CN102176483B - 一种水加热型光电/热太阳能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水加热型光电/热太阳能系统，属于光电技术领域。包括平板反射聚光器、光电/热太阳光接收器、保温水箱、能量控制管理子系统、电能存储器、上循环管以及下循环管。保温水箱通过上循环管、下循环管分别与光电/热太阳光接收器的热水输出端和冷水输入端连接。平板反射聚光器与光电/热太阳光接收器的上端连接。能量控制管理子系统的正极同时与光电/热太阳光接收器中光伏电池输出正极以及电能存储器正极相连。能量控制管理子系统的负极同时与光电/热太阳光接收器中光伏电池的输出负极以及电能存储器的负极相连。本发明无需太阳能跟踪系统，降低了系统成本和复杂性；提高了输入太阳辐射密度、减小了能量传输损失，提高了能量转换效率，增强了实用性。

Description

一种水加热型光电/热太阳能系统

技术领域

本发明涉及一种光电/热太阳能系统，属于光电技术领域。

技术背景

目前，单一的光伏发电系统、太阳能热水器等太阳能应用系统已经得到了广泛的应用。但是，单一的太阳能热水器和单一的光伏发电系统均存在能量利用效率较低、成本高、占用空间大等问题。独立的光伏发电系统的光电转换效率仅在5％-15％之间，而安装一套太阳能热水器其成本约需6000元(包括给排水等基础设施)，这些因素都限制了太阳能系统的推广使用。

1978年，Kern和Russell最早提出了光电/光热混合太阳能系统的概念。根据传热工质的不同，可分为空气加热型和水加热型两种。

近年来，随着国际社会对利用可再生能源研究的加强，关于光电/光热系统研究的活跃性迅速增加。作为与建筑物集成光伏系统的替代系统，空气加热型光电/光热系统得到更广泛的研究。在国内，2009年天津大学的赵军等人介绍了空气加热型光电/热混合太阳能系统，并在天津地区太阳辐射条件下，对系统进行了测试。同年，东南大学的孙建等人对空气型聚光光电/光热系统建立了数学模型，并对其传热过程进行数值模拟，并对集热器的热、电效率进行了分析。结果表明，其热效率可达65％。

对于水加热型光电/热混合太阳能系统，Elazari对系统的性能和商业特性进行了分析。中国专利“混合式光电光热收集器”(专利号CN200410063405.5)介绍了基本光电/光热系统的结构。但是，这些水热型光电/热混合系统的有用效率低，成本较高，实用性差，目前尚没有成熟的产品投入市场。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，提高水热型光电/热太阳能系统的有用效率和实用性，提出一种带保温罩和低聚光反射器的水加热型光电/热太阳能系统。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种水加热型光电/热太阳能系统，包括：平板反射聚光器、光电/热太阳光接收器、保温水箱、能量控制管理子系统、电能存储器、上循环管以及下循环管。

所述平板反射聚光器用于反射太阳辐射光，使其到达光电/热太阳光接收器上，从而提高系统入射太阳辐射密度。其中，平板反射聚光器的面积要求大于等于光电/热太阳光接收器上表面积。此外，为保证平板反射聚光器反射光有效照射在光电/热太阳光接收器的上表面上，平板反射聚光器根据不同季节太阳高度角的不同，可向前或向后倾斜。

所述带光电/热太阳光接收器用于将太阳能转化为电能和热能，是系统的双生能器件。由保温罩、空气层、光伏电池、绝缘粘胶层、集热器和绝热层组成。在光电/热太阳光接收器上表面安装有透明罩保温罩，用于减少光电/热太阳光接收器上表面热量损失；光伏电池用于转换太阳能为电能和热能；集热器用于吸收光伏电池转换生成的热量，以及转换太阳能为热能，并为水加热；绝热层用于抑制集热器通过热传导向周围环境散热，减少底部和周围的热量损失。

所述保温水箱用于存放集热器中加热的热水。在集热器和保温水箱中，靠两者中水温不同所产生的压力差来推动热水运动，实现水的循环加热。

所述能量控制管理子系统一方面用于对光伏电池最大输出功率点的跟踪控制，提高光伏电池电输出效率；另一方面对电能存储器的能量存储进行控制，防止电能存储器过充电和放电，由此提高能量存储质量、延长电能存储器使用寿命。

所述电能存储器用于存储光伏电池输出的电能。根据能量存储密度、存储容量和能量存储控制方式的不同，可采用的材质有：镉镍Nickel-Cadmium(NiCD)电池、金属氢化物镍Metal Hydride Nickel(NiMH)电池、密封铅酸Sealed Lead Acid(SLA)蓄电池、聚合物锂离子(Li+)电池和超级电容Supercapacitors等。

所述上循环管和下循环管用于保温水箱与光电/热太阳光接收器之间的水路连接。

上述组成部件之间的连接关系如下：

保温水箱通过上循环管、下循环管分别与光电/热太阳光接收器的热水输出端和冷水输入端连接。平板反射聚光器与光电/热太阳光接收器的上端连接。能量控制管理子系统的正极同时与光电/热太阳光接收器中光伏电池输出正极以及电能存储器正极相连。能量控制管理子系统的负极同时与光电/热太阳光接收器中光伏电池的输出负极以及电能存储器的负极相连。

有益效果

本发明提出的水加热型光电/热太阳能系统，本发明无需太阳能跟踪系统，降低了系统成本和复杂性；同时，利用平板反射聚光器和保温罩提高了输入太阳辐射密度、减小了能量传输损失，提高了能量转换效率，增强了实用性。

附图说明

图1为本发明的水加热型光电/热太阳能系统结构组成示意图；

图2为平板反射聚光器与光电/热太阳光接受器集成的光路传输示意图；

图3为光电/热太阳光接收器结构示意图；

图4为光伏电池背面温度变化图；

图5为集热器结构图；

其中，1-平板反射聚光器，2-保温水箱，3-光电/热太阳光接收器，4-能量控制管理子系统，5-电能存储器，6-下循环管，7-上循环管，8-保温罩，9-空气层，10-光伏电池，11-绝缘粘胶层，12-集热器，13-绝热层，14-平板，15-管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

一种水加热型光电/热太阳能系统，其结构组成如图1所示，包括：平板反射聚光器1、保温水箱、2光电/热太阳光接收器3、能量控制管理子系统4、电能存储器5、下循环管6以及上循环管7。

一、平板反射聚光器

所述平板反射聚光器1用于反射太阳辐射光，使反射光到达光电/热太阳光接收器3上，由此提高系统入射太阳光辐射密度。平板反射聚光器1的材料可以采用铝薄片等反光特性好的材料。平板反射聚光器1具备以下技术特征：

(1)平板反射聚光器1的面积由光电/热太阳光接收器3的上表面积决定。为保证反射光区光强能够均匀分布和完全覆盖光电/热太阳光接收器3的上表面，平板反射聚光器1的面积要大于等于光电/热太阳光接收器3的上表面积。例如：当所述光电/热太阳光接收器3的上表面积为1.5m²时，平板反射聚光器1的面积要大于等于1.5m²。

(2)为保证平板反射聚光器1的反射光有效照射在光电/热太阳光接收器3的上表面，平板反射聚光器1能够根据不同季节太阳高度角的不同，向前或向后倾斜。例如：在冬季，太阳高度角减少，平板反射聚光器1的反射面应向太阳光接收面倾斜；在夏季，太阳高度角增加，反射面应向背面倾斜。二者的光路示意如图2所示。

二、光电/热太阳光接收器

所述光电/热太阳光接收器3用于将太阳能转化为电能和热能，是本系统中的双生能器件。

该部件的结构如图3所示，依次由保温罩8、空气层9、光伏电池10、绝缘粘胶层11、集热器12和绝热层13组成。其中，绝缘粘胶层11涂在光伏电池10的背面与集热器12的顶面之间，将二者连接。绝热层13与集热器12的背面相接。保温罩8安装在光伏电池10的顶面。在保温罩8和光伏电池10顶面之间留有空隙，是为空气层9。

光电/热太阳光接收器具有以下技术特征：

(1)在光电/热太阳光接收器3上表面安装有透明的保温罩8，用于减少光电/热太阳光接收器3上表面热量损失。所述保温罩8材料的透光率要求大于0.9，材料可以是玻璃、聚合物等。

(2)光伏电池10用于转换太阳能为电能和热能。光伏电池10在光电转换过程中，入射光有5％-15％被转换为电能，超过85％的入射太阳能要么被反射要么被转换为热能。在此过程中，光伏电池10背面温度会持续增加。例如：一个由12个单体光伏电池组成、面积为15cm×7cm的硅光伏电池模块，在外界环境温度为25-30℃，太阳辐射强度为450-950W/m²条件下，测得光伏电池背面温度的变化如图4所示。在太阳辐射强度为950W/m²时，太阳电池背温能达到73℃。

光伏电池10可采用硅光伏电池、砷化镓光伏电池、非晶硅(a-Si:H)光伏电池等。光伏电池10良好的高温特性将有利于提高系统的输出电和热效率。

(3)在保温罩8和光伏电池10顶面之间构成的空隙，为空气层9。空气层9的高度大小会影响光伏电池10的温度。优选的，空气层9的空隙度在5-10cm之间。

(4)绝缘粘胶层11为光伏电池10背面和集热器12之间的粘合剂，要求绝缘粘胶层11具有绝缘性、粘合性和热传导性。可采用的材料为导热硅胶或导热硅脂等。

(5)集热器12用于吸收光伏电池10生成的热量，并为水加热。集热器12为平板-管结构，如图5所示，集热器的平板14直接粘贴在光伏电池的背面，管15用于存放水。集热器12可采用铜、铝合金、铜铝复合材料或不锈钢材料等。特别的，要求集热器12和光伏电池10之间具有良好的热传导性和绝缘性。

在光电/热太阳光接收器3中，可通过改变光伏电池10面积占光电/热太阳光接收器3上表面积的比例来改变系统输出电和热效率的比例。光伏电池10的覆盖率ξ表示为：

$\mathrm{\ξ}=\frac{A_{\mathrm{pv}}}{A_c}---\left(1\right)$

式1中，A_c为光电/热太阳光接收器3的上表面积，A_pv为光伏电池10的面积；覆盖率ξ对系统输出效率的影响可表示为：

η_pvt＝ξη_pv+η_t    (2)

式2中，η_t为集热器12的热量转换效率，η_pv为光伏电池10光电转换效率。

例如：假定光电/热太阳光接收器3的上表面积为1.5m²，光伏电池光10电转换效率为13％，集热器12热转换效率为40％。若光伏电池10的面积为1.5m²，覆盖率ξ为1，则系统输出总效率为55％，电、热量输出转换效率比为13∶40；若光伏电池10的面积为1m²，覆盖率ξ为0.667，则系统输出总效率为48.67％，电、热量输出转换效率比为8.67∶40。

(6)绝热层13用于抑制集热器12通过热传导向周围环境散热，减少其底部和周围的热量损失。绝热层13要求具有热导率小、不易变形和不产生有害气体的特点，可以选用但不限于如岩棉、聚苯乙烯等。

三、保温水箱

所述保温水箱2用于存放光电/热太阳光接收器3中集热器12加热后的热水。光电/热太阳光接收器3和保温水箱2由上循环管7和下循环6管连接，靠两者中水温不同所产生的压力差来推动热水运动，实现水的循环加热。

四、能量控制管理子系统

该能量控制管理子系统4一方面用于对光伏电池10最大输出功率点的跟踪控制，提高光伏电池10电输出效率；另一方面对电能存储器5的能量存储进行控制，防止电能存储器5过充电和放电，由此提高电能存储质量、延长电能存储器5使用寿命。

五、电能存储器

所述电能存储器5用于存储光伏电池10输出的电能。根据能量存储密度、存储容量和能量存储控制方式的不同，可采用的电能存储器5有：镉镍Nickel-Cadmium(NiCD)电池、金属氢化物镍Metal Hydride Nickel(NiMH)电池、密封铅酸Sealed Lead Acid(SLA)蓄电池、聚合物锂离子(Li+)电池和超级电容Supercapacitors等。

六、上循环管和下循环管

所述上循环管7和下循环6管用于保温水箱2与光电/热太阳光接收器3之间的水路连接。

上述组成部件之间的连接关系如下：

保温水箱2通过上循环管7、下循环管6分别与光电/热太阳光接收器3的热水出口端和冷水入口端连接。平板反射聚光器1与光电/热太阳光接收器3连接。能量控制管理子系统4的正极同时与光电/热太阳光接收器3中光伏电池输出正极以及电能存储器5正极相连。能量控制管理子系统4的负极同时与光电/热太阳光接收器3中光伏电池的输出负极以及电能存储器5的负极相连。

本系统的工作过程如下：

首先，太阳光通过直接照射、平板反射聚光器1反射两种方式，照射在光电/热太阳光接收器3的上表面。此处利用平板反射聚光器1增加光电/热太阳光接收器3上表面入射太阳光能量密度。光电/热太阳光接收器1将入射太阳光转换为电能和热能。

光伏电池10经能量控制管理子系统4进行最大功率点跟踪控制后，输出电能并存储到电能存储器5中，由此保证光伏电池10具有最大的输出功率。同时，能量控制管理子系统4控制电能存储器5的充、放电过程，防止电能存储器5过充电和过放电。

光电/热太阳光接收器3产生的热能用于为集热器13管15中的水加热；光电/热太阳光接收器3通过上循环管7和下循环管6与保温水箱2连接，并靠集热器13与保温水箱2中水温不同所产生的压力差来推动热水运动，将热水保存在保温水箱2中。

Claims (5)

1.一种水加热型光电/热太阳能系统，其特征在于：包括平板反射聚光器(1)、保温水箱(2)、光电/热太阳光接收器(3)、能量控制管理子系统(4)、电能存储器(5)、下循环管(6)以及上循环管(7)；

所述平板反射聚光器(1)用于反射太阳辐射光，使辐射光到达光电/热太阳光接收器(3)上，由此提高系统入射太阳光辐射密度；

所述光电/热太阳光接收器(3)用于将太阳能转化为电能和热能，是本系统中的双生能器件；依次由保温罩、空气层、光伏电池、绝缘粘胶层、集热器和绝热层组成，其中，绝缘粘胶层涂在光伏电池背面与集热器顶面之间，将二者连接；绝热层与集热器的背面相接；保温罩安装在光伏电池的顶面；在保温罩和光伏电池顶面之间留有空隙，为空气层；光电/热太阳光接收器(3)具有以下技术特征：

(1)在光电/热太阳光接收器(3)上表面安装有透明的保温罩，用于减少光电/热太阳光接收器(3)上表面热量损失，所述保温罩材料的透光率要求大于0.9；

(2)光伏电池用于转换太阳能为电能和热能；

(3)绝缘粘胶层为光伏电池背面和集热器之间的粘合剂，要求绝缘粘胶层具有绝缘性、粘合性和热传导性；

(4)集热器用于吸收光伏电池转换生成的热量，为水加热；集热器为平板-管结构，集热器的平板面直接粘贴在光伏电池的背面；要求集热器和光伏电池之间具有良好的热传导性和绝缘性；

(5)绝热层用于抑制集热器通过热传导向周围环境散热，减少其底部和周围的热量损失；绝热层要求具有热导率小、不易变形和不产生有害气体的特点；

所述保温水箱(2)用于存放光电/热太阳光接收器(3)加热后的热水；在光电/热太阳光接收器(3)和保温水箱(2)中，靠两者中水温不同所产生的压力差来推动热水运动，实现水的循环加热；

所述能量控制管理子系统(4)系统一方面用于对光伏电池最大输出功率点的跟踪控制，提高光伏电池电输出效率；另一方面对电能存储器(5)的能量存储进行控制；

所述电能存储器(5)用于存储光伏电池输出的电能；

所述上循环管(7)和下循环管(6)用于保温水箱(2)与光电/热太阳光接收器(3)之间的水路连接；

上述组成部件之间的连接关系如下：

保温水箱(2)通过上循环管(7)、下循环管(6)分别与光电/热太阳光接收器(3)的热水出口端和冷水入口端连接；平板反射聚光器(1)与光电/热太阳光接收器(3)连接；能量控制管理子系统(4)的正极同时与光电/热太阳光接收器(3)中光伏电池输出正极以及电能存储器(5)正极相连；能量控制管理子系统(4)的负极同时与光电/热太阳光接收器(3)中光伏电池的输出负极以及电能存储器(5)的负极相连；

本系统的工作过程如下：

首先，太阳光通过直接照射、平板反射聚光器(1)反射两种方式，照射在光电/热太阳光接收器(3)的上表面；光电/热太阳光接收器(3)将入射太阳光转换为电能和热能；

光伏电池经能量控制管理子系统(4)进行最大功率点跟踪控制后，输出电能并存储到电能存储器(5)中，由此保证光伏电池具有最大的输出功率；同时，能量控制管理子系统(4)控制能量存储器的充、放电过程，防止电能存储器(5)过充电和过放电；

光电/热太阳光接收器(3)产生的热能用于为集热器管中的水加热；光电/热太阳光接收器(3)通过上循环管7和下循环管(6)与保温水箱(2)连接，并靠集热器与保温水箱(2)中水温不同所产生的压力差来推动热水运动，将热水保存在保温水箱(2)中。

2.一种如权利要求1所述的水加热型光电/热太阳能系统，其特征在于，所述平板反射聚光器(1)的面积要大于等于光电/热太阳光接收器(3)的上表面积。

3.一种如权利要求1所述的水加热型光电/热太阳能系统，其特征在于，所述平板反射聚光器(1)能够根据不同季节太阳高度角的不同，向前或向后倾斜。

4.一种如权利要求1所述的水加热型光电/热太阳能系统，其特征在于，在保温罩和光伏电池顶面之间构成的空隙在5-10cm之间。

5.一种如权利要求1所述的水加热型光电/热太阳能系统，其特征在于，在光电/热太阳光接收器(3)中，能够通过改变光伏电池面积占光电/热太阳光接收器(3)上表面积的比例来改变系统输出电和热效率的比例；光伏电池的覆盖率ξ表示为：

式1中，A_c为光电/热太阳光接收器(3)上表面积，A_pv为光伏电池的面积；覆盖率ξ对系统输出效率的影响可表示为：

η_pvt＝ξη_pv+η_t    (2)

式2中，η_t为集热器的热量转换效率，η_pv为光伏电池的光电转换效率。

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