CN102244133B - 一种与热电片结合的热管式光伏热水复合系统 - Google Patents

Abstract

一种与热电片结合的热管式光伏热水复合系统，包括：整板式光伏热水模块、半导体双层换热联箱、光伏及电力控制系统和水箱。双层换热联箱分为两层：直接换热层和半导体加热层。天气晴好时，循环水从直接换热层和半导体加热层通过，生产热水并降低光伏电池温度、提高光电转换效率；天气阴沉时，循环水只从半导体加热层通过，热电片工作，其热泵效应使水温明显提高，热水产量相比于普通PV/T系统大幅提高，同时光伏电池温度更低，光电转换效率更高。本发明具有可小型化的特点，可根据天气及需要调节电力与热水产量关系，提高太阳能利用效率和质量，同时减少对外界电力供应的依赖，扩大了系统应用范围。

Description

一种与热电片结合的热管式光伏热水复合系统

技术领域

本发明涉及一种与热电片结合的热管式光伏热水复合系统，属于太阳能光伏光热综合利用装置，用于太阳能利用领域。

背景技术

太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的新能源，所以各国政府都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容。太阳能光电光热综合利用技术作为克服单一利用方式的缺点、提高太阳能利用效率的有效手段，正朝多元化方向发展。通常光伏电池效率不到15％，其余太阳能被转换成热量放出，导致光伏电池温度升高会引起光电转换效率下降；太阳能热水器效率较高但得到的能量品质较低。目前较好的作法是冷却介质冷却光伏电池，即降低了光伏电池温度提高了光电转换效率，又得到了温度较高的液体介意供生活或生产使用。如PV-Trombe墙可以得到电力的热空气输出，光伏热水模块(PV/T)可以得到电力和热水输出。

常规光伏热水模块在太阳辐照较低时集热效率大幅下降，水温难以达到通常的应用标准。直接电加热法可以提高水温但经济性不高。从节能环保的角度出发，因热泵的热效率总是大于1，用热泵加热方式效果好于电加热方式。压缩式热泵效果较好但由于启动频繁，瞬时功率大，对系统的电路控制、蓄电池要求都很高，且通常消耗功率较高，不适宜小型系统使用。

CN101908573A公开了一种一体式太阳能光伏光热板，CN201498524U公开了一种太阳能光伏光热一体化构件，这两种方法都将光伏电池与集热器件分开布置，传热效果受到影响。CN1959299A公开了一种光伏太阳能热泵多功能一体化系统，该系统使用压缩式热泵，压缩机不工作时无法生产热水。因此现有的光伏热水系统在太阳辐照较低的条件下效率较低，目前尚未见可调节电力与热水产量关系的太阳能综合利用方面的专利。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种与热电片结合的热管式光伏热水复合系统，该系统在提高光电转换效率和热水温度同时，提高了太阳能利用效率；辐照正常时可以提高热水温度或热水产量。

本发明的技术解决方案：一种与热电片结合的热管式光伏热水复合系统，包括：光伏热水模块、半导体双层换热联箱、光伏及电力控制系统、水箱；所述光伏热水模块由封装光伏电池片、重力式热管、隔热层、玻璃盖板和铝合金框架组成；重力式热管焊接于封装光伏电池片背部，隔热层置于封装光伏电池片下方，封装光伏电池片周围由玻璃盖板和铝合金框架固定和支撑；光伏热水模块产生的电能通过光伏及电力控制系统供半导体双层换热联箱中的热电片使用或用于用电设备，光伏热水模块产生的热量加热水箱中的水供生活使用；

所述的半导体双层换热联箱为可切换流通路径的双层结构，它包括三通阀、换热联箱隔热层、直接换热层、第一散热片、热电片、中间隔热层、第二散热片和半导体加热层；换热联箱隔热层为半导体双层换热联箱的外部隔热壳体；三通阀位于半导体双层换热联箱的进水口，控制水流流向直接换热层或者半导体加热层；直接换热层和半导体加热层被中间隔热层隔开，中间隔热层开有与热电片尺寸相当的孔，热电片嵌入孔中，热电片两边分别覆盖有第一散热片和第二散热片用于强化传热，第二散热片位于热电片的上面并与热电片相连，第一散热片位于热电片的下面并与热电片相连；

水箱中的水通过联箱入水管路进入双层换热联箱中，首先通过三通阀控制水经过直接换热层或半导体加热层流出；

当天气晴好时，三通阀使水流从直接换热层和半导体加热层同时通过，此时重力式热管带入双层换热联箱中的热量一部分通过第一散热片传递给通过直接换热层的水，另一部分通过热电片和第二散热片传递给通过半导体加热层的水，第一散热片和第二散热片同时向水中散热，增大了换热面积，强化了换热效果，经过加热的水经联箱出水管路流回水箱，水箱中的水温升高，同时重力式热管被冷却使封装光伏电池片温度降低，光伏转化效率被提高；当天气阴沉时，三通阀使水流仅从半导体加热层通过，热电片通电工作，与第一散热片接触的端面吸热而与第二散热片接触的端面放热，形成热泵效应，热泵效应使重力式热管带入半导体双层换热联箱的热量被迅速吸收，重力式热管被冷却，使封装光伏电池片温度降低，光伏效率提高；热电片将吸收的热量和电转化而来的热量传递给第二散热片，水流经过第二散热片时被加热，经联箱出水管路流回水箱。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用半导体双层换热联箱，半导体双层换热联箱为双层水流通道结构，热电片置于两加热层中间，其两个端面分别与第一散热片和第二散热片紧密接触。其不工作时，换热联箱与常规整板式光伏热水模块作用相同，可提高太阳能光电及光热转换效率，提高太阳能综合利用效率；当其工作时，通过其热泵效应使热水温度更高，热管温度更低，光电转换效率更高；

(2)本发明可通过三通阀门与热电片供电开关调节系统工作状态，调节电力输出与热水的产量关系；当输出全部为热水时，热水产量高于常规光伏热水模块或平板集热器(相同光照面积条件下)。

(3)本发明特别设计的两个散热片，解决了隔热层厚而热电片薄而引起的匹配问题；将热管直接插入散热片中，使热管直接和散热片充分接触，传热更为迅速，热电片工作时，便于将热量集中向其传递，热电片不工作时，热量从散热肋片直接传递给水，保持与常规光伏热水模块所用换热联箱同等的性能；此外，散热片翅片和凸起结构可根据工作状态分别向直接换热层水流和热电片传热，进一步强化传热效果。

(4)电力分配与供应灵活。整板式光伏热水模块输出的电力可直接供热电片使用，也可以储存或转化后供其它设备使用；热电片可用整板式光伏热水模块供电，也可用常规电源供电。当使用整板式光伏热水模块供电时，不需要交直流转换，供电模块结构简单，效率高。在电力供应不充分的地区使用优势明显，扩大了系统的应用范围。

(5)光伏及电力控制系统可根据天气、热电片表面温度、热水需求等情况控制热电片工作状态，调节电力和热水产量关系。

(6)本发明热电片体积小，热惯性小，启动速度快，没有最低功率限制，因此系统可以小型化，可以与建筑不同部位结合使建筑一体化。

附图说明

图1为本发明的剖面结构示意图；

图2为本发明的平面结构示意图；

图3为本发明中整板式光伏热水模块结构剖面示意图；

图4为本发明中半导体双层换热联箱纵切剖面示意图；

图5为本发明中半导体双层换热联箱横切剖面示意图；

图6为本发明中第一散热片示意图，其中a为纵切剖面示意图，b为横切剖面示意图，c为三维立体图。

具体实施方式

本发明所采用的热电片是利用珀尔贴效应实现的。电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两种材料的交界面处以热的形式吸收或放出。电流流过两种不同导体的界面时，因直流电通入的方向不同，将在界面相交处产生吸热和放热现象，称这种现象为珀尔帖效应。利用珀尔帖效应做的加热器(热泵)，因其能效比(COP)总是大于1的，因此用热电片做加热器是很有利的。本发明中利用珀尔帖效应对热管进行冷却以降低热管温度，提高光伏热水模块的光电和光热转化效率；释放的热量用于制取生活热水。

如图1、2、3所示，本发明的与热电片结合的热管式光伏热水复合系统包括：整板式光伏热水模块1、半导体双层换热联箱2、光伏及电力控制系统3和水箱41组成。

整板式光伏热水模块1主要部件为封装光伏电池片12和焊接于其背面的重力式热管13。封装光伏电池片12由光伏电池片、透明复合氟塑料膜(TPT)、乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)、吸热铝板通过层压而成。重力式热管13平行焊接于封装光伏电池片12背面，一端伸出整板式光伏热水模块1插入到双层换热联箱2中。重力式热管13下层是由绝热保温材料制成的隔热层14。整板式光伏热水模块1的周围由玻璃盖板11和铝合金框架15固定和支撑。整板式光伏热水模块1的作用是为半导体双层换热联箱2提供电力和热源。

如图1、2、4、5所示，半导体双层换热联箱2是本发明的主要创新部分，主要由三通阀21、换热联箱隔热层22、直接换热层23、第一散热片24、热电片25、中间隔热层26、第二散热片27和半导体加热层28组成。水箱中的水通过联箱入水管路42进入以换热联箱隔热层22作为壳体的双层换热联箱2中，首先通过三通阀21控制其流向直接换热层23或半导体加热层28。当天气晴好时，三通阀21使水流从直接换热层23和半导体加热层28同时通过，此时重力式热管13一部分通过第一散热片24给直接换热层23传递热量，另一部分通过热电片25和第二散热片27给半导体加热层28传递热量。第一散热片24和第二散热片27同时向水中散热，增大了换热面积，强化了换热效果。经过加热的水通过联箱出水管路43流回水箱41，水箱41中的水温度升高，同时热管被冷却使封装光伏电池片12温度降低，光伏转化效率被提高。当天气阴沉时，三通阀21使水流仅从半导体加热层28通过。热电片25通电工作，与第一散热片24接触的端面吸热而与第二散热片27接触的端面放热，形成热泵效应。热泵效应使重力式热管13带入半导体双层换热联箱2的热量被迅速吸收，重力式热管13被冷却，系统光伏效率提高；热电片25将吸收的热量和电转化而来的热量传递给第二散热片27。水流经过第二散热片27时被加热，经联箱出水管路43流回水箱41。与同时流经直接换热层23和半导体加热层28的工作模式相比，经过半导体加热层28的水流通过热泵效应获得更多的热量，可将水温升高更多。而天气阴沉时，常规太阳能光伏热水模块因温升较低，热管与水之间温差较小，热效率很低。经过热电片的热泵效应放大后的温差使传热得到强化，因此水温与太阳能光热转换效率都会升高。当天气晴好而热水需求也很高时，可使系统工作于半导体加热模式，获得比直接电加热更高的水温和热效率。

如图6所示，第一散热片24的结构由散热片翅片241、散热片基体242、热管插孔243和凸起结构244组成。散热片基体242由实心金属块制成，散热片基体242中间被掏空形成热管插孔243，散热片基体242周围与热管插孔243截面平行方向装有散热片翅片241；热管插孔243大小与重力式热管13端部尺寸相同，重力式热管13通过热管插孔243紧密连接，传热充分。凸起结构244为散热片基体242的一部分并与散热片翅片241各位于散热片基体242的一端，其截面尺寸大小与热电片25相同且同时嵌入中间隔热层26的孔中与热电片25相连，凸起结构244与热电片25厚度之和等于中间隔热层26的厚度，即保证了第一散热片24或第二散热片27与热电片25紧密接触以强化传热效果，又保证了中间隔热层26的厚度以确保其隔热效果。

如图2所示，光伏及电力控制系统3由控制逆变一体机31、半导体电源控制器32和蓄电池33组成。整板式光伏热水模块1生产的电力输送到控制逆变一体机31，控制逆变一体机31控制电力经逆变后输出，或输送至蓄电池33供储存或供直流电器使用，或通过半导体电源控制器32供热电片25使用。半导体电源控制器3可通过调节热电片25两端电压控制其工作状态：通常情况下控制热电片25工作于最佳效率状态，当需要快速得到热水时，可使热电片25工作于最大产冷量状态。

上述详细阐述了本发明的实现过程。对于未详细阐述的部分应属于本领域公知技术，本领域技术人员可以很容易实现。

Claims (3)

1.一种与热电片结合的热管式光伏热水复合系统，其特征在于包括：光伏热水模块（1）、半导体双层换热联箱（2）、光伏及电力控制系统（3）、水箱（41）；所述光伏热水模块（1）由封装光伏电池片（12）、重力式热管（13）、隔热层（14）、玻璃盖板（11）和铝合金框架（15）组成；重力式热管（13）焊接于封装光伏电池片（12）背部，隔热层（14）置于封装光伏电池片（12）下方，封装光伏电池片（12）周围由玻璃盖板（11）和铝合金框架（15）固定和支撑；光伏热水模块（1）产生的电能通过光伏及电力控制系统（3）供半导体双层换热联箱（2）中的热电片（25）使用或用于用电设备，光伏热水模块（1）产生的热量加热水箱（41）中的水供生活使用；

所述的半导体双层换热联箱（2）为可切换流通路径的双层结构，它包括三通阀（21）、换热联箱隔热层（22）、直接换热层（23）、第一散热片（24）、热电片（25）、中间隔热层（26）、第二散热片（27）和半导体加热层（28）；换热联箱隔热层（22）为半导体双层换热联箱（2）的外部隔热壳体；三通阀（21）位于半导体双层换热联箱（2）的进水口，控制水流流向直接换热层（23）或者半导体加热层（28）；直接换热层（23）和半导体加热层（28）被中间隔热层（26）隔开，中间隔热层（26）开有与热电片（25）尺寸相当的孔，热电片（25）嵌入孔中，热电片（25）两边分别覆盖有第一散热片（24）和第二散热片（27）用于强化传热，第二散热片（27）位于热电片（25）的上面并与热电片（25）相连，第一散热片（24）位于热电片（25）的下面并与热电片（25）相连；

水箱（41）中的水通过联箱入水管路（42）进入双层换热联箱（2）中，首先通过三通阀（21）控制水由直接换热层（23）或半导体加热层（28）流出；

当天气晴好时，三通阀（21）使水流从直接换热层（23）和半导体加热层（28）同时通过，此时重力式热管（13）带入双层换热联箱中的热量一部分通过第一散热片（24）传递给通过直接换热层（23）的水，另一部分通过热电片（25）和第二散热片（27）传递给通过半导体加热层（28）的水，第一散热片（24）和第二散热片（27）同时向水中散热，增大了换热面积，强化了换热效果，经过加热的水经联箱出水管路（43）流回水箱（41），水箱（41）中的水温升高，同时重力式热管（13）被冷却使封装光伏电池片（12）温度降低，光伏转化效率被提高；当天气阴沉时，三通阀（21）使水流仅从半导体加热层（28）通过，热电片（25）通电工作，与第一散热片（24）接触的端面吸热而与第二散热片（27）接触的端面放热，形成热泵效应，热泵效应使重力式热管（13）带入半导体双层换热联箱（2）的热量被迅速吸收，重力式热管（13）被冷却，使封装光伏电池片（12）温度降低，光伏效率提高；热电片（25）将吸收的热量和电转化而来的热量传递给第二散热片（27），水流经过第二散热片（27）时被加热，经联箱出水管路（43）流回水箱（41）。

2.根据权利要求1所述的与热电片结合的热管式光伏热水复合系统，其特征在于：所述第一散热片（24）由散热片翅片（241）、散热片基体（242）、热管插孔（243）和凸起结构（244）组成；散热片基体（242）由实心金属块制成，散热片基体（242）中间被掏空形成热管插孔（243），散热片基体（242）周围与热管插孔（243）截面平行方向装有散热片翅片（241）；热管插孔（243）大小与重力式热管（13）端部尺寸相同，重力式热管（13）通过热管插孔（243）紧密连接，传热充分；凸起结构（244）为散热片基体（242）的一部分并与散热片翅片（241）各位于散热片基体（242）的一端，凸起结构（244）即保证了第一散热片（24）与热电片（25）紧密接触，又保证了中间隔热层（26）的厚度以确保其隔热效果；所述第二散热片（27）结构为翅片方向平行的常规散热片。

3.根据权利要求1所述的与热电片结合的热管式光伏热水复合系统，其特征在于：所述光伏及电力控制系统（3）由控制逆变一体机（31）、半导体电源控制器（32）、蓄电池（33）组成；光伏热水模块（1）生产的电力输送到控制逆变一体机（31），控制逆变一体机（31）控制电力经逆变后输出，或输送至蓄电池（33）供储存或供直流电器使用，或通过半导体电源控制器（32）供热电片（25）使用；半导体电源控制器（32）可通过调节热电片（25）两端电压控制其工作状态：通常情况下控制热电片（25）工作于最佳效率状态，当需要快速得到热水时，可使热电片（25）工作于最大产冷量状态。

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