CN104422147A - 一种低层建筑物中太阳能光伏光热联合智能供水系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低层建筑物中太阳能光伏光热联合智能供水系统，利用光伏光热一体化装置将太阳能转换为电能和热能，电能用于给用户保温水箱进行电加热，当电能剩余时，将电能储存于储能蓄电池装置中。热能来自于光伏光热一体化装置的冷却水，其水温较低，将低温的水送至槽式聚光太阳能热利用装置中，再次加热，提高热水的温度，并将热水存储于集中保温水箱中，合理分配热水资源。在用户端保温水箱中安装有电加热装置，用于在阴雨天气进行电加热。即使在阴天、冬季等天气情况下，该系统也能够连续提供满足用户需要的热水。

Description

一种低层建筑物中太阳能光伏光热联合智能供水系统

技术领域

本发明涉及一种低层建筑物中太阳能光伏光热联合智能供水系统，属于能源利用技术领域。

背景技术

随着中国经济的快速发展，人民生活水平不断提高，对能源的需求也不断提高。目前，给居民提供的热水的主要途径有太阳能热水器、电加热热水器等。太阳能热水器在气象条件良好的情况下能够提供可靠的生活热水，但遇到连续阴雨天气，太阳能热水器无法提供生活热水。电加热热水器是将电能转换为热能，能量转换的过程为高品位的电能转化为低品位的热能，能量转换中产生了大量的能源浪费。

太阳能光伏电池转换效率较低，单晶硅一般约为17％左右。为了进步一步提高太阳能的转换效率，光伏、光热一体化成为未来太阳能发展的一个重要方向。温度是影响光伏电池转换效率的重要因素，电池温度每上升1度，其光电转换效率下降3‰至5‰，利用翅片散热，将热能释放到大气中，并且在温度较高时，散热效果较差，影响系统性能。

目前的太阳能热水器应用广泛，但普遍存在在阴天时不能连续持续供热水，在冬天甚至不能提供可靠的生活热水。虽然目前已有一些厂家在太阳能热水器中安装电加热系统，其成本较高，而且电能来源于电网，大量的电热水器的使用，无疑将会对电网产生冲击。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于克服上述现有太阳利用技术相关缺点，提供一种低层建筑中太阳能光伏光热联合智能供水系统装置，以克服现有技术中太阳能转换效率地、太阳能热水器供热水不连续性。

技术方案：为解决上述技术问题，提供一种低层建筑中太阳能光伏光热联合智能供水系统装置，该装置包括

光伏光热一体化装置，将太阳辐射能转换为电能，同时将太阳能转换为热能，由光伏电池组件和冷却装置构成；

槽式太阳能热利用装置，将太阳辐射能转换为热能，由槽式复合抛物面、接收器、支架构成；

变流器装置，用于将光伏阵列产生的直流电能变换为符合系统要求的直流电能，一般为升压变换器，完成光伏阵列的最大功率跟踪控制；

充放电控制器，用于控制蓄电池的充放电，由单片机系统构成；

储能蓄电池装置，用于储存光伏电池产生的直流电能；

电加热装置，是光伏阵列和蓄电池的直流电能转化为热能，由电加热管构成；

检测装置，用于集中水箱、用户水箱的水温以及直流母线的电压，由温度传感器和电压传感器等构成；

分流器装置，用于分配电能，一般由配电柜组成；

汇流箱装置，用于汇集光伏阵列产生的直流电，汇流后送至变流器装置；

用户水箱装置，用于分配热水，并安装在用户端，由保温水箱构成，同时在该水箱中安装电加热装置；

集中保温水箱装置，用于存储光伏光热一体化装置和槽式太阳能热利用装置所加热的水。

用户流量计装置，用以计算用户用水量，由水表构成；

用户控制器装置，用户设定用户用水温度要求，设定温度后，系统检测集中水箱是否满足用户用水温度要求，若满足，则直接供水，若不满足，则经过电加热后达到要求后供水。

所述光伏光热一体化装置是在太阳能光伏电池背面安装一个U型冷却管道，管道可以焊接在电池背面，也可以采用导热胶粘贴。层压工艺如图4所示，最上层为透光面板，下面依次为EVA胶膜、光伏电池片、绝缘层、吸热板、保温层。其中绝缘层上下层都有EVA胶膜，吸热板的材料一般可选用导热性能良好的铝板。太阳能光伏光热一体化立体示意图如图5所示，中间虚线部分为U型换热铜管，可采用焊接工艺焊接在背面吸热板上，也可以采用导热性能良好的导热胶粘贴在吸热板上。如图所示，光伏光热一体化装置安装时需要设计安装角度θ，该角度与安装地点的维度有关，考虑最大限度吸收太阳能。

所述槽式太阳能热利用装置，是将光伏光热一体化装置的出口水进行加热，提高热水品质，槽式太阳能热利用装置如图3所示，主要由反光镜16、集热器17、支架18组成。反光镜16将阳光反射到集热器上，集热器17接收反射的太阳能，加热集热器中间的水。支架18主要是起到支撑和跟踪作用，一般可设计为单轴跟踪，即跟踪太阳的方位角。

所述变流器装置是由升压变换器，完成光伏阵列的直流变换和和最大功率跟踪控制光伏阵列产生的直流电能随着天气的变换而波动，即使在晴天，云彩的遮挡也会引起电流的变换，为使得输出电能趋于稳定，需要使用直流升压变换器稳定光伏阵列的输出电能。通常变换器的变流能力有限，在光伏阵列输出电能小幅度变换，升压变换器可以起到一定的稳压作用，但输出变换范围过大，则需要结合储能蓄电池装置共同稳定电能。

所述充放电控制器，由单片机系统构成，用于控制蓄电池的充放电，当光伏阵列产生剩余电能时，控制变流器装置的输出给蓄电池充电，当光伏阵列产生电能不能满足用户加热电能需求时，控制蓄电池给用户供电，通过加热器装置给水加热。

所述储能蓄电池装置，由铅酸电池串并联构成，根据系统的具体设计要求，确定铅酸电池的串并联个数，即确定储能的容量，用于储存光伏阵列产生的剩余电能。

所述电加热装置，由电加热管构成，安装在用户保温水箱装置中，可以将光伏阵列和蓄电池的直流电能转化为热能，加热用户保温水箱装置中的水。

所述检测装置，是由温度传感器和电压传感器等构成，温度传感器安装在用户保温水箱装置中，用于检测用户水箱的温度。电压传感器安装分流箱中，可采用霍尔传感元件，用于检测分流箱的电压。

所述分流器装置，由配电柜构成，用于给各个用户供电，电加热用户热水。所述汇流箱装置，用于汇集光伏阵列产生的直流电，汇流后送至变流器装置。

所述用户保温水箱装置，由保温水箱构成，安装在用户端，直接给用户供热水。用户水箱装置的热水来源于集中保温水箱装置，同时在该水箱中安装电加热装置，点加热所需要的电能来源于光伏阵列产生的电能和储能蓄电池的电能。用户保温水箱装置的体积为一个家庭正常一天用热水的容量。

所述集中保温水箱装置，是由保温水箱构成，体积较大，设计需要满足约10个用户一天正常用热水的体积，用于存储光伏光热一体化装置和槽式太阳能热利用装置所加热的水。

用户流量计装置，由计量水表构成，用以计算用户用水量，为合理的分配集中保温水箱装置的热水，在用户端需要安装热水流量计，确保每个用户公平合理地分配热水资源。

所述用户控制面板装置，用户设定用户用水温度要求，设定温度后，系统通过温度检测装置，检测用户保温水箱装置是否满足用户用热水要求，若满足，则直接供水，若不满足，则通过电压检测装置检测分流箱的供电电压。由于楼顶面积有限，且光伏成本较高，光伏装机容量一般能满足4个用户同时直接加热，若超过4个用户同时启动电加热装置，则超过的客户需要等待三个正在电加热的用户加热结束，才能启动电加热装置，即排队加热。用户控制面板上带用户保温水箱装置温度显示，以便客户掌握自己保温水箱中的水温。以一栋楼有10个客户为例，同时有4个客户启动电加热的几率也很小，所以该发明可靠合理。

本发明的一种低层建筑物中太阳能光热光伏联合智能供水系统，采用光伏光热一体化装置，同时利用槽式太阳能进一步加热，提高供水温度，采用集中保温水箱装置，合理分配热水资源，还利用光伏阵列进行电加热，进一步提高热水温度，保证用户供热水的稳定性与可靠性。

本发明未特别限定的技术均为现有技术。

有益效果：

1)、该装置安装建筑物顶部，有效地起到了隔热、防雨作用。

2)、该装置实现了太阳能光伏、光热一体化，提高了太阳能的转换效率。

3)、该装置实现了太阳能光伏、光热一体化与槽式聚光太阳能的综合利用系统，提高了热水的品质，减小了电能储能系统的容量。

4)、该装置实现了太阳能连续提供生活热水。

5)、该装置实现了电加热功能，但无需吸收电网电能，仅利用太阳能，对环境无污染。

附图说明

图1是本发明新型太阳能光伏与光热联合供电系统结构示意图

图中有：光伏光热一体化装置1、检测装置2、直流汇流箱装置3、变流器4、分流器装置5、充放电控制器6、储能蓄电池7、预留接口8、电加热装置9、用户水箱10、用户控制器11、流量计12、集中保温水箱装置13、槽式太阳利用装置14。

图2是太阳能光伏光热一体化冷却水流通意图

图中太阳能光伏光热一体化装置，虚线为冷却水流通路径。

图3是槽式太阳能利用装置结构图

图中有：槽式复合抛物面反光板16、真空集热管17、支架18。

图4是太阳能光伏光热一体化装置结构示意图

图中有：光伏电池片19、铝合金边框20、进水口21、冷却U型铜管22、出水口23、保温层24、绝缘层25、胶膜26、透光面板27。

图5是太阳能光伏光热一体化装置立体示意图

图中说明了光伏光热一体化装置立体结构。

图6是太阳能光伏光热联合智能供水系统设计实例

图中有：光伏光热一体化装置1、电加热装置9、用户保温水箱装置10、用户控制器11、流量计12、集中保温水箱装置13、槽式太阳利用装置14、配电室15。

图7是供水系统控制流程图

图中设计供水流程图，设计了电加热流程。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步说明。

本发明提供的一种新型太阳能光伏与光热联合供电装置，该装置包括：光伏光热一体化装置1、检测装置2、直流汇流箱装置3、变流器4、分流器装置5、充放电控制器6、储能蓄电池装置7、预留接口8、电加热装置9、用户保温水箱装置10、用户控制器11、流量计12、集中保温水箱装置13、槽式太阳利用装置14。

所述光伏光热一体化装置1是在光伏电池背面安装水冷却系统，从而实现光伏发电的同时，实现了光热的利用。光伏光热一体化装置1的结构如图4所示，立体结构图如图5所示。光伏光热一体化装置1有两条通路，即电路和水路，电路是光伏发电系统通路，收集光伏电池产生的直流电能，送至直流汇流箱装置3。水路是水冷却系统通路，利用水冷却光伏电池，并将冷却水收集送至槽式太阳利用装置14输入端，即光伏光热一体化装置1的输入接冷却水，输出分电路和水路，电路与汇流箱装置3的输入连接，水路与槽式太阳利用装置14的输入连接，冷却水流过光伏电池的背面，得到一定的热量，将低温的水送至槽式太阳利用装置14，再次加热，提高热水的品质，因为冷却水的温度不宜太高，所以需要利用槽式太阳利用装置14再次加热。光伏光热一体化装置1的水路采用串联连接，水路连接方式如图2所示，图2中的虚线为冷却水的通路，图2中也标出了冷却水的流动方向和伏光热一体化模块之间的连接方法。

上述所述检测装置2，主要功能是完成温度的检测与电压的检测，分别可采用温度传感器和电压霍尔传感器，检测装置的温度传感器安装用户保温水箱装置10和集中保温水箱装置13中，用于检测水温。电压霍尔传感器则安装在分流器装置5中，用于检测分流器的电压。检测装置2将检测的温度信号与电压信号送至用户控制器装置11。

上述直流汇流箱装置3的输入与光伏光热一体化装置1的电路输出连接，输出与变流器4的输入连接，变流器4的输出与分流器装置5的输入连接，分流器装置5的输出分别于储能蓄电池装置7、预留接口8、电加热装置9连接。

上述储能蓄电池装置7与分流器装置5连接，两者之间的能量能够双向流动，即在分流器装置5的电压过高时，给储能蓄电池装置进行充电，当电压过低时，储能蓄电池装置7进行放电，充放电的过程由充放电控制器6控制，该控制器由单片机控制系统构成。储能蓄电池装置7是由铅酸蓄电池串并联构成，根据系统的功率设计要求确定串并联的个数。上述的预留接口8主要是用于系统的拓展，更加有效地利用系统，预留接口可连接楼层的应急电源和公用路灯等设备。

上述电加热装置9安装在用户保温水箱装置10内部，由分流器装置5供电，加热过程受用户控制器11控制，所述用户控制器11的输入信号来自于检测装置2，根据检测装置2的用户保温水箱装置10和集中保温水箱装置13的温度信号和分流器装置5的电压信号，控制电加热装置9是否加热，热水供给系统控制流程流程图如图7所示。其中系统中需要检测用户保温水箱装置10和集中保温水箱装置13的温度，采用热电偶来实现该温度的检测。

上述用户保温水箱装置10和集中保温水箱装置13用于存储热水，集中保温水箱装置13安装在户外，输入端与槽式太阳利用装置14的输出端连接，体积较大，集中存储热水。用户保温水箱装置10安装在用户室内，用户保温水箱装置10的输入与集中保温水箱装置13的输出连接，同时用户保温水箱装置10内部安装电加热装置9。用户保温水箱装置10的输出端安装流量计12，计量用户所用的热水量。

上述槽式太阳利用装置14如图3所示，主要由反光镜16、集热器17、支架18组成。其输入端与光伏光热一体化装置1输出水路连接，输出端与集中保温水箱装置13的输入端连接。将光伏光热一体化装置1输出的冷却水进一步加热，提高热水品质，并储存于集中保温水箱装置13中，集中保温水箱装置13再将热水分配至各个用户端的用户保温水箱装置10中。

结合设计实例，进一步说明本发明。如图6所示，为五层住宅的低层建筑物，在建筑物的顶部安装光伏光热一体化装置1、集中保温水箱装置13、槽式太阳利用装置14和配电室15，其中配电室15包括直流汇流箱装置3、变流器4、分流器装置5、充放电控制器6、储能蓄电池装置7、预留接口8。用户侧安装电加热装置9、用户保温水箱装置10、用户控制器11、流量计12。

本发明设计了低层建筑中太阳能光伏光热联合智能供水系统，系统供能方式为：光伏光热一体化装置1的冷却水经过槽式太阳利用装置14进行二次加热，送至集中保温水箱装置13中，由集中保温水箱装置13分配热水给各个用户保温水箱装置10，同时在用户保温水箱装置10安装电加热装置9，电加热装置9是由光伏发电系统和储能蓄电池装置7供电加热，无需吸收电网电能。本发明利用太阳能光伏光热一体化装置、槽式太阳能利用装置提供系统所需要的热能与电能，实现了连续供热水。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (3)

1.一种低层建筑中太阳能光伏光热联合智能供水系统，其特征在于：

光伏光热一体化装置(1)的冷却水通过水管与槽式太阳利用装置(14)输入端连接，槽式太阳利用装置(14)输出端用保温水管与保温水箱装置(13)输入连接，集中保温水箱装置(13)输出端与用户保温水箱装置(10)的输入端连接，用户保温水箱装置(10)的输出端为直接提供生活热水。用户保温水箱装置(10)内部安装电加热装置(9)，电加热装置(9)通过电缆与光伏光热一体化装置(1)和储能蓄电池装置(7)供电加热，光伏光热一体化装置(1)的光伏发电系统和储能蓄电池装置(7)的连接方式为并联结构。

2.根据权利要求1所述的一种低层建筑中太阳能光伏光热联合智能供水系统，其特征在于：

电加热装置(9)安装在用户保温水箱装置(10)内部，由储于储能蓄电池(7)分配到分流器装置(5)供电加热，加热过程受用户控制器(11)控制，所述用户控制器(11)的输入信号来自于检测装置(2)，根据检测装置(2)通过热电偶检测的用户保温水箱装置(10)和集中保温水箱装置(13)的温度，控制电加热装置(9)是否加热。

3.根据权利要求1所述的一种低层建筑中太阳能光伏光热联合智能供水系统，其特征在于：

设计了五层住宅的低层建筑物的具体系统设计方案和系统安装方案。