渡瓦(39)、平面可调太阳入射角支架(44)、相关管和阀零配件共同组合而成，其特征在于：偏盒式温差内循环换热器面板的背面装有集热排管(3)，集热排管后面用保温绝热材料(4)紧密覆盖，保温绝热层之后为换热器的循环水箱(5)，循环水箱上下对角处，安装有进水管(6)和出水管(7)；面板(2)的正上方则紧贴太阳光伏电池板(1)。

2.限据权利要求1所述的太阳能光伏发电-热水器复合组件及系统，其特征在于：装有偏盒式温差内循环换热器的光伏电池复合组件(20)的出水管，通过放气止水阀(12)与定补双循环太阳热水器(21)的进水口串联；定补双循环太阳热水器21)的出水口(32)，又通过组合式全自动输配节水阀(14)分别与保温储热自洁水箱(22)和机动热水储水箱(24)串、并联。

3.根据权利要求1所述的太阳能光伏发电-热水器复合组件及系统，其特征在于：保温储热自洁水箱(22)的底部装有进、出水，排污，放气，溢流共用管座(23)和组合式全自动输配节水阀(14)。

4.根据权利要求1所述的太阳能光伏发电-热水器复合组件及系统，其特征在于：机动热水储水箱(24)通过机动热水输出管(25)和机动热水输入管(26)与各网络用户热水系统相并联；机动水箱出口的另一端串联有水温控制器(34)、温控电磁阀(27)和射流三通(28)。

5.根据权利要求1所述的太阳能光伏发电-热水器复合组件及系统，其特征在于：太阳能收集器型材边框(8)通过太阳能收集器锁固横樑(37)穿过过渡瓦(39)与瓦面坡屋顶檩樑锁固挂勾(38)相连接；或者太阳能收集器型材边框(8)通过太阳能收集器锁固横樑(37)直接与平面可调安装角支架(44)配套连接。

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