CN108106025A - 一种太阳能光伏光热与蓄热式电锅炉联合的供电供暖系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能光伏光热与蓄热式电锅炉联合的供电供暖系统，包括由水管连通的太阳能模组、蓄水箱和电锅炉；太阳能模组包括用于太阳能发电的太阳能光伏板和设置在太阳能光伏板底部的底板，太阳能光伏板与底板之间设有热交换管路和风道；蓄水箱与外接水源连通，蓄水箱与热交换管路进口端连通；电锅炉进口端分别与热交换管路的出口端、蓄水箱连通，电锅炉出口端上设有外接用水出口。本发明的优点在于：温度调节范围广：锅炉出口温度范围为110‑180℃；自动化控制程度高：根据太阳能辐射强度动态分配电锅炉输出功率；能量梯级利用：利用太阳能、电锅炉进行联合利用、减少峰时电力的使用、提高太阳能的利用率。
Description
技术领域
本发明涉及绿色能源应用技术领域，具体涉及一种太阳能光伏光热与蓄热式电锅炉联合的供电供暖系统。
背景技术
中国能源消费过于依赖以煤炭为首的化石能源，以至于环境问题非常严峻。为了保持社会的可持续发展，我国能源安全必然要面对巨大的资源约束瓶颈及环境恶化等压力，因此发展可再生能源来替代传统化石能源势在必行。太阳能作为可再生能源，合理利用和发展太阳能是我国优化能源结构、降低环境污染、提高能源供给安全的重要途径。
太阳能对于地球来讲是取之不尽、用之不竭的清洁健康能源，是应用前景最广阔的替代能源，它必将成为今后的主导能源，开发利用太阳能，对于节约常规能源、保护自然环境、减缓气候变化等，都具有极其重大的意义。利用太阳能集热与电锅炉联合运行，可充分利用“峰谷电价”政策，降低运行成本。
一些研究者发现，照射到光伏电池表面的太阳能80％以上并未转化为电能,而是转化为热能,这些能量会导致电池组件的温度升高,从而使其光电转换光伏效率下降。如果可以通过加强散热的方式，使用流体(例如水或空气)带走热量来降低电池温度,就可以提高光伏电池的发电效率。若这些热量还可以通过被额外利用,那么这种系统就可以既产生电能还可以提供热能，因此可称之为光伏光热一体化(PV/T)系统。
早在19世纪70年代Kerlpsi就提出了太阳能光电光热一体化(PV/T)系统的概念。几十年中，大量研究工作者们从不同角度对PV/T系统进行了理论分析、仿真模拟和实验研究。对于太阳能光伏光热一体化系统的研究与应用，使得其在为用户提供清洁电能的同时，还可以为用户提供热能，可以称得上是太阳能利用相关技术中最合理发展方向之一。研究表明，PV/T系统太阳能利用总效率最高可达70％，因此利用PV/T技术，可以比传统单一太阳能利用技术——太阳能光伏和太阳能热水器，用同样的面积生产出更多的能量。
电锅炉则是以电为能源，利用电阻发热、电磁感应或电极发热，通过锅炉的换热部位把热媒水或有机热载体(导热油)加热到一定参数(温度、压力)时，向外输出具有额定工质的一种热能机械设备。电锅炉使用安全、灵活，比较适合替代中小型燃煤锅炉。此外，电锅炉高度智能化，不需要专人看管，在运营维护成本和安全隐患方面有所降低。但电锅炉系统运行成本受电价政策(谷峰电价)的影响较大，易出现运行成本较高，收益较低的问题。
发明内容
本发明的目的就是要针对现有装置的不足，提供一种太阳能光伏光热与蓄热式电锅炉联合的供电供暖系统，其结合太阳能供热供电和电锅炉供热的优点，节省电能，运行成本小，太阳能利用率高，实现了能量的梯级利用。
为实现上述目的，本发明所涉及的一种太阳能光伏光热与蓄热式电锅炉联合的供电供暖系统，包括由水管连通的太阳能模组、蓄水箱和电锅炉；所述太阳能模组包括用于太阳能发电的太阳能光伏板和设置在太阳能光伏板底部的底板，所述太阳能光伏板与底板之间设有热交换管路和风道；所述蓄水箱与外接水源连通，所述蓄水箱与热交换管路进口端连通；所述电锅炉进口端分别与热交换管路的出口端、蓄水箱连通，所述电锅炉出口端上设有外接用水出口。
进一步地，所述太阳能模组上还设有玻璃面板，所述玻璃面板设置在太阳能光伏板上。
进一步地，所述热交换管路采用U型管设计，按太阳能光伏板的面积不同分为单U、双U和三U等结构。
更进一步地，所述风道的进口端设有风机，所述风道的进口端设置在热交换管路的出口处，所述风道的出口端设置在热交换管路的进口处。
进一步地，所述蓄水箱与电锅炉之间的水管上设有冷水进水泵，所述蓄水箱与热交换管路之间的水管上设有进水阀，所述外接水源上设有外接水阀。
更进一步地，所述热交换管路与电锅炉之间的水管上设有热水进水泵，所述电锅炉的出口端还设有用于控制电锅炉内水温的温度控制器。
作为实施例之一，所述热交换管路和风道为同一管路，所述热交换管路的出口端设有风冷水冷转换阀门，所述风冷水冷转换阀门上分别连通有风机和与电锅炉连通的水管，所述热交换管路的进口端也设有转换阀门，所述转换阀门上分别连通有出风口和与蓄水箱连通的水管。
本发明的优点在于：
1、温度调节范围广：锅炉出口温度可按照终端使用要求进行设置，温度范围为110-180℃；
2、自动化控制程度高：根据太阳能辐射强度动态分配电锅炉输出功率，能实现温度、压力和流量的精确调节及安全连锁控制，运行安全可靠；
3、能量梯级利用：利用太阳能、电锅炉进行联合利用、减少峰时电力的使用、提高太阳能的利用率。
附图说明
图1为本发明的系统组成示意图；
图2为水路切换机构的结构示意图；
图3为单U集热器的结构示意图；
图4为太阳能模组的水箱温度变化曲线图；
图5为太阳能模组的光电转换效率图；
图6为实施例中阳光辐照强度变化曲线图；
图7为实施例中环境温度变化曲线图；
图8为实施例中环境风速变化曲线图。
图中：太阳能模组1(其中：太阳能光伏板1.1、底板1.2、热交换管路1.3、风冷水冷转换阀门1.3.1、转换阀门1.3.2、出风口1.3.3、风道1.4、风机1.4.1、玻璃面板1.5)、蓄水箱2(其中：外接水源2.1、进水阀2.2、外接水阀2.3)、电锅炉3(其中：外接用水出口3.1、温度控制器3.2)、水管4(其中：冷水进水泵4.1、热水进水泵4.2)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
如图1～2，一种太阳能光伏光热与蓄热式电锅炉联合的供电供暖系统，包括由水管4连通的太阳能模组1、蓄水箱2和电锅炉3；
所述太阳能模组1包括用于太阳能发电的太阳能光伏板1.1和设置在太阳能光伏板1.1底部的底板1.2，所述太阳能光伏板1.1与底板1.2之间设有热交换管路1.3和风道1.4；所述太阳能模组1上还设有玻璃面板1.5，所述玻璃面板1.5设置在太阳能光伏板1.1上。所述热交换管路1.3采用U型管设计，按太阳能光伏板1.1的面积不同分为单U、双U和三U等结构。所述风道1.4的进口端设有风机1.4.1，所述风道1.4的进口端设置在热交换管路1.3的出口处，所述风道1.4的出口端设置在热交换管路1.3的进口处。
所述蓄水箱2与外接水源2.1连通，所述蓄水箱2与热交换管路1.3进口端连通；所述蓄水箱2与电锅炉3之间的水管4上设有冷水进水泵4.1，所述蓄水箱2与热交换管路1.3之间的水管4上设有进水阀2.2，所述外接水源2.1上设有外接水阀2.3。
所述电锅炉3进口端分别与热交换管路1.3的出口端、蓄水箱2连通，所述电锅炉3出口端上设有外接用水出口3.1。所述热交换管路1.3与电锅炉3之间的水管4上设有热水进水泵4.2，所述电锅炉3的出口端还设有用于控制电锅炉3内水温的温度控制器3.2。
作为实施例之一，所述热交换管路1.3和风道1.4为同一管路，所述热交换管路1.3的出口端设有风冷水冷转换阀门1.3.1，所述风冷水冷转换阀门1.3.1上分别连通有风机1.4.1和与电锅炉3连通的水管4，所述热交换管路1.3的进口端也设有转换阀门1.3.2，所述转换阀门1.3.2上分别连通有出风口1.3.3和与蓄水箱2连通的水管4。
实际使用时：
如图3～8，控制系统由温度传感器(Ta，Tb，Tc、电动阀门(Ka，Kb，Kc)、PLC控制器构成。它包含光伏利用、光热利用和电锅炉利用，流程如下：
1、光伏利用：利用太阳能光伏面板进行光电转换；
2、光热利用：利用水吸收太阳能光伏面板上的热量；
3、电锅炉利用：利用电锅炉对水进行加热；
以光伏光热一体化(PV/T)系统与电锅炉夏季使用为例，通过理论计算来分析该模型的能效：
其中玻璃盖板的传热方程为：
0＝G(1-γg)+(hw+hrga)(Ta-Tg)+(hcg+hrcg)(Tc-Tg) (1)
式中T——温度、t——时间、G——单位面积下的阳光辐照强度，γ——透过率、hw——空气的对流换热系数、hrga——玻璃和环境的辐射换热系数、hcg——玻璃和集热器的对流换热系数、hrcg——玻璃板与集热器的换热系数，角标g，a，c指代玻璃，环境和集热器。
hw和hcg可以根据公式(2)和(3)求得：
hw＝3.8u+5.7 (2)
式中u——环境风速、Lgc——玻璃盖板和光伏面板之间的间隙。
hrga和hrcg则通过公式(4)和公式(5)计算：
式中ε——发射率、σ——史蒂夫—玻尔兹曼常数。对于光伏模块而言，传热方程为：
Af——集热器单位面积下冷却水流道的内表面积、α——吸收率、角标f指代冷却水、E——单位面积下的光电转化平均功率：
E＝Gηe[1-β(Tc-293)] (7)
ηe——光伏电池在基准条件下(293K)的光电转化效率、β——温度系数。
Rin——系统的热损，若假设该装置四周绝缘良好，Rin可以被近似表示为：
对于冷却水而言，传热方程为：
hcf——冷却水的对流换热系数：
Nuf——努赛尔数，Nuf＝4.11、kw——水的导热率、Dh——水利半径、a1和c1——铜管横截面的宽和高度、m为质量流量：
m＝ρfufAz (12)
Az——系统冷却水流道的总横截面积、uf——冷却水在流道中的流速，x为沿流道方向的长度。
对于水箱而言，其内部水温由方程(12)表示：
式中n——换热管个数、T1f——水箱中水的温度、L——太阳能吸热装置的长度、T1f-new——水箱受到加热后的水温。解方程(1)～(12)的方程组来计算PV/T系统的性能曲线。
按照以上结果，可以发现一块1×1m2的太阳能光伏光热系统可以将水箱的水温加热到42摄氏度左右，通过方程(14)可以计算出为电锅炉节约电量约：
Q＝(Tf-Ta)Cfm (14)
式中：Q为太阳能光伏光热系统为电锅炉节省的电量，根据表1中的数据计算，Q＝2.38kWh。同时还通过计算，发现通过光伏面板有约0.3kWh的电能产出。综上所述，一块1m2的太阳能光伏光热一体化系统可以提供约2.68kWh的电能替代量。
表1计算中所输入的相关参数
最后，应当指出，以上实施例仅是本发明较有代表性的例子。显然，本发明不限于上述实施例，还可以有许多变形。凡依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应认为属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种太阳能光伏光热与蓄热式电锅炉联合的供电供暖系统，其特征在于：包括由水管(4)连通的太阳能模组(1)、蓄水箱(2)和电锅炉(3)；
所述太阳能模组(1)包括用于太阳能发电的太阳能光伏板(1.1)和设置在太阳能光伏板(1.1)底部的底板(1.2)，所述太阳能光伏板(1.1)与底板(1.2)之间设有热交换管路(1.3)和风道(1.4)；
所述蓄水箱(2)与外接水源(2.1)连通，所述蓄水箱(2)与热交换管路(1.3)进口端连通；
所述电锅炉(3)进口端分别与热交换管路(1.3)的出口端、蓄水箱(2)连通，所述电锅炉(3)出口端上设有外接用水出口(3.1)。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏光热与蓄热式电锅炉联合的供电供暖系统，其特征在于：所述太阳能模组(1)上还设有玻璃面板(1.5)，所述玻璃面板(1.5)设置在太阳能光伏板(1.1)上。
3.根据权利要求2所述的一种太阳能光伏光热与蓄热式电锅炉联合的供电供暖系统，其特征在于：所述热交换管路(1.3)采用U型管设计，按太阳能光伏板(1.1)的面积不同分为单U、双U和三U等结构。
4.根据权利要求3所述的一种太阳能光伏光热与蓄热式电锅炉联合的供电供暖系统，其特征在于：所述风道(1.4)的进口端设有风机(1.4.1)，所述风道(1.4)的进口端设置在热交换管路(1.3)的出口处，所述风道(1.4)的出口端设置在热交换管路(1.3)的进口处。
5.根据权利要求4所述的一种太阳能光伏光热与蓄热式电锅炉联合的供电供暖系统，其特征在于：所述蓄水箱(2)与电锅炉(3)之间的水管(4)上设有冷水进水泵(4.1)，所述蓄水箱(2)与热交换管路(1.3)之间的水管(4)上设有进水阀(2.2)，所述外接水源(2.1)上设有外接水阀(2.3)。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的一种太阳能光伏光热与蓄热式电锅炉联合的供电供暖系统，其特征在于：所述热交换管路(1.3)与电锅炉(3)之间的水管(4)上设有热水进水泵(4.2)，所述电锅炉(3)的出口端还设有用于控制电锅炉(3)内水温的温度控制器(3.2)。
7.根据权利要求6所述的一种太阳能光伏光热与蓄热式电锅炉联合的供电供暖系统，其特征在于：所述热交换管路(1.3)和风道(1.4)为同一管路，所述热交换管路(1.3)的出口端设有风冷水冷转换阀门(1.3.1)，所述风冷水冷转换阀门(1.3.1)上分别连通有风机(1.4.1)和与电锅炉(3)连通的水管(4)，所述热交换管路(1.3)的进口端也设有转换阀门(1.3.2)，所述转换阀门(1.3.2)上分别连通有出风口(1.3.3)和与蓄水箱(2)连通的水管(4)。
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