CN103162465A - 太阳能供能系统 - Google Patents

Abstract

一种太阳能供能系统，包括：用于吸收太阳能以产生电能和第一品位热能的光伏电热联用模块(1)；用于将光伏电热联用模块(1)输出的低品位热能提升为能量品位高于第一品位热能的第二品位热能的能量品位提升模块(2)；系统耦合模块(3)，用于对光伏电热联用模块(1)和/或能量品位提升模块(2)输出的热能进行能量载体转换和/或能量品位提升以及存储；和建筑供能模块(4)，用于利用系统耦合模块(3)存储的热能对建筑供能。根据本发明的太阳能供能系统能够提高太阳能的综合利用率，扩展了太阳能的利用范围和利用方式。

Description

太阳能供能系统

技术领域

本发明涉及一种太阳能供能系统，特别设计一种能够利用太阳能对建筑系统供电、供热和制冷的综合型太阳能供能系统。

背景技术

传统建筑中，夏季供冷系统是由以中央空调或小型单体空调系统为输出端，以电力为系统运行动力的压缩式制冷机组组成。近些年来，随着人们对能源使用认知程度的提高，节能减排的意识增强，一系列更为节能降耗的制冷及供冷技术得以不断推广，例如热泵制冷系统、(余热或废热)吸收/吸附式制冷系统等。然而，这些制冷系统不同程度上存在如下问题：(1)能量品位的要求较高，对低品位能无法利用或利用效率较低，例如需要电力驱动的压缩式制冷、吸收/吸附制冷热源温度一般至少在80到90℃，那么低于该温度的低品位能就不能利用；(2)多种系统的结合存在若干问题，例如大多数的制冷系统仅重视解决制冷系统本身的问题，而未针对制冷驱动源或与之相关的系统进行综合的性能分析和改进。这里提到的能量品位是指从能量的质量角度来衡量能量可利用程度的一个相对量，在衡量时可从利用率和温度来对比，如电为高品位能(100％转化成热)，热量则相对于环境温度而言，如500度以上可认为是高品位，100度以下则为低品位。

传统的光伏电池板发电系统随着光照时间的持续和发电工作的进行，电池板温度不断上升，电池板的发电效率不断降低。为了提高电池板的发电效率，目前主要通过循环水冷、空气冷却、相变介质冷却等方式来降低电池板温度，提高太阳能利用效率，即所谓的光伏电热联用。但是，光伏电热联用产生的低温水(夏季水温约50到60度，冬季更低)、低温相变介质等在夏季根本无法有效的利用，不仅导致太阳能产生的热白白浪费，反而可能增加制冷系统或建筑的负担，从而使得太阳能综合利用效率降低。

目前，现有的太阳能利用系统中没有对光伏电热联用系统的能量利用效率提出改进的技术，特别是没有对光伏电热联用所直接或间接产生的低温热水的夏季处理问题上提出任何可行的解决方案或设备，也没有对光伏电热联用系统与其他建筑供能系统的结合和综合利用方面提出任何系统方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种太阳能供能系统，该系统通过向光伏电热联用模块中引入太阳能陶瓷集热器，在降低电池板温度，提高太阳能利用效率的同时，实现对光伏电热联用直接或间接产生的低温水的温度提升，从而满足对建筑夏季供冷和冬季供暖的需求。

根据本发明的一个方面，提供了一种太阳能供能系统，包括：光伏电热联用模块1，用于吸收太阳能以产生电能和第一品位热能；能量品位提升模块2，用于将光伏电热联用模块1输出的第一品位热能提升为能量品位高于第一品位热能的第二品位热能；系统耦合模块3，用于对光伏电热联用模块1和/或能量品位提升模块2输出的热能进行能量载体转换和/或能量品位提升以及能量存储；和建筑供能模块4，用于利用系统耦合模块3存储的热能对建筑供能。

其中，所述系统耦合模块3包括：蓄热箱304，用于吸收并存储来自能量品位提升模块2的第二品位热能；辅助加热器302，当三通阀303接通蓄热箱304与辅助加热器302时，辅助加热器302对蓄热箱304中的传热工质进行加热以提升其能量品位；和三通阀303，用于在蓄热箱304与能量品位提升模块2接通或与辅助加热器302接通这两个状态之间切换。

可选的，当能量品位提升模块2与系统耦合模块3中的传热工质不同时，所述系统耦合模块3还包括连接在能量品位提升模块2与辅助加热器302之间的热交换器301，该热交换器301用于将能量品位提升模块2输出的传热工质中的热能转换到系统耦合模块3中的另一传热工质中。

可选的，当光伏电热联用模块1与能量品位提升模块2中的传热工质不同时，所述系统耦合模块3还包括连接在光伏电热联用模块1与能量品位提升模块2之间的热交换器300，该热交换器300用于将光伏电热联用模块1输出的传热工质中的热能转换到能量品位提升模块2中的另一传热工质中。

其中，所述光伏电热联用模块1包括：光伏发电模块101，用于吸收太阳能以产生电能用于建筑内设备供电或并入市电网络；和光热转换模块102，用于吸收光伏发电模块101在吸收太阳能过程附带产生的热量。

优选的，所述能量品位提升模块2是陶瓷集热器。

其中，所述建筑供能模块4对建筑供能包括供热和/或制冷。

其中，所述建筑供能模块4包括地板采暖系统、单效吸收/吸附式制冷系统、双效吸收式制冷机组或生活热水系统。

根据本发明的太阳能供能系统，其具有下述显著的技术效果。

(1)由于能高效的冷却光伏电热联用模块的温度，从而能提高光伏发电效率，并提高太阳能综合利用率。

(2)采用太阳能陶瓷集热器提升光伏电热联用系统产生的低品位能，可以根据各种实际需要将该低品位能提升不同的能量品位，从而大大提高了太阳能的利用率，扩展了太阳能的利用范围和利用方式。

(3)本发明的系统耦合模块提高了系统的能源利用率，降低了系统本身所产生的能耗。太阳能光伏电热联用技术、集热技术以及绿色节能技术有机的结合，使得整套太阳能利用系统模块化、一体化。

附图说明

图1显示了本发明的太阳能供能系统的结构示意图；

图2显示了本发明一优选实施例的太阳能供能系统的结构示意图；

图3显示了本发明另一实施例的太阳能供能系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1显示了本发明的太阳能供能系统的结构示意图。

如图所示，本发明的太阳能供能系统包括光伏电热联用模块1、能量品位提升模块2、建筑供能模块4以及系统耦合模块3。其中，光伏电热联用模块1、能量品位提升模块2和建筑供能模块4均可以独立运行以实现各自的功能，也可以通过系统耦合模块3耦合成一个综合的太阳能供能系统。

光伏电热联用模块1用于吸收太阳能以产生电能，以及附带产生第一品位热能，其主要包括光伏发电模块和光热转换模块。光伏电热联用模块是利用光伏发电技术及热利用装置相结合以实现发电发热双重目的的一种太阳能利用系统。光伏电热联用模块1既能为电网提供电力以供建筑供能需求，又能提高光伏电池板的发电效率，提高系统对太阳能的综合利用效率，以相对较少的回收期进行系统成本回收。太阳能光热转换模块产生的热能以传热工质为载体传输给本发明的其他模块。

能量品位提升模块2用于将光伏电热联用模块1输出的低品位热能(例如低温传热工质)提升为高品位热能，例如温度较高的传热工质，如液态水或蒸气等。在本发明的太阳能供能系统中，能量品位提升模块2接收光伏电热联用模块1在发电过程中产生的第一品位热能，利用自身产生的热能将该低品位能提升为第二品位热能，然后通过系统耦合模块3输出给建筑供能模块4，从而对建筑系统供能。

在本发明的实施例中，能量品位提升模块2实施为吸收太阳能以产生热能的太阳能陶瓷集热器。太阳能陶瓷集热器是一种优异的太阳能集热体，黑色瓷质材料具有陶瓷的通用属性，黑瓷表面的阳光吸收率和热效率很高并且不会衰减。太阳能陶瓷集热器可以直接或间接对产生的低温热水(约50-60℃)进行能量品位提升以供夏季吸收/吸附式制冷系统和冬季地板采暖系统/热泵系统高效运行的需要，从而实现对建筑的冷热负荷供应需求。例如，在夏日晴天，采用闷晒方式，每平方米的黑瓷表面可以将17千克17℃自来水加热到100℃以上。

建筑供能模块4用于给建筑供热或供冷，主要包括用于夏季制冷的吸收/吸附式制冷和用于冬季供暖的地板采暖/热泵系统。该模块根据前面的模块输出的能量品位，在该模块中输入所采用的匹配的制冷/供暖方式和制冷/供暖系统模型参数，可以输出为通过风机盘管/辐射采暖等输出端输出的冷热负荷，从而实现对建筑的夏季供冷冬季供暖需求。

系统耦合模块3用于将光伏电热联用光伏电热联用模块1和/或能量品位提升模块2输出的热能进行处理和存储，然后输出给建筑供能模块4使用。具体来说，系统耦合模块3根据前述两个模块的输出能量形式、品位以及各模块的内在参数设置等，对输出的能量进行能量载体转换、能量品位辅助提升、能量存储等处理，转换成适合建筑供能模块4使用的能量载体和能量品位。例如，在供暖模式下，如果光伏电热联用模块1或能量品位提升模块2输出的能量品位偏低，不能满足建筑供能模块4的需要，则系统耦合模块3通过辅助加热实现能量的辅助提升，然后输出给建筑供能模块4；如果光伏电热联用模块1或能量品位提升模块2输出的能量品位偏高以至于超过建筑供能模块4的需要，则系统耦合模块3将部分能量存储起来，在需要时输出给模块3使用，这样可以充分利用过剩能量，减少能量浪费。又例如，在制冷模式下，建筑供能模块4中的制冷系统会产生大量热量，系统耦合模块3接收并存储这部分热量，进而用于提供生活热水等用途。

图2显示了本发明一优选实施例的太阳能供能系统的结构示意图。

在图2所示实施例中，能量品位提升模块2与系统耦合模块3中的传热工质不同，因而能量品位提升模块2的输出不能直接连接到系统耦合模块3的输入。光伏电热联用模块1包括光伏发电模块101和光热转换模块102。

光伏发电模块101用于吸收太阳能以产生电能用于建筑内设备供电需求，多余的电量也可并入市电网络。光伏发电模块可以根据实际应用情况选择合适材料的光伏电池板实现。例如，可以根据年均辐射度、气候条件、系统成本需要、设计要求等，选择适合的光伏电池板材料(如单晶硅、多晶硅、复合材料、硅基薄膜等)。不同材料的光伏电池板的发电效率不同，因此可以从成本、寿命、性价比等方面综合考虑光伏电池板的材料选择。另外，光伏电池板的尺寸、规格等也可以根据实际的安装情况确定。

光热转换模块102产生的热能主要以传热工质为载体储存。其作用主要包括：1)吸收光伏发电模块101在吸收太阳能过程附带产生的热量，以及收集太阳光的透射部分产生热量；2)通过前述吸热作用，降低光伏电池板的温度，提高光伏电池的发电效率。光热转换模块产生的热量可以有多种热利用方式，例如水冷式、相变介质、导热介质等。如图2所示，光热转换模块产生的热量通过传热工质输出给后面的能量品位提升模块2。

在一个优选实施例中，可以采用液冷模型的光伏电热联用模块。液冷模型是通过换热管内工质的流动以及换热管与热空气的对流换热和导热实现光伏电池板与换热管之间的热交换。换热管上通常焊接或胀接有不同类型的翅片，如平板型、波纹形、折皱型等，用于增加换热面积，使更多的热量为换热管内的流动工质所吸收。

由于光热转换模块产生的热的品位较低，需经过提升后才能适合于现有建筑供能系统的需要，因此本发明的太阳能供能系统要将这些低品位热载体通过能量品位提升模块2再次提升，并通过换热器的热交换作用，产生高温热水或蒸汽，然后利用这些高品位热与建筑供能系统结合，实现对建筑的夏季供冷和冬季供热。

能量品位提升模块2在本实施例中主要采用陶瓷集热器201作为集热元件，例如黑陶瓷复合陶瓷太阳能板或陶瓷镀膜板。陶瓷集热器201用来对光伏电热联用产生的低品位热进行能量品位提升，以适应后续吸收/吸附式制冷系统的输入能要求。例如，光伏电热联用模块1产生的低温热水(例如50℃左右)不能适用于单效吸收式制冷或吸附式制冷，陶瓷集热器201将该低温热水的温度提升(例如提升到100℃左右)，从而可以充分利用该低温热水中的低品位能量，此时系统COP在0.7以下。实际使用中，可以根据建筑用能系统的特点进行温度和流量的控制。

在本实施例中，采用提钒尾渣为原料之一生产的黑色陶瓷制品，具有较低的生产制作成本、较高的太阳光吸收比、较低的性能衰减性，而且与建筑一体化结合时具有很好的结合度和适应性。但是，本发明不限制于此，能量品位提升模块2的集热装置的选型和设计可以根据建筑的负荷要求、冷热水的需求以及各个系统之间的关联进行选择。例如，首先确定建筑的负荷情况和建筑的可用地面积及环境条件，然后根据用能情况建立系统的整个供能方式，进而选择和设计确定机组的类型、容量，集热装置的铺设面积及铺设方式等。

本实施例中的系统耦合模块3连接在能量品位提升模块2和建筑供能模块之间，包括热交换器301、辅助加热器302、三通阀303和蓄热箱304。

热交换器301连接到能量品位提升模块2的输出端，用于将能量品位提升模块2输出的传热工质中的热能即第二品位热能转换到系统耦合模块3中的另一传热工质中。本实施例中，热交换器301主要用于将热能在不同类型的传热工质之间转换，因而系统耦合模块3可以使用与光伏电热联用模块1和/或能量品位提升模块2不同的传热工质。

在其他实施例中，如果系统耦合模块3与能量品位提升模块2使用的传热工质相同(例如均采用水)，则可以省略该热交换器301。

辅助加热器302并联连接在热交换器301两端，用于对能量品位提升模块2输出的传热工质进行再次加热。具体来说，当光伏电热联用模块1和/或能量品位提升模块2输出的热能品味较低不能满足要求时，可以临时性的连通辅助加热器302进行加热，温度达到要求后断开辅助加热器302；当光伏电热联用模块1和/或能量品位提升模块2输出的热能品味非常低时，则持续的连通辅助加热器302进行加热，此时，系统主要依赖辅助加热器302提供热能。这样，当在阴雨天或光照强度不足时，辅助加热器可以用来补充系统不足的热量，起到辅助加热的作用。辅助加热器可以采用锅炉加热、市政管网、电加热等形式。

蓄热箱304用于吸收并存储来自热交换器301的传热工质中的热量。在一个优选实施例中，蓄热箱304将吸收来的热量以热水形式存储起来，输出给建筑供能模块4使用。在不使用热交换器301的情况下，蓄热箱304可以直接吸收来自能量品位提升模块2的传热工质中的热量。

三通阀303连接在辅助加热器302的输入端，用于控制辅助加热器302的接通和断开。例如，当不需要进行辅助加热时，三通阀303将热交换器301与蓄热箱304接通，以便二者进行热交换；当需要进行辅助加热时，三通阀303将辅助加热器302与蓄热箱304接通，以便辅助加热器302对蓄热箱304中的热水进行辅助加热以进一步提升其能量品位，使其温度达到建筑供能模块4的使用要求。

本实施例的系统耦合模块3可以根据实际使用需要对能量品位提升模块2产生的热水进行调整。例如，夏季产生的热量过多，可以将多余的热量(以热水形式)储存到蓄热箱304中，供其他用能时段使用；如果冬季或其他时段产生的热量不足，则可以开启辅助加热装置对蓄热箱304中水进行辅助加热。上述切换过程可以通过三通阀303进行调节和控制。

建筑供能模块4与蓄热箱304结合构成热循环系统，利用蓄热箱304中的热水给建筑供热或制冷。例如，如果太阳能陶瓷集热模块产生的热水温度在60℃左右，则可以将该热水供应给地板采暖系统使用；如果产生的热水温度达到90℃左右，则可以将其与单效吸收/吸附式制冷机组结合，此时系统COP(Coefficient of performance，性能系数，制冷系统中制冷量和耗电量的比值)在大约0.7到大约1.0之间；如果产生的热水温度达到120℃左右，则可以将其与双效吸收式制冷机组结合，此时系统COP在1.0以上。当然，也可根据实际使用条件将太阳能陶瓷集热模块产生的热水与热泵系统结合，通过对能量品位的再次提升，实现对建筑的其他供能要求，例如生活热水。

如图2所示，热交换器301的输入侧换热片与光伏电热联用模块1和能量品位提升模块2串联连接形成热循环回路，经热交换后能量品位降低的传热工质回流到光伏电热联用模块1(例如光热转换模块102)中，吸收该模块产生的热量。另一方面，热交换器301的输出侧换热片与蓄热箱304串联连接形成热循环回路，输出侧换热片输出的热量输入并存储在蓄热箱304中，蓄热箱304中被建筑供能模块4吸收热能后能量品位降低的传热工质回流到热交换器301的输出侧换热片被加热以提升能量品位。另外，三通阀303在需要时接通辅助加热器302，对蓄热箱304中的传热工质进行辅助加热，以达到建筑供能模块4可以利用的能量品位。

图3显示了本发明另一实施例的太阳能供能系统的结构示意图。

图3所示实施例与图2的实施例大部分特征相同，因此将省略类似部件的描述，而着重阐述二者的不同点。

如图3所示，本实施例中的光伏电热联用模块1与能量品位提升模块2中的传热工质不同，因而光伏电热联用模块1的光热转换模块输出的热能通过热交换器300把能量输出，以作为能量品位提升模块2的输入能。不直接连接到能量品位提升模块2的输入，而是需要经过系统耦合模块3的热交换器300连接到能量品位提升模块2。这种情况下，能量品位提升模块2可以采用与系统耦合模块3的蓄热箱304中相同的传热工质，例如均采用水。

在该实施例中，如图3所示，热交换器300的输入侧换热片与光伏电热联用模块1串联连接形成热循环回路，经热交换后能量品位降低的传热工质回流到光伏电热联用模块1(例如光热转换模块102)中，吸收该模块产生的热量。另一方面，热交换器300的输出侧换热片与能量品位提升模块2和蓄热箱304串联连接形成热循环回路，输出侧换热片输出的热能经能量品位提升模块2后提升能量品位，然后输入并存储在蓄热箱304中，蓄热箱304中被建筑供能模块4吸收热能后能量品位降低的传热工质回流到热交换器300的输出侧换热片被加热以提升能量品位。另外，三通阀303在需要时接通辅助加热器302，对蓄热箱304中的传热工质进行辅助加热，以达到建筑供能模块4可以利用的能量品位。

本实施例适用于在光伏电热联用模块中采用其他液态工质，如制冷剂、相变介质、高比热容溶液等。这样，可以扩大光伏电热联用系统的选材范围，降低系统成本。

如上所述，本发明旨在保护一种太阳能供能系统，其具有下述显著的技术效果。

(1)由于能高效的冷却光伏电热联用模块的温度，从而能提高光伏发电效率，并提高太阳能综合利用率。

(2)采用太阳能陶瓷集热器提升光伏电热联用系统产生的低品位能，可以根据各种实际需要将该低品位能提升不同的能量品位，从而大大提高了太阳能的利用率，扩展了太阳能的利用范围和利用方式。

(3)本发明的系统耦合模块提高了系统的能源利用率，降低了系统本身所产生的能耗。太阳能光伏电热联用技术、集热技术以及绿色节能技术有机的结合，使得整套太阳能利用系统模块化、一体化。

例如，在一个优选实施例中，本发明的太阳能供能系统可以实现冷热电的综合供应，硅基薄膜太阳能发电效率8％，光伏电热联用设备或系统的热效率50％，黑陶瓷太阳能集热器效率93％，综合热效率46.5％，提供热水温度90～100℃，制冷COP为0.7，与传统的太阳能空调系统相比，启动速度快，热利用效率高。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (8)

1.一种太阳能供能系统，包括：

光伏电热联用模块(1)，用于吸收太阳能以产生电能和第一品位热能；

能量品位提升模块(2)，用于将光伏电热联用模块(1)输出的第一品位热能提升为能量品位高于第一品位热能的第二品位热能；

系统耦合模块(3)，用于对光伏电热联用模块(1)和/或能量品位提升模块(2)输出的热能进行能量载体转换和能量存储；和

建筑供能模块(4)，用于利用系统耦合模块(3)存储的热能对建筑供能。

2.根据权利要求1所述的太阳能供能系统，所述系统耦合模块(3)包括：

蓄热箱(304)，用于吸收并存储来自能量品位提升模块(2)输出的第二品位热能；

辅助加热器(302)，当三通阀(303)接通蓄热箱(304)与辅助加热器(302)时，辅助加热器(302)对蓄热箱(304)中的传热工质进行加热以提升其能量品位；和

三通阀(303)，用于在蓄热箱(304)与能量品位提升模块(2)接通或与辅助加热器(302)接通这两个状态之间切换。

3.根据权利要求1所述的太阳能供能系统，当能量品位提升模块(2)与系统耦合模块(3)中的传热工质不同时，所述系统耦合模块(3)还包括连接在能量品位提升模块(2)与辅助加热器(302)之间的热交换器(301)，该热交换器(301)用于将能量品位提升模块(2)输出的第二品位热能转换到系统耦合模块(3)中的另一传热工质中。

4.根据权利要求1所述的太阳能供能系统，当光伏电热联用模块(1)与能量品位提升模块(2)中的传热工质不同时，所述系统耦合模块(3)还包括连接在光伏电热联用模块(1)与能量品位提升模块(2)之间的热交换器(300)，该热交换器(300)用于将光伏电热联用模块(1)输出的第一品位热能转换到能量品位提升模块(2)中的另一传热工质中。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的太阳能供能系统，所述光伏电热联用模块(1)包括：

光伏发电模块(101)，用于吸收太阳能以产生电能，用于建筑内设备供电或并入市电网络；和

光热转换模块(102)，用于吸收光伏发电模块(101)在吸收太阳能过程附带产生的热量。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的太阳能供能系统，所述能量品位提升模块(2)是陶瓷集热器。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的太阳能供能系统，所述建筑供能模块(4)对建筑供能包括供热和/或制冷。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的太阳能供能系统，所述建筑供能模块(4)包括地板采暖系统、单效吸收/吸附式制冷系统、双效吸收式制冷机组或生活热水系统。

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