CN101951194A - 一种分级式太阳能光伏光热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种分级式太阳能光伏光热系统，将太阳能电池板与吸热板分离，布置在集热器入水管口前端，太阳能电池板与吸热板仅靠冷却水管路相连接，这样太阳能电池板独立工作，它产生出来的热量由循环工质(水或空气)带入下级的集热器，这样不仅降低了太阳能光伏电池的板面温度，提高了光伏发电侧的效率，而且也提高了集热器入口工质的初温，从而也提高了集热器的产热效率，不仅提高电池板的发电效率，也可以增强集热器的产热性能，从而提高太阳能综合利用率，并且该系统利用清洁能源，零排放，零污染，是一种对环境好的能源利用装置。

Description

一种分级式太阳能光伏光热系统
技术领域
本发明涉及一种太阳能光伏光热利用设备，特别涉及一种新型太阳能光伏光热系统。
背景技术
自从1978年Kern和Russell首次提出使用水或空气作为载热介质的光伏光热一体化(PV/T)系统的主要概念后，世界上已有许多研究者对PV/T系统进行了理论分析。Bergene和Lcvvik(1995)的理论研究指出PV/T系统的光电光热总效率可以达到60-80％。Huang等人(2001)提出采用光电光热综合性能效率作为PV/T系统的性能评价指标；并使用由聚碳酸酯构成的集热板和多晶硅光伏电池制成PV/T收集器，由其组成的PV/T热水系统日平均热效率可以达到38％，光电光热综合性能效率可以达到60％左右。Bjcmar和Rekstad(2002)的PV/T系统，将单晶硅光伏电池粘贴在由PPO材料(polypde一nylenoxid)制成的扁盒式太阳能集热板上，表面覆盖玻璃盖板，并在较低水温下对几种T、PV/T、PV/Tg进行了实验研究。Hisashi Saitoh等人(2003)将单晶硅光伏电池粘贴在铝板上，铝板背面附有铜管，制成PV/T收集器，并用盐水作为载热介质，测试了系统的性能。Zakharchenko等人(2004)使用Powernat太阳能集热器，表面覆盖黑色的PVC吸热板，并与不同的光伏电池粘结，制成PV/T收集器，同时分析并提出了光伏电池组件面积远小于集热板面积、且电池布置于吸热板冷水进口处，可以得到对电池更好的冷却效果和更高的热效率。
第—代PV/T液体和空气集热器是由ARCO Solar和Spectrolab 制造的，如图1和图2所示。PV/T液体集热器为—个改造的单层玻璃盖板太阳集热器，太阳电池取代了普通集热器的吸热板，铜管液体流道与太阳电池用铝护圈连接。PV/T空气集热器采用双层玻璃盖板空气集热器的基本形式，太阳电池粘贴在内层玻璃下方，黑色铝吸热板置于空气流道底部，吸收从电池间隙穿过的太阳辐射。在电池不输出电的情况下， PV/T空气和液体集热器最大的热效率分别为40.4 %和45.2 %；当电池在最大功率点操作时， PV/T空气和液体集热器的热效率分别为32.9 %和40.0 % ，电池的最大效率分别为6.7%和6.8%。第—代PV/T集热器的最大热效率大大低于设计良好的普通太阳集热器(60%～70%) ，应用上不具备竞争力。MIT Lincoln 实验室和Brown 大学分别提出了Ⅱ代PV/T液体集热器和空气集热器的设计概念。改进后的PV/T 液体集热器模拟热效率为55% ，电池效率为1l%。
荷兰ECN和EUT进行了三代PV/T集热器原型设计，第三代产品已用于RES示范工程。最初的原型设计如图3所示，这是—个管板式结构的水冷PV/T集热器，液体流道为蛇形铜管，标准太阳电池封装组件用导热性能良好的胶粘在吸热板表面，但在胶粘时由手工制作产生的大量气泡降低了胶粘剂的导热性能。Ⅱ代原型设计的目标在于提高PV/T集热器对太阳光谱的吸收率，仍然将太阳电池封装组件与吸热板用胶粘的方法连接，但太阳电池改用绒面表面，封装组件用黑色背膜替代白色背膜，实验表明这—改进取得了良好的效果。第三代原型设计改变了太阳电池与吸热板的连接方式，将以前胶粘的方法改换为层压方法，目的是为了避免在PV/T集热器中增加额外的胶粘界面，因此该方法可以增加电池与吸热板间的传热性能。比较上述三种PV/T集热器的热效率和电效率，三者电效率基本一致，但热效率不同，其中Ⅱ代原型设计具有最高的热效率67%，其次为第三代原型设计，其热效率为64%，而最初原型设计的热效率为54%。
目前，国内市面上常见的PV/T系统，都是将吸热板与太阳能光伏板复合成一体，置于平板集热器中，两者同时，同地点的工作，这样可以节省一定的空间，但这样的方法也存在一定的问题：PV/T系统在工作时，平板集热器会吸收大量的热来保证系统的产热效率，但高温会降低复合在吸热板上的光伏太阳能电池板的发电效率（通常太阳能电池板的效率与它板面温度成反比）。所以，目前常规的PV/T系统的太阳能综合利用率不高，必须牺牲一方的效率来保证另一方的性能。
发明内容
本发明是针对目前常规的光伏光热系统的太阳能综合利用率不高的问题，提出了一种分级式太阳能光伏光热系统，将太阳能电池板与吸热板分离，并将太阳能电池板外移出平板集热器，布置在集热器入水管口前端，这样太阳能电池板独立工作，它产生出来的热量由循环工质（水或空气）带入下级的集热器，这样不仅降低了太阳能光伏电池的板面温度，提高了光伏发电侧的效率，而且也提高了集热器入口工质的初温，从而也提高了集热器的产热效率，是一举两得，从两个方面提高综合效率。
本发明的技术方案为：一种分级式太阳能光伏光热系统，包括金属边框、盖板、太阳能电池板、吸热板、冷却水管路，太阳能电池板和吸热板的边缘、背部有保温层，所述太阳能电池板、吸热板独立分开，太阳能电池板布置在吸热板入水管口前端，太阳能电池板、吸热板之间仅通过布置在两系统中的冷却水管路相连接，太阳能电池板冷却水管路出口接吸热板入口，太阳能电池板和吸热板的冷水管路中间串联系统转换阀门，太阳能电池板冷却水管路出口和吸热板入口分别接一个辅助阀门。
所述冷却水管路中冷却水流量在10L/h到30L/h之间。
本发明的有益效果在于：本发明分级式太阳能光伏光热系统，不仅提高电池板的发电效率，也可以增强集热器的产热性能，从而提高太阳能综合利用率，并且该系统利用清洁能源，零排放，零污染，是一种对环境好的能源利用装置。
附图说明
图1为现有技术Ⅰ代PV/T集热器结构示意图；
图2为现有技术Ⅱ代PV/T集热器结构示意图；
图3为现有技术第三代PV/T集热器结构示意图；
图4为本发明分级式太阳能光伏光热系统结构示意图；
图5为本发明分级式太阳能光伏光热系统控制阀门原理图；
图6为本发明分级式太阳能光伏光热系统发电功率随流量变化曲线。
具体实施方式
经研究数据表明，单体太阳能电池的开路电压随温度的升高而降低，电压温度系数为(2.0～2.2)mv/℃，即温度每升高1℃，单体太阳能电池开路电压降低2.0～2.2mv；太阳能电池短路电流随温度的升高而升高；太阳能电池的峰值功率随温度的升高而降低(直接影响到效率)，即温度每升高1℃，太阳能电池的峰值功率损失率约为0.35～0.45％。所以在传统结构的PV/T系统中，随着集热器产热品质要求的提高，集热器内温度不断上升，这会使得复合在吸热板上的太阳能电池板发电效率下降，若想使电池板发电效率升高，则必须牺牲集热器产热性能。如何达到两者兼顾是本发明的目的所在。
与传统光伏光热(PV/T)系统集热器一样，本发明的结构如图4所示，主要包括盖板、太阳能电池板1、吸热板3、冷却水管路4、边缘和背部保温层2、金属边框。但与传统光伏光热(PV/T)系统集热器不同的是，此系统采用的是分级式PV/T系统。这里太阳能电池板1与集热器吸热板3不再复合为一体，而采用分级的形式，即太阳能光伏光热（PV/T）系统分为两级，Ⅰ为太阳能光伏系统，Ⅱ为太阳能光热系统，这两级之间在空间上不直接进行热交换，只是通过布置在两系统中的冷却水管路4相连接。
对于Ⅰ级的太阳能电池系统来说，采用单晶硅太阳能电池板，通常其光电转换率为15%至17%，其余的太阳能辐射会转化成热量，而太阳能电池板1的效率会随板面温度的上升而降低，这就会使太阳能板进入一个恶性循环当中；对于Ⅱ级的太阳能光热系统，主要是通过吸热板吸收太阳能辐射热量，再将热量传给冷却工质，从而达到加热工质的目的，当工质的入口温度提高时，这对整个系统的产热效率以及产出的热水品质都会有所提高。
所以在整个系统中，先将冷却水通过Ⅰ级，将太阳能电池板板面热量带走，这样可以提高太阳能光伏发电的效率，升温后的冷却水再通过Ⅱ级来吸收太阳能集热器内热量，由于入口介质温度的提高，这又使得太阳能平板集热器的集热效率也有所提高，这样整个PV/T系统的总体太阳能利用效率也将会提升。
此功能就需要靠系统转换阀门控制系统来实现。它位于Ⅰ级与Ⅱ级系统之间，通过控制系统转换阀门，可以控制两级系统的链接和断开，从而可以进行单独的光伏发电实验，单独的光热试验，以及光伏光热一体化实验。整个系统的阀门如图5所示。
将系统转换阀门5关闭，辅助阀门6打开时，则Ⅰ级系统与Ⅱ级系统相互独立，此时，可以分别对Ⅰ级系统（光电系统）和Ⅱ级系统（光热系统）进行试验，并得出数据进行对比；将系统装换阀门5打开，辅助阀门6关闭，则Ⅰ系统与Ⅱ系统相互连接成一个系统，这时冷却水或空气从Ⅰ级系统入口进入，带走Ⅰ级系统中太阳能电池板板面的热量，并进入到Ⅱ级系统中，继续吸收热量，使系统产生用户所需要的热水或热空气。
本专利已在实验室里完成了各项性能测试，图6为系统在输出功为800W的太阳光模拟器下测得的系统发电效率随冷却水流量的变化曲线。
从图6中可以看到太阳能电池板发电功率随冷却水流量的增加先下降后升高。分析数据可得，这是因为当电池板刚开始工作时，板面温度不高，电池板板面光电转换效率较高，但随着工作时间的增加，板面积聚的热量越来越多，而此时电池板背面的冷却水流量较小，不能很好的将电池板板面热量传递出，这就使得太阳能电池板发电功率在这一阶段内呈下降趋势；当电池板背面冷却水流量增大到10H/h左右时，电池板发电功率开始随冷却水流量的增加而上升，当流量到达30L/h左右时，电池板发电功率的曲线趋于平稳。由此可见，冷却水流量在10L/h到30L/h之间时，冷却水冷却电池板效果较好，使得电池板板面温度有所控制，从而使太阳能电池板发电功率逐步上升，当冷却水流量超过30L/h后，太阳能电池板发电功率随流量变化甚微，故可以推断，冷却水流量为30L/h是冷却水最佳流量值。
当今社会传统能源日益枯竭，新能源的开发与利用正被世界各国科学家们所倡导，尤其是太阳能的利用更是发展了多年，无论从理论上，还是实际的利用上，太阳能利用技术都较为成熟。我国是一个太阳能分布广，资源丰富的国家，太阳能利用的前景不可估量。
但太阳能光伏光电的综合利用效率一直不是很高，而且地域适用性有限，本专利对以上几个传统PV/T系统的不足之处有相应的改进，使得系统发电效率，产热性能都大幅提高，而且加工工艺较传统复合型系统简单，有利于生产，其经济性无可限量。

Claims (2)

1.一种分级式太阳能光伏光热系统，包括金属边框、盖板、太阳能电池板、吸热板、冷却水管路，太阳能电池板和吸热板的边缘、背部有保温层，其特征在于，所述太阳能电池板、吸热板独立分开，太阳能电池板布置在吸热板入水管口前端，太阳能电池板、吸热板之间仅通过布置在两系统中的冷却水管路相连接，太阳能电池板冷却水管路出口接吸热板入口，太阳能电池板和吸热板的冷水管路中间串联系统转换阀门，太阳能电池板冷却水管路出口和吸热板入口分别接一个辅助阀门。
2.根据权利要求1所述分级式太阳能光伏光热系统，其特征在于，所述冷却水管路中冷却水流量在10L/h到30L/h之间。
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