CN104848564A - 一种太阳能光伏光热双高效换热装置 - Google Patents

一种太阳能光伏光热双高效换热装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太阳能光伏光热双高效换热装置，包括光伏集热装置(1)，热电制冷片(2)以及换热管(5)；在所述换热管(5)内有集热介质，所述热电制冷片(2)包括加热集热介质的热端通道(12)和冷却集热介质的冷端通道(13)，所述热端通道(12)分别与所述光伏集热装置(1)出口端和所述换热管(5)的入口端连接；所述冷端通道(13)分别与所述换热管(5)出口端和所述光伏集热装置(1)的入口端连接。本发明实现了光伏集热低温发电和低温集热，有效解决了光伏电池温度过高以及散热损过大的问题，达到了实现高光伏效率和高集热效率的同时又获得较高温度的集热介质的目的。本发明光伏光热综合高效利用，具有良好的推广利用价值。

Description

一种太阳能光伏光热双高效换热装置
技术领域
本发明涉及一种太阳能光伏光热双高效换热装置，属于太阳能光伏发电、热利用领域。
背景技术
一般商用光伏电池的光电转换效率为6％～15％，在运行过程中会有很大一部分光能转换成热能。如果不能及时的将这些热量排出，电池温度就会升高，造成光伏效率降低。在聚光光伏发电中这种现象则更为明显，聚光的作用一方面使得单位面积有效输出功率大幅增加，发电成本大幅下降。但另一方面由于单位面积的电池板辐射光强的增加使电池板吸收的热量也大幅增加，电池的温度控制和散热问题也更为突出，而且光伏电池长期工作在高温下会迅速老化。为解决单一光伏利用存在的冷却问题以及单一光热利用无法得到高品位能源(电能)的问题，并提高太阳能的综合利用效率，多采用太阳能光伏光热一体化应用。
但是对于一般的光伏光热装置无法在实现高光伏效率和高集热效率的同时又获得较高温度的集热介质，这是因为：对于太阳能热利用，低温集热时集热器的效率更高，集热效率随着集热介质的温度不断提高会逐渐下降，因为集热介质温度越高，会造成太阳能集热装置工作在较高的温度，其向环境的散热损失就会增大，从而造成集热效率的下降。对于太阳能光伏利用，众多研究表明，多晶硅电池的电效率随着温度的降低而升高，工作温度每降低1℃，光伏电池的光电转换效率平均可提高0.4％～0.5％，所以若能大幅度的降低光伏电池温度对于提高光伏效率有显著意义。由此可见，为提高光电转换效率，必须尽可能降低光伏电池温度，但是这种途径不利于太阳能的高品位热利用，要满足人们在生产生活中对于获得较高温度集热介质的愿望，通常需要再通过电辅热加热方式。所以要提高集热效率和光伏效率，就必须实现低温集热和光伏电池的良好冷却，这就不可避免地以牺牲集热介质的温度为代价，从而无法获得较高温度的集热介质。
基于此，若能实现高光伏效率和高集热效率的同时又获得较高温度的集热介质对于太阳能的高效利用并满足人们生产生活需要就具有显著意义。
发明内容
技术问题：为实现光伏光热一体化综合高效利用，一方面我们希望尽可能地降低光伏电池板温度，以提高发电效率，而另一方面我们又希望尽可能地获得较高温度的集热介质，以满足人们正常生产生活需要。但是这两个方面是矛盾的，获得较高的集热介质温度会使光伏集热一体化装置工作在较高温度下，造成光伏效率下降，对聚光光伏集热系统尤为明显，并且在较高集热温度下向环境散热量势必增加，同时造成集热效率下降。本发明提出一种双高效CPC聚光太阳能光伏热水器，能够实现高光伏效率和高集热效率的同时又获得较高温度的集热介质。
技术方案：
一种太阳能光伏光热双高效换热装置，包括光伏集热装置(1)，热电制冷片(2)以及换热管(5)；在所述换热管(5)内有集热介质，所述热电制冷片(2)包括加热集热介质的热端通道(12)和冷却集热介质的冷端通道(13)，所述热端通道(12)分别与所述光伏集热装置(1)出口端和所述换热管(5)的入口端连接；所述冷端通道(13)分别与所述换热管(5)出口端和所述光伏集热装置(1)的入口端连接。
所述光伏集热装置为CPC光伏集热一体化装置(1)，包括聚光器(7)、设置在所述聚光器(7)底部聚光处的光伏电池(9)以及设置在所述光伏电池(9)下的集热板(10)，在所述集热板(10)内设置有用于集热介质流通的集热通道。
在所述聚光器(7)上部开口处设有密封用的玻璃盖板(8)。
在所述聚光器(7)背面和所述集热板(10)底部分别垫有用于保温的保温板。
所述光伏集热装置可安装在屋顶、阳台或者墙体外表面倾斜或竖直放置。
在所述热电制冷片(2)冷端通道(13)出口与光伏集热装置入口之间连接有用于驱动集热介质流动的循环泵(4)。
所述热水储水箱(3)上设置有检测热水储水箱(3)内热水温度的温度传感器(6)。
所述热电制冷片(2)的热端通道(12)与冷端通道(13)均设置有用于强化传热的翅片。
所述集热介质为乙二醇水溶液。
有益效果：
1.本发明实现了高光伏效率和高集热效率的耦合，有效解决了由于聚光所导致光伏电池温度过高以及散热损失增大的问题，达到了实现了高光伏效率和高集热效率的同时又获得较高温度的集热介质的目的。
2.为满足人们对于高温热水的需求，本发明采用热电制冷片的作用要优于电辅热方式。
3.本发明采用间接换热方式，集热介质可为乙二醇水溶液等凝固点高的溶液，可有效避免冬季出现冻管等情况。
附图说明
图1所示为本发明具体实施方式的平面布局示意图，图中所示：支架11、安装在支架11上的若干个CPC光伏集热一体化装置1，热电制冷片2(包括热端通道12、冷端通道13)，热水储水箱3、循环泵4、温度传感器6以及阀门、管道等辅件。
图2所示为图1中CPC光伏集热一体化装置1沿A—A截面剖示意图，图中所示：聚光器7、玻璃盖板8、光伏电池9、一种铝材加工成型的内置平行流道式集热板10。
图3所示为CPC光伏集热一体化装置示意图。
图4所示为热电制冷片2以及集热介质流道示意图。
图5所示为光伏电池电量利用示意图，图中所示：CPC光伏集热一体化装置1、热电制冷片2、循环泵4、光伏控制器14、蓄电池15、光伏逆变器16。
具体实施方式
以下对照附图，通过具体实施方式的描述，对本发明作进一步详细说明。图1所示为本发明具体实施方式的平面布局示意图。如图1所示，本发明的太阳能光伏光热双高效换热装置，包括CPC光伏集热一体化装置1，热电制冷片2和换热管5，在换热管5内有集热介质；CPC光伏集热一体化装置1安装在支架11上，热电制冷片包括热端通道12和冷端通道13，热端通道12分别与光伏集热装置1出口端和换热管5的入口端连接；冷端通道13分别与换热管5出口端和光伏集热装置1的入口端连接。热端通道12对从光伏集热装置1中流出的集热介质进行进一步加热，以获得高温集热介质。冷端通道13对从换热管5流出的已经换过热的集热介质进行制冷，得到冷却后的集热介质。本发明的太阳能光伏光热双高效换热装置可以将换热管5安装到水箱中作为热水器，如图1所示，换热管5安装在热水储水箱3中，其中热水储水箱3设有冷水进口1-1、热水储水箱热水出口1-2；其中冷水从进口1-1进入热水储水箱，在热水储水箱3中换热管外与管内集热介质进行换热得到较高温度的热水，需要取用热水时经热水出口1-2流出。同时在热水储水箱3中再安装温度传感器6以检测热水储水箱3中的热水温度。并且温度传感器6可监测到流出热水箱换热管的集热介质温度，在集热循环初始时，当监测到集热介质低于某个设定值(如30℃)时，断开热电制冷片2供电，而当监测到流出热水箱换热管的集热介质温度高于设定值时，开启热电制冷片2。但本发明并不止于此，本发明的换热管5也可以安装到其他诸如供暖设备，加热器等等其他需要换热装置的设备中。
如图1所示，本发明的太阳能光伏光热双高效换热装置还包括循环泵4；循环泵4安装在热电制冷片2的冷端通道13出口与光伏集热装置入口之间，用于驱动换热管中的集热介质流动。
如图2所示为CPC光伏集热一体化装置1沿A—A截面剖示意图，CPC光伏集热一体化装置1包括聚光器7、设置在聚光器7底部聚光处的光伏电池9以及设置在光伏电池9下的集热板10。集热板10为铝材加工成型的内置有用于集热介质流通的平行流道式集热通道，众多研究表明，该种形式的集热效果明显优于普通圆铜管与铝吸热板结合的集热效果，故在该发明中优先选用内置平行流道式集热板。同时，可在聚光器7外侧以及集热板10下部敷设泡沫保温板保温，有利于防止热量散失。
CPC光伏集热一体化装置1的聚光器7开口位置还可根据实际需要综合考虑是否加装密封装置玻璃盖板8。在太阳辐射充足情况下，加入玻璃盖板8进行密封会形成温室效应，不仅减少了光的透过性，同时提高了电池板的温度，这对于提高电池板的输出功率是不利的，但是在冬季温度较低的情况下使用密封装置会有利于保温和集热效果，并且对电池板的影响不大。
图3为CPC光伏集热一体化装置示意图。如图3所示，本发明的CPC光伏集热一体化装置1可安装在屋顶通过支架支撑朝南倾斜或者竖直放置，也可贴于朝南方向的阳台或者墙体外表面。
图4所示为热电制冷片2以及集热介质流道示意图。如图4所示，集热介质从换热管5流出之后流经热电制冷片2的冷端通道-13，使得集热介质得到预冷，预冷后的集热介质从下端进入集热板10的集热通道，从上端流出，在此过程中对集热板以及其上的光伏电池进行冷却，同时自身温度得到提升，然后流经热电制冷片的热端通道13进行加热，集热介质温度得到进一步提高，可得到满足需求的高温集热介质。同时，在整个集热介质循环流动过程中，集热介质流经热电片冷端时提高了冷端温度以及流经热电片热端时降低了热端温度，从而减少了热电片两端的温差，提高热电片的工作性能，并且两个过程的组合形成了“热泵加热效应”，其热效应显著优于电阻丝加热。
图5所示为光伏电池电量利用示意图。如图5所示，光伏发电经过光伏控制器14，控制太阳能电池对蓄电池15充电，经逆变器16逆变供交流负载利用，供给直流负载利用以及蓄电池供给直流负载电量。本发明中热电制冷片2工作以及循环泵4运转所需电量均作为直流负载由光伏控制器14控制提供，实现了光伏电池原地发电原地利用，有利于提高能源利用效率。光伏电池多余的发电量经过逆变器16可并网利用，进一步提高本发明的经济性。在太阳辐射不足时可由蓄电池15提供电量使得热电制冷片2和循环泵4工作，可以在太阳能集热不足的情况下，依旧获得高温集热介质用于生活热水的加热或者供暖等等生活所需。
本发明的太阳能光伏光热双高效换热装置，集热介质可采用乙二醇水溶液等凝固点低的液体，集热介质总体流程为图1中箭头所示，在循环泵4驱动下，依次经过换热管5、热电制冷片的冷端通道13、集热板10的内置平行流道、热电制冷片的热端通道12，然后又回到换热管5中，循环往复的流动。在集热介质流动过程中，可在集热介质管道在适当位置外敷设保温层，防止热量以及冷量散失。
为满足人们对于高温集热介质的需求，本发明采用热电制冷片的作用要优于电辅热方式。这是因为：
1)若采用热电制冷片，假设集热介质总得热量为Q、集热介质从CPC光伏集热一体化装置1获得的集热量为QS、热电制冷片热端加热量QH、热电制冷片冷端制冷量为QL、向热电制冷片提供的电量E热电片。
有：Q＝Qs+E热电片＝QS+QH-QL(其中E热电片＝QH-QL，在此假设电热转换率为100％)
2)若采用电辅热，假设集热介质总得热量为Q1、集热介质从CPC光伏集热一体化装置获得的集热量为QS 1、电辅热方式提供的用于加热的电量E电阻丝。
有：Q1＝QS 1+E电阻丝
已知光伏电池发电量EPV与光伏电池温度负相关，光伏电池温度越低，发电量EPV越大。由于采用热电制冷片，其冷端提供的制冷量QL对集热介质起到了预冷作用，从而降低了光伏电池温度，提高了光伏效率，所以发电量EPV有所增加。并且由于实现了低温集热，其集热效率增大，散热损失减少，故采用热电制冷片时的集热介质集热量QS要大于采用电辅热时集热介质集热量QS 1。所以若在提供相同电量即E热电片＝E电阻丝的情况下，采用热电制冷片时的集热介质总得热量QS要大于采用电辅热时集热介质总集热量QS 1。所以在采用热制冷片时既能增加发电量又能增加得热量。
在本发明中，CPC聚光器相比普通热管式集热器位置布置多样化，整个系统结构配置合理，组装方便，成本也不高。在集热介质流经的各个器件中，均可拆卸清理以及更换损坏器件。
总之，本发明提供了一种系统配置合理，太阳能高效利用的换热装置，克服已有技术的不足，为太阳能光伏光热利用在人们生活领域的广泛应用，提供了技术支持。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种太阳能光伏光热双高效换热装置，其特征在于，包括光伏集热装置(1)，热电制冷片(2)以及换热管(5)；在所述换热管(5)内有集热介质，所述热电制冷片(2)包括加热集热介质的热端通道(12)和冷却集热介质的冷端通道(13)，所述热端通道(12)分别与所述光伏集热装置(1)出口端和所述换热管(5)的入口端连接；所述冷端通道(13)分别与所述换热管(5)出口端和所述光伏集热装置(1)的入口端连接。
2.根据权利要求1所述的太阳能光伏光热双高效换热装置，其特征在于，所述光伏集热装置为CPC光伏集热一体化装置(1)，包括聚光器(7)、设置在所述聚光器(7)底部聚光处的光伏电池(9)以及设置在所述光伏电池(9)下的集热板(10)，在所述集热板(10)内设置有用于集热介质流通的集热通道。
3.根据权利要求2所述的太阳能光伏光热双高效换热装置，其特征在于，在所述聚光器(7)上部开口处设有密封用的玻璃盖板(8)。
4.根据权利要求2所述的太阳能光伏光热双高效换热装置，其特征在于，在所述聚光器(7)背面和所述集热板(10)底部分别垫有用于保温的保温板。
5.根据权利要求1所述的太阳能光伏光热双高效换热装置，其特征在于，所述光伏集热装置可安装在屋顶、阳台或者墙体外表面倾斜或竖直放置。
6.根据权利要求1所述的太阳能光伏光热双高效换热装置，其特征在于，在所述热电制冷片(2)冷端通道(13)出口与光伏集热装置入口之间连接有用于驱动集热介质流动的循环泵(4)。
7.根据权利要求1所述的太阳能光伏光热双高效换热装置，其特征在于，所述热水储水箱(3)上设置有检测热水储水箱(3)内热水温度的温度传感器(6)。
8.根据权利要求1所述的太阳能光伏光热双高效换热装置，其特征在于，所述热电制冷片(2)的热端通道(12)与冷端通道(13)均设置有用于强化传热的翅片。
9.根据权利要求1所述的太阳能光伏光热双高效换热装置，其特征在于，所述集热介质为乙二醇水溶液。
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