CN106788237B - 一种新型相变型高效光伏系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型相变型高效光伏系统，包括PV/T装置、外管道、循环泵、水箱、用水端，所述PV/T装置、水箱和循环泵按通过外管道按顺序连接形成循环，所述水箱与用水端连接，所述上集热管通过外管道与水箱的流体入口连接，所述下集热管通过外管道与循环泵连接，所述光伏电池板与电网连接，将转化后的电能传输至电网。本发明利用相变微胶囊强化热传递，通过水循环持续吸收光伏板持续散发出来的热量，并实现余热利用，同时采用监测控制系统，即时冷却光伏板，使光伏板效率最大化。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型相变型高效光伏系统，光伏技术领域。
背景技术
随着全球太阳能发电技术进步和产业规模的扩大，太阳能将成为重要的可再生能源之一。太阳能电池，是一种将太阳的光能直接转化为电能的半导体器材。在当今能源短缺的情形下，太阳能电池是一种有广阔发展前景的新型能源。
在实验室条件下，光伏板仅有不足15-20%光能转化为电能，转化效率较低，其余能量除了散失都转化为了热能，这些热能大部分被光伏组件自身吸收，使光伏板的工作温度升高，甚至高达80℃。研究表明，晶体硅太阳能电池板温度每升高一度效率将下降0.4-0.65%。过高的温度不仅会降低太阳能电池板的工作效率，同时，也会降低太阳能电池板的使用寿命。
常规的光伏组件的结构，从上至下依次为：玻璃板、上层封装材料、太阳能电池片、下层封装材料及背板。这种结构简单，但是无法解决散热问题，导致光伏板寿命不高，效率下降。
相变材料在状态改变时需要大量的热交换，可作为能量存储器。这种特性在节能，温度控制等领域有着极大的意义。相变材料减少了储热设备体积，弥补太阳能受地理和气候影响的缺陷。利用相变材料的这种性质，可以进行热能的储存和交换。
发明内容
目的：为了克服以上不足，考虑现实情况的需求，本发明提供了一种新型相变型高效光伏系统，利用相变微胶囊强化热传递，通过水循环持续吸收光伏板持续散发出来的热量，并实现余热利用，同时采用监测控制系统，即时冷却光伏板，使光伏板效率最大化。
本发明的技术方案如下：
一种新型相变型高效光伏系统，包括PV/T装置、外管道、循环泵、水箱，所述PV/T装置、水箱和循环泵通过外管道按顺序连接形成循环，所述水箱与用水端连接；
其中，所述PV/T装置包括前置玻璃板、光伏电池板、导热粘结层、定型相变材料层、扁形流体通道、上集热管、下集热管、隔热层和外壳，所述前置玻璃板和外壳将其他部件封装在内部，所述光伏电池板设置在前置玻璃板下方，所述导热粘结层涂覆在光伏电池板背面，所述导热粘结层下方设有定型相变材料层，所述扁形流体通道位于定型相变材料层下方，所述扁形流体通道与外壳之间设有隔热层，所述上集热管和下集热管分别设置在扁形流体通道的两端，且与扁形流体通道连通，所述上集热管通过外管道与水箱的流体入口连接，所述下集热管通过外管道与循环泵连接，所述光伏电池板与电网连接，将转化后的电能传输至电网。
优选地，所述定型相变材料层包括泡沫铜和相变微胶囊，所述相变微胶囊将泡沫铜紧密包覆，且相变微胶囊深入泡沫铜空隙。
优选地，所述相变微胶囊包括内部囊心和外部壁材，所述外部壁材将内部囊心完全包覆在内部，且相变微胶囊粒径在2-1000微米之间。
优选地，所述内部囊心的相变材料为结晶水合盐、石蜡类、脂肪酸类或聚乙二醇中的任意一种或几种，所述外部壁材的材料为高密度聚乙烯、石墨、聚丙烯或橡胶中的任意一种或几种。
优选地，所述扁形流体通道包括上层吸热板、下层板和焊接线，所述上层吸热板设置在定型相变材料层下方，所述下层板铺设在隔热层上方，所述焊接线设置在上层吸热板和下层板之间，将上层吸热板和下层板分隔出若干个通道，形成扁形流体通道。
优选地，所述上层吸热板和下层板由铝合金制成，所述导热粘结层采用的导热材料为含银硅脂，所述外管道为铝塑材质，并在外部包有泡沫塑料或石棉。
优选地，所述水箱包括箱体、流体入口、流体出口、冷水入口、热水出口、盘管和保温层，所述保温层铺设在箱体内壁四周，所述盘管设置在箱体内，且盘管两端分别设有流体入口和流体出口，所述流体入口通过外管道与上集热管连接，所述流体出口与循环泵连接，冷水入口和热水出口设置在水箱两端，且水流方向与盘管内流体流向相反。
优选地，所述盘管呈蛇形盘曲在水箱内。
优选地，所述保温层由内至外依次为不锈钢、保温板和防护层，且所述不锈钢内层涂抹保温涂料，所述保温板由聚苯乙烯泡沫塑料、石棉或聚氨酯材料制成。
优选地，所述PV/T装置和循环泵之间设有监测控制系统，包括热电偶探头、数据采集器和单片机控制系统，所述热电偶探头设置在光伏电池板与导热粘结层之间，且热电偶探头的线头从泡沫铜和导热粘结层之间伸出，与数据采集器连接，所述单片机控制系统分别与数据采集器和循环泵连接，由单片机控制系统根据数据采集器采集温度信息对循环泵进行控制。
有益效果：本发明提供一种新型相变型高效光伏系统，与现有技术相比具有以下优点：1）本发明内部设有两层导热层，可将光伏板的热量有效均匀地传递给相变微胶囊，相变微胶囊部分嵌入疏松多孔的泡沫铜内部，增加了导热材料与相变微胶囊的接触面积，很大程度上提高了传递的热量，强化了传热；2）当光伏板温度高于NOTC时，通过单片机控制系统启动循环泵，工质在换热换热循环回路中流动，带走相变微胶囊的潜热，使热量由光伏板通过导热材料向相变材料层传递，光伏板的热量不会在表面积累，从而达到使光伏板降温的目的；3）当热量传递到相变材料层之后，相变材料发生相变，水循环将相变材料吸收的热量带走，从而实现余热利用；4）本发明所提供的监测系统，当热电偶的温度显示光伏板温度持续上升，此时光伏板处于持续吸热，不断升温的状态，即可开启泵促使工质循环流动，吸收相变材料潜热，使其能够持续吸收光伏板的热量。这样可以即时冷却光伏板，使光伏板效率最大化。
附图说明
图1为本发明系统原理示意图：
图2是为PV/T装置A-A截面图。
图3是为PV/T装置B-B截面图。
图中：1PV/T装置、1-1前置玻璃板、1-2光伏电池板、1-3导热粘结层、1-4泡沫铜、1-5相变微胶囊、1-6上层吸热板、1-7扁形流体通道、1-8下层板、1-9上集热管、1-10焊接线、1-11隔热层、1-12外壳、1-13下集热管、2外管道、3循环泵、4-1箱体、4-2流体入口、4-3流体出口、4-4冷水入口、4-5热水出口、4-6盘管、4-7保温层、5电网、6监测控制系统。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
如图1-3所示，一种新型相变型高效光伏系统，包括PV/T装置1（太阳能光热一体化装置）、外管道2、循环泵3、水箱，所述PV/T装置1、水箱和循环泵3通过外管道2按顺序连接形成循环，所述水箱与用水端连接；其中，
所述PV/T装置1包括前置玻璃板1-1、光伏电池板1-2、导热粘结层1-3、定型相变材料层、扁形流体通道1-7、上集热管1-9、下集热管1-13、隔热层1-11和外壳1-12,所述前置玻璃板1-1和外壳1-12将其他部件封装在内部，所述光伏电池板1-2设置在前置玻璃板1-1下方，所述导热粘结层1-3涂覆在光伏电池板1-2背面，所述导热粘结层1-3下方设有定型相变材料层，所述扁形流体通道1-7位于定型相变材料层下方，所述扁形流体通道1-7与外壳1-12之间设有隔热层1-11，所述上集热管1-9和下集热管1-13分别设置在扁形流体通道1-7的上下两端，且与扁形流体通道1-7连通，所述上集热管1-9通过外管道2与水箱的流体入口连接，所述下集热管1-13通过外管道2与循环泵3连接，所述光伏电池板1-12与电网连接，将转化后的电能传输至电网。
优选地，所述定型相变材料层包括泡沫铜1-4和相变微胶囊1-5，所述相变微胶囊1-5与泡沫铜1-4紧密接触，且相变微胶囊1-5深入泡沫铜1-4空隙。
优选地，所述相变微胶囊1-5包括内部囊心和外部壁材，所述外部壁材将内部囊心完全包覆在内部，且相变微胶囊粒径在2-1000微米之间。
优选地，所述内部囊心的相变材料为结晶水合盐、石蜡类、脂肪酸类或聚乙二醇中的任意一种或几种，所述外部壁材的材料为高密度聚乙烯、石墨、聚丙烯或橡胶中的任意一种或几种。
优选地，所述扁形流体通道1-7包括上层吸热板1-6、下层板1-8和焊接线1-10，所述上层吸热板1-6设置在定型相变材料层下方，所述下层板1-8铺设在隔热层1-11上方，所述焊接线1-10设置在上层吸热板1-6和下层板1-8之间，将上层吸热板1-6和下层板1-8分隔出若干个通道，形成若干个扁形流体通道。
优选地，所述上层吸热板1-6和下层板1-8由铝合金制成，所述导热粘结层1-3采用的导热材料为含银硅脂（含银硅脂导热耐温性能良好，可均匀涂抹，帮助消除空气间隙，增加热流量，减小热阻），所述外管道2为铝塑材质，并在外部包有泡沫塑料或石棉。
优选地，所述水箱包括箱体4-1、流体入口4-2、流体出口4-3、冷水入口4-4、热水出口4-5、盘管4-6和保温层4-7，所述保温层4-7铺设在箱体4-1内壁四周，所述盘管4-6设置在箱体4-1内，且盘管4-6两端分别设有流体入口4-2和流体出口4-3，所述流体入口4-2通过外管道2与上集热管1-9连接，所述流体出口4-3与循环泵3连接，冷水入口4-4和热水出口4-5设置在水箱两端，且水流方向与盘管4-6内流体流向相反。
优选地，所述盘管4-6呈蛇形盘曲在水箱内。
优选地，所述保温层4-7由内至外依次为不锈钢、保温板和防护层，且所述不锈钢内层涂抹保温涂料，所述保温板由聚苯乙烯泡沫塑料、石棉或聚氨酯材料制成。
优选地，所述PV/T装置1和循环泵3之间设有监测控制系统6，包括热电偶探头、数据采集器和单片机控制系统，所述热电偶探头设置在光伏电池板1-2与导热粘结层1-3之间，且热电偶探头的线头从泡沫铜1-4和导热粘结层1-3之间伸出，与数据采集器连接，所述单片机控制系统分别与数据采集器和循环泵3连接，由单片机控制系统根据数据采集器采集温度信息对循环泵3进行控制。
本发明中，导热粘结层1-3涂抹在光伏电池板1-2的背面，由于其干燥凝固后的绝缘性能以及良好的导热特性，避免了残余空气存在而导致导热系数大幅下降的情况；采用泡沫铜1-4置于定型相变材料层中，一方面可以增大导热系数，另一方面可以起到稳固定型相变材料层的作用，（当相变材料吸收热量由固态变为液态，体积会有所变化），同时，泡沫铜1-4独特的多孔隙结构，可以使得泡沫铜大程度的与相变微胶囊1-5接触，增大了传热表面积，使传热更加均匀；定型相变材料层中的相变微胶囊1-5是一种固固相变材料，其内部囊心包括结晶水合盐，石蜡类、脂肪酸类和聚乙二醇中的任意一种或几种；外部壁材的材料为高密度聚乙烯、石墨、聚丙烯、橡胶等，具有封装和支撑作用。相变微胶囊比一般相变材料稳固，缓存热量的导热能力强相变变形较小，不会因相变造成装置损坏，其粒径小，可以渗入泡沫铜中，与泡沫铜紧密结合，增大传热面积，使传热迅速而均匀。所述定型相变材料层的泡沫铜与相变微胶囊紧密接触，相变微胶囊深入泡沫铜孔隙，更好的实现热量交换。
其中，内部囊心可以采用现有的相变材料，例如石蜡，具有较好的获取途径，而且温度较为适合太阳能电池板的发热温度；或对相变材料采取优化，包括62-80%（质量百分比）熔点在40-50℃范围内的石蜡和少量结晶水合盐、脂肪酸类和聚乙二醇中的任意一种或几种，外部壁材材料采用质量百分比7-25%的膨胀石墨粉末和高密度聚乙烯、聚丙烯、橡胶混合物。
如图2所示，扁形流体通道1-7的截面为扁平状，高10-20mm，壁厚0.8-3mm,材料为铝合金。且扁形流体通道采用并排直管形式布满整个上层吸热板1-6和下层板1-8之间的空间，工质由下集热管1-13沿着扁形流体通道1-7自下而上流动，汇集至上集热管1-9，由外管道2输出，送至水箱供热。
本发明采取的水循环系统，可以配合监测控制系统来实现水循环系统的启停，数据采集器端连接单片机控制系统，用于实现自动控制水循环系统的循环泵即时启停。具体原理如下：以NOTC（normal operating cell temperature）作为光伏电池板工作的反馈条件，当采集的光伏板温度低于最佳工作温度NOTE，说明定型相变材料层在不断吸收热量，进行相变，此时应控制循环泵处于关闭状态；当采集的光伏板温度高于电池板最佳工作温度NOTE，还在继续上升，说明定型相变材料层已完全相变，需要启动循环泵带动工质循环流动，此时依据采集的数据，控制开启循环泵，工质便会通过换热管层参与强制换热，吸收定型相变材料层的热量，促使定型相变材料层释放相变潜热，工质吸收的热量流经水箱，加热水箱内的水，向用户提供生活用水。
本发明中的监测控制系统中，将热电偶探头置于光伏电池板1-2与导热粘结层1-3之间，线头从泡沫铜1-4与导热粘结层1-3之间伸出，延伸至数据采集器，便可以在实验室内观察到电池板的即时温度，配合数据采集器采集的数据对相变材料的工作状态产生准确判断。
本发明中监测控制系统的工作原理如下：所述数据采集器将采集的温度信息传输至单片机控制系统，单片机控制系统设置一个允许工作温度区间，所述单片机控制系统与循环泵3连接，由单片机控制系统根据采集温度信息对循环泵进行控制，若采集温度数据高于工作温度区间则启动泵，低于温度工作区间则关闭泵。同时数据采集器可以将温度变化数据传输给单片机控制系统。
本发明中提及的单片机控制系统、数据采集器以及热电偶探头均采用常规型号种类，本领域技术人员可根据需要进行选择，故而未加详述。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种新型相变型高效光伏系统，其特征在于：包括PV/T装置、外管道、循环泵、水箱，所述PV/T装置、水箱和循环泵通过外管道按顺序连接形成循环，所述水箱与用水端连接；
其中，所述PV/T装置包括前置玻璃板、光伏电池板、导热粘结层、定型相变材料层、扁形流体通道、上集热管、下集热管、隔热层和外壳，所述前置玻璃板和外壳将其他部件封装在内部，所述光伏电池板设置在前置玻璃板下方，所述导热粘结层涂覆在光伏电池板背面，所述导热粘结层下方设有定型相变材料层，所述扁形流体通道位于定型相变材料层下方，所述扁形流体通道与外壳之间设有隔热层，所述上集热管和下集热管分别设置在扁形流体通道的两端，且与扁形流体通道连通，所述上集热管通过外管道与水箱的流体入口连接，所述下集热管通过外管道与循环泵连接，所述光伏电池板与电网连接，将转化后的电能传输至电网；
所述定型相变材料层包括泡沫铜和相变微胶囊，所述相变微胶囊与泡沫铜紧密接触，且相变微胶囊深入泡沫铜空隙。
2.根据权利要求1所述的一种新型相变型高效光伏系统，其特征在于：所述相变微胶囊包括内部囊心和外部壁材，所述外部壁材将内部囊心完全包覆在内部，且相变微胶囊粒径在2-1000微米之间。
3.根据权利要求2所述的一种新型相变型高效光伏系统，其特征在于：所述内部囊心的相变材料为结晶水合盐、石蜡类、脂肪酸类或聚乙二醇中的任意一种或几种，所述外部壁材的材料为高密度聚乙烯、石墨、聚丙烯或橡胶中的任意一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种新型相变型高效光伏系统，其特征在于：所述扁形流体通道包括上层吸热板、下层板和焊接线，所述上层吸热板设置在定型相变材料层下方，所述下层板铺设在隔热层上方，所述焊接线设置在上层吸热板和下层板之间，将上层吸热板和下层板分隔出若干个通道，形成扁形流体通道。
5.根据权利要求4所述的一种新型相变型高效光伏系统，其特征在于：所述上层吸热板和下层板由铝合金制成，所述导热粘结层采用的导热材料为含银硅脂，所述外管道为铝塑材质，并在外部包有泡沫塑料或石棉。
6.根据权利要求1所述的一种新型相变型高效光伏系统，其特征在于：所述水箱包括箱体、流体入口、流体出口、冷水入口、热水出口、盘管和保温层，所述保温层铺设在箱体内壁四周，所述盘管设置在箱体内，且盘管两端分别设有流体入口和流体出口，所述流体入口通过外管道与上集热管连接，所述流体出口与循环泵连接，冷水入口和热水出口设置在水箱两端，且水流方向与盘管内流体流向相反。
7.根据权利要求6所述的一种新型相变型高效光伏系统，其特征在于：所述盘管呈蛇形盘曲在水箱内。
8.根据权利要求6所述的一种新型相变型高效光伏系统，其特征在于：所述保温层由内至外依次为不锈钢、保温板和防护层，且所述不锈钢内层涂抹保温涂料，所述保温板由聚苯乙烯泡沫塑料、石棉或聚氨酯材料制成。
9.根据权利要求1—8任一权利要求所述的一种新型相变型高效光伏系统，其特征在于：所述PV/T装置和循环泵之间设有监测控制系统，包括热电偶探头、数据采集器和单片机控制系统，所述热电偶探头设置在光伏电池板与导热粘结层之间，且热电偶探头的线头从泡沫铜和导热粘结层之间伸出，与数据采集器连接，所述单片机控制系统分别与数据采集器和循环泵连接，由单片机控制系统根据数据采集器采集温度信息对循环泵进行控制。
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