CN104065338B - 一种太阳能电池冷却液防冻与热利用装置及方法 - Google Patents

一种太阳能电池冷却液防冻与热利用装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种太阳能电池冷却液防冻与热利用装置及方法，该装置包括太阳能电池（1）、太阳能电池冷却器（2）、温度探头（7）、辐射末端（6）、锅炉（5）、工质泵（4）以及储液罐（3），通过设置阀门控制该装置在低品位热利用模式、补热模式和太阳能电池冷却液防冻模式下进行工作，在不利用防冻液的前提下，当室外温度低于冷却液凝固点时，控制系统会切断通入太阳能电池冷却器中的冷却液，防止冷却液结冻。该装置有效的利用光电板产生的低品位热能，降低光电板的温度，提高光电板的发电效率。同时解决了在没有防冻液的前提下，低温情况光电板冷却器中冷却液结冻问题。

Description

一种太阳能电池冷却液防冻与热利用装置及方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池及暖通空调领域，具体涉及一种太阳能电池冷却液防冻与热利用装置及方法。
背景技术
太阳能热电联产系统中采用光伏电池和太阳能热水器相结合的方式实现，其中，普通光伏电池组件的转换效率一般约为5—18%，剩下的太阳辐射能则转化成热能散失到环境中；且当光伏电池组件的工作温度逐渐升高后，其光电转换效率降低，并且影响电池堆的使用寿命；若及时将光伏电池冷却，不仅能有效利用转换过程所产生的余热，而且可提高光电转换效率，从而提高单位面积的太阳能综合利用效率。
目前国内外的中低温光电光热技术品种繁多，按照冷却光伏电池的方法主要可分为风冷式和液冷式两种：风冷式光电光热技术一般是通过自然对流或者辅助机械通风利用室外空气对光伏电池进行冷却；液冷式光电光热技术一般是在常规太阳能集热器的基础上，贴敷上一层光伏电池实现热电联供。
针对液冷式光电光热技术，也有学者采用在太阳能电池板背部设置高效换热器的方法。但这种方法得到换热器的出口温度较低，属于低品位热能，再加上太阳能是一种不连续、不稳定的能源。因此对这部分低品位热能的利用是个难题。
无论采用何种形式的液冷式光电光热技术，都避免不了使用液体工质作为传热工质。在极端气候的条件下，一些液体工质，例如水，会面临结冻的危险，严重时可能破坏太阳能电池板背部的冷却装置。为了防止结冻，大多数的做法是添加防冻液。这种做法虽然解决了结冻的问题，但是增加了产品的成本，而且还需要经常检查防冻液是否足量。
因此研发一种在不利用防冻液的前提下，通过改造系统结构的方法来防止太阳能电池板冷却器中冷却液结冻和持续稳定地利用太阳能电池背部换热器中低品位热量的装置势在必行，经检索相关文献，未发现与本发明技术方案相同的太阳能电池冷却液防冻与热利用装置。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种太阳能电池冷却液防冻与热利用装置及方法，解决了在极端天气情况下以及不利用防冻液的前提下，太阳能电池冷却液结冻问题；并能够对太阳能电池背部换热器中低品位热能持续、稳定的利用。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明太阳能电池冷却液防冻与热利用装置包括太阳能电池、太阳能电池冷却器、温度探头、辐射末端、锅炉、工质泵以及储液罐；其特征在于：所述的太阳能电池冷却器位于所述太阳能电池的背面；所述温度探头设置于所述太阳能电池冷却器出口2b处；所述太阳能电池冷却器出口2b与所述辐射末端的入口6a连接，所述辐射末端的出口6b与所述锅炉入口5b连接；所述锅炉出口5a与工质泵的入口连接，所述工质泵的出口与储液罐的3b端连接；所述储液罐的3a端与所述太阳能电池冷却器的入口2a连接。
在储液罐的顶部设置排气管，且在排气管上设置有排气阀V-4；在所述温度探头与所述辐射末端的入口6a之间依次设置有排气阀V-5和电动阀门V-2；在所述工质泵的出口与储液罐的3b端之间设置有电动阀门V-1；在电动阀门V-2与辐射末端的入口6a间取任一点m，在电动阀门V-1与工质泵出口间取任一点n，在点m和n之间设置管道，并在管道上设置电动阀门V-3；所述储液罐的高度小于太阳能电池的高度。
当温度探头采集到太阳能电池冷却器中的温度大于等于辐射末端温度值时，电动阀门V-2、电动阀门V-1开启，电动阀门V-3、排气阀V-4、排气阀V-5关闭，锅炉不进行工作；当温度探头检测到太阳能电池冷却器中的温度大于冷却液凝固临界值a且小于辐射末端温度值时，电动阀门V-2、电动阀门V-1开启，电动阀门V-3、排气阀V-4、排气阀V-5关闭，锅炉进行工作；当温度探头感受到太阳能电池冷却器中的温度小于等于冷却液凝固临界值a时，电动阀门V-2、电动阀门V-1关闭，电动阀门V-3、排气阀V-4、排气阀V-5开启，锅炉进行工作。
进一步地，装置中使用的冷却液为水或有机溶液。
进一步地，其特征在于：太阳能电池板为晶硅太阳能电池或者薄膜太阳能电池。
具体的，本发明太阳能电池冷却液防冻与热利用方法包括：
当温度探头感受到太阳能电池冷却器中的温度大于等于供热温度值时，电动阀门V-2、电动阀门V-1开启，电动阀门V-3、排气阀V-4、排气阀V-5关闭，锅炉不进行工作，太阳能电池冷却器中的热量单独进行循环供热形成低品位热利用模式。若当温度探头检测到的温度高于太阳能电池发电效率临界值b时，增加工质泵的转速，装置中循环工质的流量增加，使太阳能电池冷却器出口的温度降低。
当温度探头检测到太阳能电池冷却器中的温度大于冷却液凝固临界值a且小于供热温度值时，电动阀门V-2、电动阀门V-1开启，电动阀门V-3、排气阀V-4、排气阀V-5关闭，锅炉进行工作，使锅炉的热量和太阳能电池冷却器的热量进行联合循环供热形成补热模式。
当温度探头感受到太阳能电池冷却器中的温度小于等于冷却液凝固临界值a时，电动阀门V-2、电动阀门V-1关闭，电动阀门V-3、排气阀V-4、排气阀V-5开启，锅炉进行工作，锅炉的热量单独进行室内供热；同时，太阳能电池冷却器中的冷却液流入储液罐中，避免冷却液结冻形成太阳能电池冷却液防冻模式。
其中，太阳能电池发电效率临界值b根据太阳能电池冷却器的换热性能确定，一般情况可以取30℃到35℃；冷却液凝固临界值a根据冷却液的种类进行选择，一般要比冷却液的凝固点高1℃到2℃。例如：用水作冷却液，临界值a可以取1℃。
与现有技术相比，本发明达到的有益效果是：
1）、在当室外温度过低时，太阳能冷却器中的冷却液有结冻的危险，这时把太阳能冷却器中的冷却液收集到室内的储液罐中，这样不但解决了太阳能冷却器中冷却液的结冻问题，而且没有使用防冻剂，整套系统也不是很复杂，节约了成本；
2）、太阳能电池冷却器收集的太阳能电池发热量通过毛细辐射末端向室内供热，当太阳能冷却器集热量不足时可以利用锅炉进行补热。这样实现了对低品位热能的充分利用，而且供热量持续稳定，节约了能源；
3）、通过收集太阳能电池的发热量对建筑进行供热，约建筑供暖成本，减少二氧化碳的排放量。
4）、这种热电联产的供热模式，即解决了建筑的供电需求同时充分利用低品位热能，降低了建筑的能耗。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图。
图中：1、太阳能电池，2、太阳能电池冷却器，3、储液罐，4、工质泵，5、锅炉，6、辐射末端，7、温度探头。
具体实施方式
下面结合附图1，通过具体实施方式对本发明作进一步描述。
本发明太阳能电池冷却液防冻与热利用装置包括太阳能电池1、太阳能电池冷却器2、温度探头7、辐射末端6、锅炉5、工质泵4以及储液罐3；所述的太阳能电池冷却器2位于所述太阳能电池1的背面；所述温度探头7设置于所述太阳能电池冷却器2出口2b处；所述太阳能电池冷却器2出口2b与所述辐射末端6的入口6a连接，所述辐射末端6的出口6b与所述锅炉5入口5b连接；所述锅炉5出口5a与工质泵4的入口连接，所述工质泵4的出口与储液罐3的3b端连接；所述储液罐3的3a端与所述太阳能电池冷却器2的入口2a连接；
在储液罐3的顶部设置排气管，且在排气管上设置有排气阀V-4；在所述温度探头7与所述辐射末端6的入口6a之间依次设置有排气阀V-5和电动阀门V-2；在所述工质泵4的出口与储液罐3的3b端之间设置有电动阀门V-1；在电动阀门V-2与辐射末端6的入口6a间取任一点m，在电动阀门V-1与工质泵4出口间取任一点n，在点m和n之间设置管道，并在管道上设置电动阀门V-3；所述储液罐3的高度小于太阳能电池1的高度。
当温度探头7采集到太阳能电池冷却器2中的温度大于等于辐射末端6温度值时，电动阀门V-2、电动阀门V-1开启，电动阀门V-3、排气阀V-4、排气阀V-5关闭，锅炉5不进行工作；当温度探头7检测到太阳能电池冷却器2中的温度大于冷却液凝固临界值a且小于辐射末端6温度值时，电动阀门V-2、电动阀门V-1开启，电动阀门V-3、排气阀V-4、排气阀V-5关闭，锅炉5进行工作；当温度探头7感受到太阳能电池冷却器2中的温度小于等于冷却液凝固临界值a时，电动阀门V-2、电动阀门V-1关闭，电动阀门V-3、排气阀V-4、排气阀V-5开启，锅炉5进行工作。
装置中使用的冷却液为水或有机溶液,例如乙酸乙酯、二氯甲烷等。
太阳能电池板1为晶硅太阳能电池或者薄膜太阳能电池，例如砷化镓薄膜电池、铜铟硒薄膜电池、碲化镉薄膜电池等。
储液罐3进行保温。储液罐3置于室内，锅炉的补热量以满足室内温度的需求。具体地，本发明太阳能电池冷却液防冻与热利用方法包括：
当温度探头7感受到太阳能电池冷却器2中的温度大于等于供热温度值时，电动阀门V-2、电动阀门V-1开启，电动阀门V-3、排气阀V-4、排气阀V-5关闭，锅炉5不进行工作，太阳能电池冷却器2中的热量单独进行循环供热形成低品位热利用模式。若当温度探头7检测到的温度高于太阳能电池发电效率临界值b时，增加工质泵4的转速，装置中循环工质的流量增加，使太阳能电池冷却器2出口的温度降低。
当温度探头7检测到太阳能电池冷却器2中的温度大于冷却液凝固临界值a且小于供热温度值时，电动阀门V-2、电动阀门V-1开启，电动阀门V-3、排气阀V-4、排气阀V-5关闭，锅炉5进行工作，使锅炉5的热量和太阳能电池冷却器2的热量进行联合循环供热形成补热模式。锅炉5的加热量确保从太阳能电池冷却器2出口温度，即温度探头7的温度值，不能大于供热温度设定值。这样既保证太阳能电池1的发电效率不会降低，又满足供热温度的需求。
当温度探头7感受到太阳能电池冷却器2中的温度小于等于冷却液凝固临界值a时，电动阀门V-2、电动阀门V-1关闭，电动阀门V-3、排气阀V-4、排气阀V-5开启，锅炉5进行工作，锅炉5的热量单独进行室内供热；同时，太阳能电池冷却器2中的冷却液流入储液罐3中，避免冷却液结冻形成太阳能电池冷却液防冻模式。此时的锅炉5进行工作，锅炉5的加热量根据室内温度的需求由用户进行设定。
其中，太阳能电池发电效率临界值b据太阳能电池冷却器的换热性能确定，一般情况其范围为30℃-35℃；冷却液凝固临界值a根据冷却液的种类进行选择，一般要比冷却液的凝固点高1℃到2℃；供热温度值根据用户自行调节，一般情况不高于30℃。例如：用水作冷却液，临界值a可以取1℃。
实施例1
以水作为冷却液为例，进一步说明：
当温度探头7感受到太阳能电池冷却器2中的温度为32℃大于等于供热温度值26℃时由用户自行设定，电动阀门V-2、电动阀门V-1开启，电动阀门V-3、排气阀V-4、排气阀V-5关闭，锅炉5不进行工作，太阳能电池冷却器2中的热量单独进行循环供热形成低品位热利用模式。若当温度探头7检测到的温度高于太阳能电池发电效率临界值35℃时，增加工质泵4的转速，装置中循环工质水的流量增加，使太阳能电池冷却器2出口的温度降低；
当温度探头7检测到太阳能电池冷却器2中的温度为18℃大于水的凝固临界值1℃且小于供热温度值26℃时由用户自行设定，电动阀门V-2、电动阀门V-1开启，电动阀门V-3、排气阀V-4、排气阀V-5关闭，锅炉5进行工作，使锅炉5的热量和太阳能电池冷却器2的热量进行联合循环供热形成补热模式。这样既保证太阳能电池1的发电效率不会降低，又满足供热温度的需求。
当温度探头7感受到太阳能电池冷却器2中的温度等于水的凝固临界值1℃时，电动阀门V-2、电动阀门V-1关闭，电动阀门V-3、排气阀V-4、排气阀V-5开启，锅炉5进行工作，锅炉5的热量单独进行室内供热；同时，由于储液罐3的标高低于太阳能电池1的标高，所以太阳能电池冷却器2中的水会在重力的作用下流入储液罐中，避免冷却液结冻形成太阳能电池冷却液防冻模式。此时的锅炉5进行工作，锅炉5的加热量根据室内温度的需求由用户进行设定。当处于热利用与补热模式情况时，储液罐3中的冷却液回流到太阳能电池冷却器2中，此时，电动阀门V-2、电动阀门V-1开启，电动阀门V-3、排气阀V-4、排气阀V-5关闭，而且整个装置也不与大气相通，在工质泵4的作用下，冷却剂依次通过储液罐3、太阳能电池冷却器2、辐射末端6、锅炉5、工质泵4、储液罐3进行循环，进而冷却剂进入太阳能电池冷却器2中进行工作。

Claims (4)

1.一种太阳能电池冷却液防冻与热利用装置，其特征在于：该装置包括太阳能电池（1）、太阳能电池冷却器（2）、温度探头（7）、辐射末端（6）、锅炉（5）、工质泵（4）以及储液罐（3）；所述的太阳能电池冷却器（2）位于所述太阳能电池（1）的背面；所述温度探头（7）设置于所述太阳能电池冷却器（2）出口2b处；所述太阳能电池冷却器（2）出口2b与所述辐射末端（6）的入口6a连接，所述辐射末端（6）的出口6b与所述锅炉（5）入口5b连接；所述锅炉（5）出口5a与工质泵（4）的入口连接，所述工质泵（4）的出口与储液罐（3）的3b端连接；所述储液罐（3）的3a端与所述太阳能电池冷却器（2）的入口2a连接；
在储液罐（3）的顶部设置排气管，且在排气管上设置有排气阀V-4；在所述温度探头（7）与所述辐射末端（6）的入口6a之间依次设置有排气阀V-5和电动阀门V-2；在所述工质泵（4）的出口与储液罐（3）的3b端之间设置有电动阀门V-1；在电动阀门V-2与辐射末端（6）的入口6a间取任一点m，在电动阀门V-1与工质泵（4）出口间取任一点n，在点m和n之间设置管道，并在管道上设置电动阀门V-3；所述储液罐（3）的高度小于太阳能电池（1）的高度；
当温度探头（7）采集到太阳能电池冷却器（2）中的温度大于等于辐射末端（6）温度值时，电动阀门V-2、电动阀门V-1开启，电动阀门V-3、排气阀V-4、排气阀V-5关闭，锅炉（5）不进行工作；当温度探头（7）检测到太阳能电池冷却器（2）中的温度大于冷却液凝固临界值a且小于辐射末端（6）温度值时，电动阀门V-2、电动阀门V-1开启，电动阀门V-3、排气阀V-4、排气阀V-5关闭，锅炉（5）进行工作；当温度探头（7）感受到太阳能电池冷却器（2）中的温度小于等于冷却液凝固临界值a时，电动阀门V-2、电动阀门V-1关闭，电动阀门V-3、排气阀V-4、排气阀V-5开启，锅炉（5）进行工作。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池冷却液防冻与热利用装置，其特征在于：装置中使用的冷却液为水或有机溶液。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池冷却液防冻与热利用装置，其特征在于：太阳能电池板（1）为晶硅太阳能电池或者薄膜太阳能电池。
4.一种利用权利要求1所述装置的太阳能电池冷却液防冻与热利用方法，其特征在于：
当温度探头（7）感受到太阳能电池冷却器（2）中的温度大于等于供热温度值时，电动阀门V-2、电动阀门V-1开启，电动阀门V-3、排气阀V-4、排气阀V-5关闭，锅炉（5）不进行工作，太阳能电池冷却器（2）中的热量单独进行循环供热形成低品位热利用模式：若当温度探头（7）检测到的温度高于太阳能电池发电效率临界值b时，增加工质泵（4）的转速，装置中循环工质的流量增加，使太阳能电池冷却器（2）出口的温度降低；
当温度探头（7）检测到太阳能电池冷却器（2）中的温度大于冷却液凝固临界值a且小于供热温度值时，电动阀门V-2、电动阀门V-1开启，电动阀门V-3、排气阀V-4、排气阀V-5关闭，锅炉（5）进行工作，使锅炉（5）的热量和太阳能电池冷却器（2）的热量进行联合循环供热形成补热模式：
当温度探头（7）感受到太阳能电池冷却器（2）中的温度小于等于冷却液凝固临界值a时，电动阀门V-2、电动阀门V-1关闭，电动阀门V-3、排气阀V-4、排气阀V-5开启，锅炉（5）进行工作，锅炉（5）的热量单独进行室内供热；同时，太阳能电池冷却器（2）中的冷却液流入储液罐（3）中，避免冷却液结冻形成太阳能电池冷却液防冻模式。
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