CN104729108A - 一种简易式光伏-光热-热电综合利用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种简易式光伏-光热-热电综合利用系统，属于太阳能利用领域。本发明包括支撑架、聚光装置、集热发电组件和热水收集装置，所述的聚光装置和集热发电组件安装在支撑架上，聚光装置中装有平面反光镜，所汇聚光线照射在集热发电组件外表面，集热发电组件中设有集热水箱，该集热水箱通过输水管与热水收集装置连通，在水箱两侧分别设置有发电用光伏组件和热电组件。本发明简化了集热发电组件的内部构造和系统组成，通过各个装置有机组合，实现了光伏发电、温差发电和光能制热的功能，增加了太阳能利用率，提高了集热发电效率，降低了成本。

Description

一种简易式光伏-光热-热电综合利用系统

技术领域

本发明涉及太阳能利用技术领域，更具体地说，涉及一种简易式光伏-光热-热电综合利用系统。

背景技术

太阳能集热技术不断发展创新，在国民经济的各个领域中广泛应用，特别在民用领域，太阳灶的应用已经得到人们的认可，给人们的生活带来了实实在在的方便。普通太阳能光伏电池发电的原理是太阳光透过盖板和EVA照射到光伏电池上，光伏电池吸收透过的太阳光能后，不到20％转换出电能，其余转换成热量，被电池组件吸收，最后散失在空气中。如果不能加以利用，一方面造成较大的浪费，另一方面热量被光伏组件吸收会使电池板温度升高，降低发电效率的同时缩短了电池组件的寿命。

跟随国家政策的发展趋势，民用的太阳能光伏发电系统将会成为常见的普通家电，且太阳能光伏发电系统会朝着发电、热水、煮饭等多元化发展。目前，现有的太阳能光伏发电系统已具有同时进行发电和热水的功能，但缺少与其他太阳能利用装置的有效组合，不能最大限度的将太阳能使用到生活中，例如中国专利申请号：201320450118.5，申请日：2013年7月26日，发明创造名称为：一种太阳能光伏-光热-热电综合利用系统，该申请案公开了一种太阳能光伏-光热-热电综合利用系统，包括集热器、光热保温桶组件和光伏热电控制电路，集热器中的玻璃盖板、EVA填充层、背板、第一传热板、热电芯片、第二传热板、绝热材料层通过铝合金边框层压固定；光热保温桶组件包括第一水泵、第二水泵、第一级保温桶、水位兼温度传感器、温控装置、电磁阀、第二级保温桶和辅助加热装置，第二级保温桶内部设置有辅助加热装置；集热器中的太阳能电池片与热电芯片并联后连接至控制器，控制器分别与蓄电池、逆变器相连接，逆变器与负载相连。该专利方案能够同时进行发电和热水，但是系统结构复杂，缺少聚光设备，对太阳能的利用有限，而且热水传输过程中散失热量较多。

又如中国专利申请号：201420221311.6，申请日：2014年4月30日，发明创造名称为：一种太阳灶聚光式光伏光热发电综合利用装置，该申请案包括光伏光热温差发电锅炉、聚光式太阳灶和太阳灶及锅炉支架组件，聚光式太阳灶将收集到的太阳光反射给光伏光热温差发电锅炉；顶部光伏发电组件和底部光伏发电集热器分别位于炉体的顶端和底端，底部光伏发电集热器与炉体之间还设置有温差发电片，均用于太阳能光伏发电。该专利方案将集热器与炉体结合，并利用太阳灶聚集光能。但该方案中的光伏组件直接固定在锅炉的上下端，受锅炉自身高度影响，热水在锅炉内部循环效率较低。

此外，本方案申请人在2015年1月28日所提交的申请号为2015100446498的专利方案中也涉及到太阳能光伏-光热-热电技术的应用，但经过发明人的多次探索，发现该方案仍存在以下缺点：1)集热水管与温差发电片接触面积有限，温差发电效率低，同时水管不能最大限度的吸收热量，热水传输管路繁琐，需要多次水箱转换；2)所使用的绝热材料阻挡热量向外部散失，但集热水管单位时间内所吸收热量有限，剩余热量留存在集热器组件内部使组件温度升高，会对集热器组件产生降效减寿的副作用。基于上述原因，本方案发明人对原方案进行多次探索改进，以求太阳能得到更好的利用。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中太阳能综合利用装置结构复杂、发电集热效率低的不足，提供了一种简易式光伏-光热-热电综合利用系统，本发明的技术方案，简化了集热发电组件的内部构造和系统组成，通过各个装置有机组合，实现了光伏发电、温差发电和光能制热的功能，增加了太阳能利用率，提高了集热发电效率，降低了成本。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种简易式光伏-光热-热电综合利用系统，包括支撑架、聚光装置、集热发电组件和热水收集装置，所述的聚光装置和集热发电组件安装在支撑架上，聚光装置所汇聚光线照射在集热发电组件外表面；所述集热发电组件包括边框、光伏组件、集热水箱和热电组件，通过边框将光伏组件、集热水箱和热电组件压紧固定，其中：

所述光伏组件包括太阳能电池片、EVA填充层、上玻璃盖板和背板，所述背板通过导热胶贴附在集热水箱上表面，EVA填充层设置在上玻璃盖板与背板之间，太阳能电池片均匀分布在EVA填充层中；所述热电组件包括背封板和温差发电片，所述温差发电片被背封板压靠在集热水箱下表面，并在温差发电片两侧填充导热胶；所述集热水箱进水端通过输水管与储水管道相连通，集热水箱排水端通过输水管与热水收集装置相连通。

作为本发明更进一步的改进，所述的集热水箱进水端设有上水位传感器，并在集热水箱与储水管道之间设置进水电磁阀；集热水箱排水端设有温度兼下水位传感器，并在集热水箱与热水收集装置之间设置排水电磁阀，所述的进水电磁阀、排水电磁阀、上水位传感器和温度兼下水位传感器均与系统中的控制装置电连接。

作为本发明更进一步的改进，所述支撑架包括顶部固定框、固定框支架、下反光镜安装架、角度调节架和底部框架，所述底部框架上安装有底轮，在一对底轮的安装轴上铰接有两根角度调节架，所述下反光镜安装架一端与底部框架的中部铰接，下反光镜安装架的另一端和角度调节架相连接；所述顶部固定框通过4根固定框支架与下反光镜安装架固连，且顶部固定框与下反光镜安装架平行设置；所述集热发电组件安装在顶部固定框上。

作为本发明更进一步的改进，所述聚光装置包括上部反光镜和下部反光镜，上部反光镜设置在顶部固定框两端，下部反光镜与下反光镜安装架铰接，且上部反光镜的展开方向与下部反光镜的展开方向呈“十”字交叉。

作为本发明更进一步的改进，所述热水收集装置包括保温桶、辅助加热器和放水阀，保温桶与输水管相连通，该保温桶内设置有辅助加热器，在保温桶底部侧壁设置有放水阀。

作为本发明更进一步的改进，所述的下部反光镜包括平面镜、松紧带和伸缩拉杆，所述平面镜安装于镜框中，至少有两个平面镜通过镜框相排列铰接，在最外端的镜框侧面连接有伸缩拉杆，该伸缩拉杆的另一端与顶部固定框相连，所述最外端的镜框与最内端镜框通过松紧带相连接。

作为本发明更进一步的改进，所述集热水箱和背封板均为不锈钢材质，且背封板外表面有黑色涂层。

作为本发明更进一步的改进，所述输水管外表面包裹有保温材料层。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明的一种简易式光伏-光热-热电综合利用系统，在集热发电组件中部以集热水箱代替传统的锅炉和集热水管，既增加了集热水箱与温差发电片的接触面积，又增加了集热水箱自身受热面积，加快了热循环，因而使本系统具有更高的发电、集热效率；

(2)本发明的一种简易式光伏-光热-热电综合利用系统，在集热水箱的进水端设有上水位传感器和进水电磁阀，在集热水箱的排水端设有温度兼下水位传感器和排水电磁阀，将进水端与自来水供水系统相连，使其能够根据设定温度自行工作，无需水泵供水，自动化程度高；

(3)本发明的一种简易式光伏-光热-热电综合利用系统，在支撑架上设置有上部反光镜和下部反光镜，使集热发电组件有上下两个光热采集面，其聚光效果好，集热水箱上下两侧分别设置光伏组件和热电组件，能同时进行光伏发电、温差发电和光能制热，增加了太阳能的利用率；

(4)本发明的一种简易式光伏-光热-热电综合利用系统，在支撑架上设有角度调节架，下部反光镜通过伸缩拉杆与顶部固定框相连，通过角度调节架和伸缩拉杆可以调节太阳光反射方向，以便获得更好的采光效果；

(5)本发明的一种简易式光伏-光热-热电综合利用系统，其集热水箱和背封板均为不锈钢材质，不锈钢热传导效率高，并采用带有黑色涂层的背封板吸收热量，进一步提高了本系统集热、发电效率。

附图说明

图1为本发明的一种简易式光伏-光热-热电综合利用系统的结构示意图；

图2为本发明的支撑架的结构示意图；

图3为本发明的下部反光镜的结构示意图；

图4为本发明的集热发电组件的侧视结构示意图；

图5为本发明的集热发电组件的内部结构示意图。

示意图中的标号说明：1、保温桶；1-1、辅助加热器；1-2、放水阀；2、集热发电组件；2-1、边框；2-2、太阳能电池片；2-3、EVA填充层；2-4、上玻璃盖板；2-5、背封板；2-6、温差发电片；2-7、集热水箱；2-8、背板；3-1、上部反光镜；3-2、下部反光镜；3-2-1、平面镜；3-2-2、松紧带；3-2-3、伸缩拉杆；4-1、顶部固定框；4-2、固定框支架；4-3、下反光镜安装架；4-4、角度调节架；4-5、底部框架；4-6、底轮；5、输水管；5-1、排水电磁阀；5-2、进水电磁阀；6-1、温度兼下水位传感器；6-2、上水位传感器。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

参看图1，本实施例的一种简易式光伏-光热-热电综合利用系统，主要由支撑架、聚光装置、集热发电组件2和热水收集装置等组成，所述的聚光装置和集热发电组件2安装在支撑架上，聚光装置所汇聚光线照射在集热发电组件2外表面，为发电和集热提供能量，并通过输水管5将集热发电组件2内的热水输送到热水收集装置。

参看图2，本实施例中的支撑架包括顶部固定框4-1、固定框支架4-2、下反光镜安装架4-3、角度调节架4-4和底部框架4-5，所述底部框架4-5上安装有底轮4-6，在一对底轮4-6的安装轴上铰接有两根角度调节架4-4，该角度调节架4-4可以伸缩调节；上述下反光镜安装架4-3一端与底部框架4-5的中部铰接，下反光镜安装架4-3的另一端和角度调节架4-4相连接。在下反光镜安装架4-3上安装有垂直其所在面的固定框支架4-2，顶部固定框4-1通过4根固定框支架4-2与下反光镜安装架4-3固连，且顶部固定框4-1与下反光镜安装架4-3平行设置。所述的集热发电组件2安装在顶部固定框4-1上，通过改变角度调节架4-4的长度可以调整下反光镜安装架4-3的倾斜角度，进而改变集热发电组件2上表面与光线间的夹角，使其接近垂直状态，以增强光照强度，增加太阳能利用率。

本实施例中的聚光装置包括上部反光镜3-1和下部反光镜3-2，上部反光镜3-1安装在顶部固定框4-1相对的两侧面上，且上部反光镜3-1与顶部固定框4-1铰接，为了提高光照强度，可转动上部反光镜3-1，使上部反光镜3-1与顶部固定框4-1所在面呈倾斜状态，照射在上部反光镜3-1的光照被反射到集热发电组件2上表面，汇聚光线。下部反光镜3-2与下反光镜安装架4-3铰接，且上部反光镜3-1的展开方向与下部反光镜3-2的展开方向呈“十”字交叉，避免上部反光镜3-1遮挡住下部反光镜3-2所需的太阳光。本实施例中的下部反光镜3-2包括平面镜3-2-1、松紧带3-2-2和伸缩拉杆3-2-3(如图3所示)，所述平面镜3-2-1安装于镜框中，3个平面镜3-2-1通过镜框相排列铰接，在最外端的镜框侧面连接有伸缩拉杆3-2-3，该伸缩拉杆3-2-3的另一端与顶部固定框4-1侧壁相连，且最外端的镜框与最内端镜框通过两条平行设置的松紧带3-2-2相连接。当改变伸缩拉杆3-2-3的长度时，与伸缩拉杆3-2-3相连的平面镜3-2-1的倾斜角度发生改变，同时调节松紧带3-2-2的袖袢，可使另外两块平面镜3-2-1的倾斜角度适当改变，以使3块平面镜3-2-1都能把太阳光反射到集热发电组件2的下表面。

参看图4和图5，本实施例中的关键点在于采用了新型的集热发电组件2，并根据该集热发电组件2的结构特点对系统进行优化。所述集热发电组件2包括边框2-1、光伏组件、集热水箱2-7和热电组件，通过边框2-1将光伏组件、集热水箱2-7和热电组件压紧固定，其中：

光伏组件包括太阳能电池片2-2、EVA填充层2-3、上玻璃盖板2-4和背板2-8，上述背板2-8通过导热胶贴附在集热水箱2-7上表面，EVA填充层2-3设置在上玻璃盖板2-4与背板2-8之间，太阳能电池片2-2均匀分布在EVA填充层2-3中，且太阳能电池片2-2输出端连接至蓄电系统。所述热电组件包括背封板2-5和温差发电片2-6，温差发电片2-6被背封板2-5压靠在集热水箱2-7下表面，各温差发电片2-6串联后连接至蓄电系统。此外，在温差发电片2-6两侧填充导热胶，确保温差发电片2-6两侧分别与集热水箱2-7、背封板2-5紧密接触，使温差发电片2-6能够快速感测到两边的温度差，当温差达到一定范围时便可利用温差发电片2-6发电。此外，为了快速传递热量，集热水箱2-7和背封板2-5均为不锈钢材质，采用的不锈钢材质导热效果好，而背封板2-5外表面设有黑色涂层，有助于其更快的吸收太阳能，进一步提高了本系统集热、发电效率。

本实施例中的集热水箱2-7进水端通过输水管5与储水管道相连通，集热水箱2-7排水端通过输水管5与热水收集装置相连通，输水管5外表面包裹有保温材料层，防止传输过程中热量散失。在集热水箱2-7的进水端设有上水位传感器6-2，并在集热水箱2-7与储水管道之间设置进水电磁阀5-2；集热水箱2-7排水端设有温度兼下水位传感器6-1，并在集热水箱2-7与热水收集装置之间设置排水电磁阀5-1，其中的进水电磁阀5-2、排水电磁阀5-1、上水位传感器6-2和温度兼下水位传感器6-1均与系统中的控制装置电连接。

本实施例中的热水收集装置包括保温桶1、辅助加热器1-1和放水阀1-2，保温桶1与输水管5相连通，该保温桶1内设置有辅助加热器1-1，在保温桶1底部侧壁设置有放水阀1-2。在阴雨天气时，可利用太阳能强度较低，可以通过辅助加热器1-1对水加热。

现有技术中具有光伏、光热、热电功能的太阳能综合利用装置多是采用太阳灶式结构，利用太阳灶的聚光作用为集热发电组件2，经过研究发现，太阳灶的聚光作用较强，工作时其聚光点多是位于集热发电组件2上的同一位置，常常会导致集热发电组件2光热疲劳受损，降低了集热发电组件2的使用寿命。而本实施例中的聚光装置由上部反光镜3-1和下部反光镜3-2相互组合而成，且上部反光镜3-1和下部反光镜3-2均采用平面镜，该聚光装置将光照汇聚，但不产生聚焦现象，而是利用平行光的叠加达到汇聚光线的作用，光热更均匀，对集热发电组件2的损害小；此外，本实施例中的聚光装置能够同时增加集热发电组件2上下两侧的光照量，集热、发电效率更高。

集热器组件(即本实施例中的集热发电组件2)是整个系统的核心部件，决定了天阳能综合利用装置的综合性能，而现有技术中的集热器组件存在较多缺陷。一方面，普通集热器组件多是单面同时设置电池发电片和温差发电片，这种结构不利于温差发电片的工作，工作一段时间后集热器组件内的温度升高，导致温差发电片两侧温差不明显，发电效率降低；另一方面，传统的锅炉式储水集热装置因其自身高度的影响，锅炉内部的水热循环较慢，难以快速加热；盘管式储水集热装置因管体的结构原因，与温差发电片的接触面较小，温差发电效率低，而且盘管受热面积有限。本实施例中的集热发电组件2将光伏组件设置在集热水箱2-7上表面，热电组件设置在集热水箱2-7下表面，光伏组件和热电组件分别单独设置，两者互不影响；采用扁平状集热水箱2-7作为储水集热装置，使集热水箱2-7上下两侧的受热面积更大，表面的热量分布更均匀，水热循环更快；此外，平面结构有助于集热水箱2-7下表面和温差发电片2-6完全贴合，进一步提高了发电效率。

为了避免能量损失，节约成本，本实施例的热水传输管路也被简化，通过设置的进水电磁阀5-2、排水电磁阀5-1、上水位传感器6-2和温度兼下水位传感器6-1能直接控制集热水箱2-7内的冷热水的更换。工作时，将集热水箱2-7的进水端输水管与自来水供水系统相连通，控制装置控制进水电磁阀5-2打开，集热水箱2-7内开始进水，当集热水箱2-7内水位达到指定位置时，上水位传感器6-2将信号传递给控制装置，控制装置调整进水电磁阀5-2关闭；工作一段时间后，集热水箱2-7内水温上升，并利用温度兼下水位传感器6-1进行温度检测判断，当水温达到要求后，温度兼下水位传感器6-1将该信号传递到控制装置，则控制装置驱动排水电磁阀5-1打开，开始向保温桶1内排水；当温度兼下水位传感器6-1检测到热水被排完时，信号被传递到控制装置，则控制装置驱动排水电磁阀5-1关闭，然后打开进水电磁阀5-2，进行下一次的进水与加热，整个过程高效简单，热量损失少。

本实施例同时简化了系统和集热发电组件2，以更简单的结构进行光伏发电、温差发电和光能制热工作，使太阳能在生活中得到有效利用，增加了太阳能利用率，提高了集热发电效率，降低了成本。

实施例2

本实施例的一种简易式光伏-光热-热电综合利用系统，其结构与实施例1基本相同，其不同之处在于：本实施例中的下部反光镜3-2所设置的平面镜3-2-1有两个。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种简易式光伏-光热-热电综合利用系统，包括支撑架、聚光装置、集热发电组件(2)和热水收集装置，其特征在于：所述的聚光装置和集热发电组件(2)安装在支撑架上，聚光装置所汇聚光线照射在集热发电组件(2)外表面；所述集热发电组件(2)包括边框(2-1)、光伏组件、集热水箱(2-7)和热电组件，通过边框(2-1)将光伏组件、集热水箱(2-7)和热电组件压紧固定，其中：

所述光伏组件包括太阳能电池片(2-2)、EVA填充层(2-3)、上玻璃盖板(2-4)和背板(2-8)，所述背板(2-8)通过导热胶贴附在集热水箱(2-7)上表面，EVA填充层(2-3)设置在上玻璃盖板(2-4)与背板(2-8)之间，太阳能电池片(2-2)均匀分布在EVA填充层(2-3)中；所述热电组件包括背封板(2-5)和温差发电片(2-6)，所述温差发电片(2-6)被背封板(2-5)压靠在集热水箱(2-7)下表面，并在温差发电片(2-6)两侧填充导热胶；所述集热水箱(2-7)进水端通过输水管(5)与储水管道相连通，集热水箱(2-7)排水端通过输水管(5)与热水收集装置相连通。

2.根据权利要求1所述的一种简易式光伏-光热-热电综合利用系统，其特征在于：所述的集热水箱(2-7)进水端设有上水位传感器(6-2)，并在集热水箱(2-7)与储水管道之间设置进水电磁阀(5-2)；集热水箱(2-7)排水端设有温度兼下水位传感器(6-1)，并在集热水箱(2-7)与热水收集装置之间设置排水电磁阀(5-1)，所述的进水电磁阀(5-2)、排水电磁阀(5-1)、上水位传感器(6-2)和温度兼下水位传感器(6-1)均与系统中的控制装置电连接。

3.根据权利要求1所述的一种简易式光伏-光热-热电综合利用系统，其特征在于：所述支撑架包括顶部固定框(4-1)、固定框支架(4-2)、下反光镜安装架(4-3)、角度调节架(4-4)和底部框架(4-5)，所述底部框架(4-5)上安装有底轮(4-6)，在一对底轮(4-6)的安装轴上铰接有两根角度调节架(4-4)，所述下反光镜安装架(4-3)一端与底部框架(4-5)的中部铰接，下反光镜安装架(4-3)的另一端和角度调节架(4-4)相连接；所述顶部固定框(4-1)通过4根固定框支架(4-2)与下反光镜安装架(4-3)固连，且顶部固定框(4-1)与下反光镜安装架(4-3)平行设置；所述集热发电组件(2)安装在顶部固定框(4-1)上。

4.根据权利要求3所述的一种简易式光伏-光热-热电综合利用系统，其特征在于：所述聚光装置包括上部反光镜(3-1)和下部反光镜(3-2)，上部反光镜(3-1)设置在顶部固定框(4-1)两端，下部反光镜(3-2)与下反光镜安装架(4-3)铰接，且上部反光镜(3-1)的展开方向与下部反光镜(3-2)的展开方向呈“十”字交叉。

5.根据权利要求4所述的一种简易式光伏-光热-热电综合利用系统，其特征在于：所述热水收集装置包括保温桶(1)、辅助加热器(1-1)和放水阀(1-2)，保温桶(1)与输水管(5)相连通，该保温桶(1)内设置有辅助加热器(1-1)，在保温桶(1)底部侧壁设置有放水阀(1-2)。

6.根据权利要求5所述的一种简易式光伏-光热-热电综合利用系统，其特征在于：所述的下部反光镜(3-2)包括平面镜(3-2-1)、松紧带(3-2-2)和伸缩拉杆(3-2-3)，所述平面镜(3-2-1)安装于镜框中，至少有两个平面镜(3-2-1)通过镜框相排列铰接，在最外端的镜框侧面连接有伸缩拉杆(3-2-3)，该伸缩拉杆(3-2-3)的另一端与顶部固定框(4-1)相连，所述最外端的镜框与最内端镜框通过松紧带(3-2-2)相连接。

7.根据权利要求6所述的一种简易式光伏-光热-热电综合利用系统，其特征在于：所述集热水箱(2-7)和背封板(2-5)均为不锈钢材质，且背封板(2-5)外表面有黑色涂层。

8.根据权利要求7所述的一种简易式光伏-光热-热电综合利用系统，其特征在于：所述输水管(5)外表面包裹有保温材料层。