CN104913543A - 一种热电联产复合供能系统及其工作方法 - Google Patents

一种热电联产复合供能系统及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种热电联产复合供能系统，主要包括热管式光伏发电集热器、压缩机、水冷式冷凝器、风冷式蒸发器、膨胀阀、水泵和蓄热水箱。通过对热管式光伏发电组件结构和系统巧妙设计，把热管集热、光伏发电、光伏热泵循环和空气源热泵循环有机结合起来。本发明还提供了上述热电联产复合供能系统的工作方法，并且可以根据实际需求采用不同的运行模式：“光伏发电+热管集热”模式、“光伏发电+光伏热泵循环+热管集热”模式、“空气源热泵循环”模式。在热管集热和光伏热泵循环不能满足需求的情况下，空气源热泵循环作为辅助措施，确保系统安全稳定运行。

Description

一种热电联产复合供能系统及其工作方法
技术领域
本发明涉及太阳能利用技术领域，具体来说涉及太阳能热电联产中的一种新型热管式光伏发电集热组件以及应用了该热管式光伏发电集热组件的一种热管式光伏发电集热器和一种热电联产复合供能系统。
背景技术
目前，太阳能利用技术主要包括太阳能光伏发电和太阳能热水器。太阳能热水器主要用于家用生活热水，但用于建筑热水采暖时，存在出水温度不高、热效率低和稳定性差等问题。太阳能光伏板是太阳能发电的主要装置，它不但可以发电供给建筑用电，而且可以用作建筑的外饰面，与建筑本身形成一体，既实用又美观。但目前，太阳能光伏板光电转换效率低，单晶硅光伏板发电效率最高约17-19％，多晶硅光伏板发电效率约15％。相关研究表明，光伏板发电效率与其工作温度有着非常重要的关系。光伏板温度越高，其发电效率越低，且温度每上升10℃，效率约降低0.5％。因此，为了提高太阳能光伏板发电效率，可以通过对其进行冷却，降低其工作温度来实现。
近几年，一些学者通过利用空气或水对太阳能光伏板进行冷却，研究发现，用水冷却太阳能光伏板比空气冷却效果好。但是，当对出水温度要求较高时，冷却效果减弱，进而发电效率降低；若出水温度较低，则无法直接用于建筑采暖和家用生活热水。如果把光伏板冷却措施与热泵循环结合起来，采用制冷工质直接冷却光伏板，不但可以把光伏板用作热泵循环的蒸发器，为热泵循环提供热源，而且由于其沸点低，可以取得更好的冷却效果，提高太阳能光伏板电效率。少数学者研究了平板式太阳能光伏热泵系统，其电效率比水和空气冷却措施下提高很多，但仍然存在两个问题。一是平板式光伏板正面热损失高，导致热效率下降，二是为抵抗风荷载采用加固措施导致屋面荷载增加。
另外，在非采暖季建筑只有生活热水需求，热负荷减少，对水温的要求也相应降低，此时，若仍然通过热泵循环提供热量来满足生活热水负荷需求形同“大马拉小车”，消耗大量电能。
发明内容
本发明的目的正是为了克服上述已有技术的不足而提出了一种热管式光伏发电集热组件以及应用了该热管式光伏发电集热组件的一种热管式光伏发电集热器和一种热电联产复合供能系统。
本发明提供了如下技术方案：
一种热管式光伏发电集热组件，主要包括双玻真空管、铝板、光伏板、U型铜管和热管；铝板纵向两端向下卷起，该卷起的两端分别包住U型铜管的一侧管；铝板中间呈向上的凹弧形包夹热管；热管的蒸发端的正向外表面涂有吸热涂层；两个窄条型光伏板粘贴在的铝板上并分别位于热管两侧；U型铜管和热管用导热胶粘贴在铝板上；将上述的由铝板、光伏板、U型铜管、热管组成的结构置于双玻真空管中，且U型铜管的开放端及热管的冷凝端从双玻真空管一端伸出。
其中，热管式光伏发电集热组件的两个光伏板的电极相串联或并联后由引出线自双玻真空管的一端引出。
一种热管式光伏发电集热器，由多个前述的热管式光伏发电集热组件和联箱组成；不同热管式光伏发电集热组件的U型铜管之间的开放端串联连接，不同热管式光伏发电集热组件的热管的冷凝端插入联箱。
热管式光伏发电集热器中各热管式光伏发电集热组件的光伏板引出线采用串/并联组合。
一种热电联产复合供能系统，由上述热管式光伏发电集热器、压缩机、水冷式冷凝器、风冷式蒸发器、膨胀阀、水泵和蓄热水箱组成；其中，热管式光伏发电集热器与压缩机、水冷式冷凝器、风冷式蒸发器、膨胀阀相连形成热泵循环系统；热泵循环系统中：压缩机与膨胀阀分别连接在热管式光伏发电集热器两侧的U型铜管开放端延伸管路上，热管式光伏发电集热器通过U型铜管开放端的延伸管路与风冷式蒸发器和水冷式冷凝器的冷凝器侧并联；水冷式冷凝器的冷却水侧与联箱并联后连接到蓄热水箱；联箱与水泵和蓄热水箱串联连接。
其中，上述热电联产复合供能系统中：热管式光伏发电集热器通过U型铜管开放端的延伸管路与风冷式蒸发器构成空气源热泵循环；热管式光伏发电集热器通过U型铜管开放端的延伸管路与水冷式冷凝器构成光伏热泵循环。
其中，上述热电联产复合供能系统中：在水泵出水端与水冷式冷凝器的冷却水侧联通的管路上设置阀门一，以控制水冷式冷凝器的冷却水侧与蓄热水箱构成的水环路的开关和水量比例；在水泵出水端与联箱联通的管路上设置阀门二，以控制联箱与蓄热水箱构成的水环路的开关和水量比例；在风冷式蒸发器的冷却水出口或进口侧管路上设置阀门三，以控制空气源热泵循环；在水冷式冷凝器的蒸发冷凝侧设置阀门四，以控制光伏热泵循环。
一种基于前述热电联产复合供能系统的工作方法，所述热管式太阳能热电联产复合供能系统可选择如下三种模式之一运行：
(1)“光伏发电+热管集热”模式：关闭阀门一和阀门三，在非采暖季太阳辐射强度较高的情况下，通过热管集热提供生活热水，光伏发电提供建筑用电，热管对光伏板起到冷却作用，无需运行热泵循环和空气源热泵循环；
(2)“光伏发电+光伏热泵循环+热管集热”模式：关闭阀门三，在整个采暖季或者非采暖季太阳辐射强度较低的情况下，通过热管集热提供部分用热，光伏热泵循环提供其余用热，可以根据太阳辐射强度和热水温度需求调节流经联箱和水冷式冷凝器的水量比例，光伏发电提供建筑用电，水冷式冷凝器和热管同时对光伏板起到冷却作用；
(3)“光伏发电+空气源热泵循环”模式：关闭阀门二和阀门四，在太阳能无法满足用热需求的情况下，通过空气源热泵循环提供建筑空气采暖用热，光伏发电提供建筑用电，风冷式蒸发器对光伏板起到冷却作用，保证系统安全稳定运行。
本发明通过巧妙地设计热管式光伏发电集热组件的结构，在提高光伏板冷却效果和发电效率的同时，有效减小了热管式光伏发电集热器的热损失，解决了平板式太阳能集热器正面热损失高和增加承重荷载的问题。另外，真空管式结构设计，可以减小风荷载和承重荷载。
另外，本发明把热管式集热、光伏发电、光伏热泵循环、空气源热泵循环合四为一，实现热电联供且相互促进。热泵循环可以提高系统的出水温度用于洗浴、冬季水暖散热器采暖等，空气源热泵循环用作辅助措施，提高了系统整体性能、热效率和稳定性，减小了非采暖季电耗。
附图说明
图1是包含有热管式光伏发电集热器结构的热电联产复合供能系统平面图；
图2是热管式光伏发电集热组件结构示意图。
具体实施方式
本发明的具体技术方案是：
如图2所示，一种热管式光伏发电集热组件，主要包括双玻真空管4、铝板16、光伏板7、U型铜管6和热管5。将铝板16纵向长度上的两端向下卷起，分别紧夹着U型铜管6其中一侧管，铝板16中间呈向上的凹弧形包夹着热管5，在热管5蒸发端的正向外表面(即朝阳面)涂上吸热涂层17，把两个窄条型光伏板7粘贴在的铝板16上并分别位于热管5两侧，将铝板16与U型铜管6和热管5用导热胶粘贴；将上述铝板16、光伏板7、U型铜管6、热管5组成的结构放置于双玻真空管4中，且U型铜管6的开放端和热管5的冷凝端从双玻真空管4一端伸出，从而形成一个热管式光伏发电集热组件。U型铜管6内为制冷剂通道。两个光伏板7的电极相串联或并联后由光伏板引出线自双玻真空管4的某一端引出，该结构采用常规技术手段即可实施，故在附图中未予图示。
U型铜管6内充填制冷剂，对两个窄条型光伏板7进行冷却。制冷剂比其它介质(例如水)冷却效果好，可以提高发电效率，同时制冷剂吸热蒸发，通过热泵循环提升能级。
可以根据热电负荷需求，将若干个热管式光伏发电集热组件进行并联连接，与联箱3构成热管式光伏发电集热器。不同的热管式光伏发电集热组件的U型铜管6之间的开放端串联连接，不同热管式光伏发电集热组件的热管5的冷凝端插入联箱3中。联箱3内为冷却水。热管式光伏发电集热器中各光伏板引出线可根负荷据需要进行串/并联组合，该结构为现有技术故未图示。
本发明还提出了一种热电联产复合供能系统，由上述的热管式光伏发电集热器、压缩机11、水冷式冷凝器8、风冷式蒸发器9、膨胀阀10、水泵2和蓄热水箱1组成。热管式光伏发电集热器与压缩机11、水冷式冷凝器8、风冷式蒸发器9、膨胀阀10相连形成热泵循环系统。其中，压缩机11与膨胀阀10分别连接在热管式光伏发电集热器两侧的U型铜管开放端延伸管路上，热管式光伏发电集热器通过U型铜管开放端的延伸管路与风冷式蒸发器9和水冷式冷凝器8的蒸发冷凝侧并联。水冷式冷凝器8的冷却水侧与联箱3并联后连接到蓄热水箱1；联箱3与水泵2和蓄热水箱1串联连接。
其中，热管式光伏发电集热器通过U型铜管开放端的延伸管路与风冷式蒸发器9构成空气源热泵循环；热管式光伏发电集热器通过U型铜管开放端的延伸管路与水冷式冷凝器8构成光伏热泵循环。
在热电联产复合供能系统的管路中增设控制阀门，可以实现不同工作模式，以满足不同的负荷需求。其中，在水泵2出水端与水冷式冷凝器8的冷却水侧联通的管路上设置阀门一12，以控制水冷式冷凝器8的冷却水侧与蓄热水箱1构成的水环路的开关和水量比例；在水泵2出水端与联箱3联通的管路上设置阀门二13，以控制联箱3与蓄热水箱1构成的水环路的开关和水量比例；在风冷式蒸发器9的冷却水出口或进口侧管路上设置阀门三14，以控制空气源热泵循环；在水冷式冷凝器8的蒸发冷凝侧设置阀门四15，以控制光伏热泵循环。
本发明的热电联产复合供能系统可以根据实际情况选择采用如下不同的运行模式之一：
●“光伏发电+热管集热”模式：关闭阀门一12、阀门三14。在非采暖季太阳辐射强度较高的情况下，通过热管集热提供生活热水，光伏发电提供建筑用电，热管对光伏板起到冷却作用，无需运行热泵循环和空气源热泵循环。
●“光伏发电+光伏热泵循环+热管集热”模式：关闭阀门三14。在整个采暖季或者非采暖季太阳辐射强度较低的情况下，通过热管集热提供部分用热，光伏热泵循环提供其余用热，可以根据太阳辐射强度和热水温度需求调节流经联箱和水冷式冷凝器的水量比例，光伏发电提供建筑用电，水冷式冷凝器和热管同时对光伏板起到冷却作用。
●“光伏发电+空气源热泵循环”模式：关闭阀门二13、阀门四15。在太阳能无法满足用热需求的情况下，通过空气源热泵循环提供建筑空气采暖用热，光伏发电提供建筑用电，风冷式蒸发器对光伏板起到冷却作用，保证系统安全稳定运行。

Claims (4)

1.一种热电联产复合供能系统，由热管式光伏发电集热器、压缩机(11)、水冷式冷凝器(8)、风冷式蒸发器(9)、膨胀阀(10)、水泵(2)和蓄热水箱(1)组成；其特征在于：其中，
所述热管式光伏发电集热器由多个热管式光伏发电集热组件和联箱(3)组成；所述的热管式光伏发电集热组件，主要包括双玻真空管(4)、铝板(16)、光伏板(7)、U型铜管(6)和热管(5)；
铝板(16)纵向两端向下卷起，该卷起的两端分别包住U型铜管(6)的一侧管；铝板(16)中间呈向上的凹弧形包夹热管(5)；
热管(5)的蒸发端的正向外表面涂有吸热涂层(17)；
两个窄条型光伏板(7)粘贴在的铝板(16)上并分别位于热管(5)两侧；
U型铜管(6)和热管(5)用导热胶粘贴在铝板(16)上；
将上述的由铝板(16)、光伏板(7)、U型铜管(6)、热管(5)组成的结构置于双玻真空管(4)中，且U型铜管(6)的开放端及热管(5)的冷凝端从双玻真空管(4)一端伸出；
两个光伏板(7)的电极相串联或并联后由光伏板引出线自双玻真空管(4)的一端引出；
不同热管式光伏发电集热组件的U型铜管(6)之间的开放端串联连接，不同热管式光伏发电集热组件的热管(5)的冷凝端插入联箱(3)；
所述热管式光伏发电集热器与压缩机(11)、水冷式冷凝器(8)、风冷式蒸发器(9)、膨胀阀(10)相连形成热泵循环系统；
上述热泵循环系统中：压缩机(11)与膨胀阀(10)分别连接在热管式光伏发电集热器两侧的U型铜管开放端延伸管路上，热管式光伏发电集热器通过U型铜管开放端的延伸管路与风冷式蒸发器(9)和水冷式冷凝器(8)的冷凝器侧并联；水冷式冷凝器(8)的冷却水侧与联箱(3)并联后连接到蓄热水箱(1)；
联箱(3)与水泵(2)和蓄热水箱(1)串联连接。
2.如权利要求1所述的一种热电联产复合供能系统，其特征在于：
热管式光伏发电集热器通过U型铜管开放端的延伸管路与风冷式蒸发器(9)构成空气源热泵循环；热管式光伏发电集热器通过U型铜管开放端的延伸管路与水冷式冷凝器(8)构成光伏热泵循环。
3.如权利要求2所述的一种热电联产复合供能系统，其特征在于：
在水泵(2)出水端与水冷式冷凝器(8)的冷却水侧联通的管路上设置阀门一(12)，以控制水冷式冷凝器(8)的冷却水侧与蓄热水箱(1)构成的水环路的开关和水量比例；在水泵(2)出水端与联箱(3)联通的管路上设置阀门二(13)，以控制联箱(3)与蓄热水箱(1)构成的水环路的开关和水量比例；在风冷式蒸发器(9)的冷却水出口或进口侧管路上设置阀门三(14)，以控制空气源热泵循环；
在水冷式冷凝器(8)的蒸发冷凝侧设置阀门四(15)，以控制光伏热泵循环。
4.一种基于权利要求3所述的热电联产复合供能系统的工作方法，其特征在于：所述热电联产复合供能系统选择如下三种模式之一运行：
(1)“光伏发电+热管集热”模式：关闭阀门一(12)和阀门三(14)，在非采暖季太阳辐射强度较高的情况下，通过热管集热提供生活热水，光伏发电提供建筑用电，热管对光伏板起到冷却作用，无需运行热泵循环和空气源热泵循环；
(2)“光伏发电+光伏热泵循环+热管集热”模式：关闭阀门三(14)，在整个采暖季或者非采暖季太阳辐射强度较低的情况下，通过热管集热提供部分用热，光伏热泵循环提供其余用热，可以根据太阳辐射强度和热水温度需求调节流经联箱和水冷式冷凝器的水量比例，光伏发电提供建筑用电，水冷式冷凝器和热管同时对光伏板起到冷却作用；
(3)“光伏发电+空气源热泵循环”模式：关闭阀门二(13)和阀门四(15)，在太阳能无法满足用热需求的情况下，通过空气源热泵循环提供建筑空气采暖用热，光伏发电提供建筑用电，风冷式蒸发器对光伏板起到冷却作用，保证系统安全稳定运行。
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