CN108335595B - 模块式太阳能光电光热一体化系统实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及PVT系统技术领域，尤其涉及一种模块式太阳能光电光热一体化系统实验装置。包括可调高度支架、带有卡槽或滑道的底座、可自由拆卸的模拟光源模块、可自由组合的聚光模块、光伏模块以及光热模块；所述底座通过螺栓与所述可调高度支架连接；模拟光源模块由光源支架以及安装在光源支架上的可调亮度的灯组构成，光源支架通过螺栓与所述底座连接；光伏模块包括光伏组件以及光伏框架，所述光伏组件通过绝缘胶与所述光伏框架粘合固定；所述光热模块包括水系统流道或空气系统流道及光热模块框架，所述流道通过密封胶与所述光热模块框架粘合固定。本发明降低了多因素试验的实验成本，提升了试验的灵活性，增加了可实现的试验条件数量。

Description

模块式太阳能光电光热一体化系统实验装置

技术领域

本发明涉及PVT系统技术领域，尤其涉及一种模块式太阳能光电光热一体化系统实验装置。

背景技术

通过对太阳能光伏发电性能进行研究，发现光伏(PV)组件发电效率随着PV组件表面温度的升高而降低。冷却介质通过导热或对流传热，将PV组件因光伏效应产生的热量带走，进而降低PV组件表面温度，提升发电效率，并延长PV组件使用寿命。温度提升的冷却介质可作为热源进行再利用。此种方式既可以得到电又可以得到热，即太阳能光电光热一体化系统(简称PVT系统)。

近年来，国内外分别从光伏组件材质、集热体性能特性、系统光学特性及光电光热组合方式等方面对PVT系统进行设计研究。通过研究发现，选用不同PV材料，其发电效率不同。对于冷却介质，空气便于流动、收集和使用，无潜在危险，但系统体积比采用水作为冷却介质的系统大，而水在冬季寒冷地区会出现冻结。对于液体流道，热管式集热器成本较高，但可使PV组件表面温度保持良好的均匀性，进而得到较高的系统综合效率；对于空气流道，流道内扰动越强烈，传热性能越好，流体阻力越大。当PVT集热器中设有双流道时，系统的综合效率会得到进一步的提升，不同的双流道组合方式会对PVT系统性能带来不同的影响。对于流体状态，Sarhadd i对太阳能平板PVT集热器进行测试研究，发现随着进口温度的升高，综合效率降低。通过实验及模拟发现，流体流速越快，PV组件表面温度越低，流体温升越小，得热量越大，综合效率越高。从太阳辐射角度进行研究发现，综合效率随着太阳辐射值的升高而升高。PV组件表面的空气湿度越大，发电效率越低，综合效率越低。为了能够高效利用太阳能，国内外从不同影响PVT系统性能的因素角度对PVT集热器进行设计。对我国相关专利进行分析，发现部分专利强调PVT系统的聚光性，部分通过设计新型冷却工质流道强调集热部分的高效性，部分通过设计不同的光伏组件及光热组件组合形式提升系统效率，部分提出新的工艺方式将集热器制作工艺简单化，但是均没有考虑聚光性、发电性能和集热性能等因素之间的相互影响。

综上所述，各研究设计提出新型PVT系统后，均会与功能相近系统进行对比实验或模拟计算，从而确定新系统的优劣性。目前，对于新型PVT集热器的研制，为了节约实验成本，新型PVT集热器需要通过模拟计算确定具体尺寸后，才可搭建实验台并进行实验验证；但依然无法做到多因素正交实验或其中某单一变量的对比实验，进而获得最优配比的PVT系统。主要原因是影响PVT系统性能的因素多样，仅现有PVT集热器形式至少20种；并且，部分因素相互影响，提升了平行对比实验的难度；进一步的，每一种集热器均需要一个新试验台，这既增加了实验准备时长又增加了实验成本。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种模块式太阳能光电光热一体化系统实验装置，节约实验成本，缩短实验准备时长。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种模块式太阳能光电光热一体化系统实验装置，其特征在于：包括可调高度支架、带有卡槽或滑道的底座、可自由拆卸的模拟光源模块、可自由组合的聚光模块、光伏模块以及光热模块；

所述底座通过螺栓与所述可调高度支架连接；

所述模拟光源模块由光源支架以及安装在光源支架上的可调亮度的灯组构成，所述光源支架通过螺栓与所述底座连接；

所述聚光模块通过卡槽或滑道与所述底座连接；

所述光伏模块包括光伏组件以及光伏框架，所述光伏组件通过绝缘胶与所述光伏框架粘合固定，所述光伏框架通过螺栓与所述底座固定连接；

所述光热模块包括水系统模块和空气系统模块。

优选地，所述水系统模块包括直管铜管水系统、蛇形管铜管水系统、直管PVC水系统、蛇形管PVC水系统和热管系统。

优选地，所述直管铜管水系统由水系统框架以及水流道组成，水系统框架中包括数个卡槽，用于将隔板放置于不同的限位卡槽内，水流道通过隔板及限位卡槽与水系统框架进行固定，水系统框架通过螺栓与所述底座进行固定。

优选地，所述空气系统模块包括导流板式空气系统和波浪式空气系统。

优选地，所述导流板式空气系统包括导流式空气系统框架及其中的数个固定卡槽和导流板构成，所述导流板固定在所固定卡槽中，所述固定卡槽固定在导流式空气系统框架的内侧。

优选地，所述波浪式空气系统包括波浪式空气系统框架和波浪板，波浪板安装在所述波浪式空气系统框架的内部，波浪板通过改变波浪角度、板缝开孔率参数，实现不同的波浪板结构。

优选地，所述底座上设有保温层。

本发明的有益效果是:模块式PVT系统实验装置由不同形式的聚光模块、光伏模块及集热模块组成，不同的模块可嵌插入PVT集热器底座卡槽中组合为一体，连接相应集电及集热装置，可实现不同形式实验装置及不同目的的试验。本发明提出的聚光模块既可进行聚焦形式的变化，亦可随着太阳高度角的变化而变化聚焦位置，以满足不同的试验条件；本发明提出的光伏模块由不同材质电池片组成，可进行单一因素实验；本发明提出的集热模块由不同形式的水流道及空气流道组成，既可以使用单一形式的水流道或空气流道，又可以将不同形式的水流道及空气流道以不同的方式进行组合，进而形成多种集热模块，实现不同功能的PVT系统；本发明提出的实验装置既可在室内稳定环境中进行单一条件对比试验或多因素正交试验，亦可以在户外进行连续工作性能试验。本发明所提出的模块式PVT系统实验装置，降低了多因素试验的实验成本，提升了试验的灵活性，增加了可实现的试验条件数量，可为PVT系统优化设计提供实验数据；在教学过程中，增强了学生对PVT系统的直观认知，并通过多种模块的随意搭配，学生能够了解到更多形式的PVT系统和系统的实验及操控方法。

附图说明

图1为本发明的立体图；

图2为本发明中底座的结构示意图；

图3为本发明中模拟光源的结构示意图；

图4为本发明中可调角度反射镜聚光模块的结构示意图；

图5为本发明中单晶硅光伏模块的结构示意图；

图6a为本发明中直管铜管水系统的结构示意图；

图6b图6a的立体图；

图6c为本发明中其他类型的水系统模块的结构示意图；

图7a为本发明中导流板式空气系统模块剖面图；

图7b为图7a的立体图；

图7c为波浪式空气系统的剖面图；

图8a为本发明中单晶硅光电模块、直管铜管水系统、导流板式空气系统组成的PVT集热器剖面图；

图8b为本发明中多晶硅光电模块、直管铜管水系统、空气系统组成的PVT集热器剖面图；

图8c为本发明中多晶硅光电模块、导流板式空气系统、空气系统组成的PVT集热器剖面图；

图8d为图8c中空气走向示意图。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。如图1-4所示，一种模块式太阳能光电光热一体化系统实验装置，包括可调高度支架1、带有卡槽或滑道的底座2、可自由拆卸的模拟光源模块3、可自由组合的聚光模块4、光伏模块5以及光热模块6。

对于可自由拆卸的模拟光源组件模块，该模块与底座可通过卡槽或滑道进行机械结合。可自由组合的聚光模块，该模块与底座可通过卡槽或滑道进行机械结合，亦可通过卡槽或滑道与光伏模块或光热模块进行机械结合。光伏模块，该模块与底座可通过卡槽或滑道进行机械结合，亦可通过卡槽或滑道与聚光模块或光热模块进行机械结合。光热模块，该模块与底座可通过卡槽或滑道进行机械结合，亦可通过卡槽或滑道与聚光模块或光伏模块进行机械结合。各模块之间可通过卡槽或滑道进行机械结合，结合后通过螺栓进行紧固，实现不同形式的PVT系统。同时，为了实现光热模块的水系统或空气系统与外循环系统相接，可移动并可调节角度的PVT集热器底座上设置水系统及空气系统开孔(如图2所示)。

对于模拟光源3，包括光源支架31和可调亮度的灯组32，可通过人工调节模拟不同太阳辐照度，如图3所示。该支架可通过螺栓与底座进行结合。

对于聚光模块4，包括普通玻璃盖板、可调角度反射镜及菲涅尔透镜等可实现不同聚光效果的聚光模块，该模块可通过卡槽或滑道与底座进行机械结合。一般的，模块包括聚光部件41及可与底座结合的框架42。以可调角度反射镜聚光模块为例(如图4所示)，反射镜可通过与框架之间的连接栓进行角度手动调节，本模块可通过框架上的螺栓与底座进行紧固。为了使光可完全透过聚光模块，聚光框架材质为亚克力等透明透光材料。

对于光伏模块5，为了使学生了解更多种类的光伏组件，同时为了进行不同材质光伏组件之间的性能平行对比试验，该模块可通过卡槽或滑道与底座进行机械结合，包括功率相同的光伏组件51(单晶硅、多晶硅、薄膜电池及砷化镓等类别光伏组件)及可与底座结合的光伏框架52，组件与框架通过绝缘胶53粘合固定，本模块可通过螺栓54与底座进行紧固。(以单晶硅光伏组件为例，如图5所示)为了实现不同透光率、折射率及传热效果，光伏模块框架材质包括铁、不锈钢、亚克力等材料。

对于光热模块6，为了使学生了解更多种类的太阳能光热利用类型，同时为了进行不同光热系统之间的性能平行对比试验，分别设计了水系统模块及空气系统模块。其一，水系统模块包括直管铜管水系统、蛇形管铜管水系统、直管PVC水系统、蛇形管PVC水系统和热管系统。一般的，如图6a所示，直管铜管水系统由水系统框架61及水流道62(或热管)组成，其中的水系统框架中包括数个限位卡槽63，可将隔板64放置于不同的卡槽内，从而实现不同的管间距或可放置不同管径的水管(或热管)，水流道通过隔板及限位卡槽与水系统框架进行固定，框架通过螺栓65与底座进行固定。图6b及图6c分别给出了水系统直管流道及水系统热管系统的水系统模块示意图。为了实现不同透光率、折射率及传热效果，水系统框架材质包括铁、不锈钢、亚克力等材料。各水系统模块可根据教学需要及科研实验需要进行更换，并通过进出水管66、67与外循环系统(如图1所示，包括水管、水箱、水泵等附件)进行连接。

如图7a所示，空气系统模7块包括导流板式空气系统和波浪板式空气系统等，一般的，导流板式空气系统模块由导流式空气系统框架71，及其中的数个固定卡槽72和导流板73本导流板的长度可调整组成，通过调整导流板数量及间距，实现不同形式的导流板式空气系统，进而实现不同的传热效果。

如图7c所示，波浪板式空气系统模块8由波浪式空气系统框架81及不同形式的波浪板82组成；其中的波浪板可通过改变波浪角度、板缝开孔率83等参数，实现不同的波浪板结构，进而实现不同的传热效果。为了实现不同透光率、折射率及传热效果，空气系统框架材质包括铁、不锈钢、亚克力等材料。各空气系统模块可根据教学需要及科研实验需要进行更换，并通过空气进出口(图2中空气进出口)与外循环系统(包括风管、风机等附件)进行连接。

如图8a所示，选用光伏模块5、直管铜管水系统6及导流板式空气系统模块7与底座进行组合。按照组合顺序，首先将保温材料敷设在底座上(保温材料上开设空气流道进出口的预留孔，并与底座上留孔对应)；接着通过卡槽或滑道将铁质框架的导流板式空气系统插入底座(为了提升传热效率，该模块选用铁质框架，并设置相应数量及长度的导流板)，通过螺栓进行紧固，并将外循环空气系统的风管道利用卡箍与导流板式空气系统预留孔进行对接；接着通过卡槽或滑道将亚克力框架的水系统模块紧贴导流板式空气系统插入底座(为了提升传热效率，该模块选用亚克力框架，并设置相应数量的水流道，水管之间可通过卡箍相互连接)，通过螺栓进行紧固，将外循环水系统的进出水管通过卡箍与水系统模块的进出水口进行连接，并注水；然后通过卡槽或滑道将亚克力框架的单晶硅光电模块紧贴水系统模块插入底座(为了提升透光率及传热效率，该模块选用亚克力框架)，并通过螺栓进行紧固；最后通过卡槽或滑道将玻璃盖板插入底座，并通过螺栓进行紧固。将该PVT系统组装完毕后，调节PVT集热器角度及模拟光源亮度，来模拟不同太阳辐射条件下的PVT综合性能。假设倾角角度45°及模拟光源500W为外界条件工况一，在该工况下进行连续8h测试。利用热电偶、风速仪、流量计及数据采集仪等试验测试设备对系统进出口水温、水系统水流速、进出口风速、进出口空气温度、光伏模块背部、水系统光热模块背部、空气系统光热模块内部及PVT底座外部进行温度及速度等性能关键物性参数的监测与记录。

为了使学生了解更多形式的PVT系统，并对不同形式系统的综合效率进行测试及对比，如图8b和图8c所示，设计不同的PVT系统，并将不同形式PVT系统放置于相同外界条件工况一条件下进行性能测试。如图8b所示，选用多晶硅光电模块、直管铜管水系统及空气系统模块与底座进行组合。按照组合顺序，首先将保温材料敷设在底座上；接着通过卡槽或滑道将铁质框架的直管铜管水系统紧贴空气系统模块插入底座(为了提升传热效率，该模块选用铁质框架，并设置相应数量的水流道，水管之间可通过卡箍相互连接)，通过螺栓进行紧固，将外循环水系统的进出水管通过卡箍与水系统光热模块的进出水口进行连接，并注水；接着通过卡槽或滑道将亚克力框架的多晶硅光电模块紧贴直管铜管水系统插入底座(为了提升透光率及传热效率，该模块选用亚克力框架)，并通过螺栓进行紧固；然后通过卡槽或滑道将亚克力框架未设置导流板的空气系统模块插入底座(为了提升传热效率，该模块选用亚克力框架，并未设置任何导流板，可使太阳光直接辐照于光电模块中的光伏组件上)，通过螺栓进行紧固，并将外循环空气系统的风管道利用卡箍与空气系统模块预留孔进行对接(底座侧部开设空气流道进出口的预留孔，并与空气系统光热模块留孔对应)；最后通过卡槽或滑道将玻璃盖板插入底座，并通过螺栓进行紧固。将该PVT系统组装完毕后，调节PVT集热器角度及模拟光源亮度，来模拟不同太阳辐射条件下的PVT综合性能。

如图8c所示，选用多晶硅光电模块、导流板式空气系统及空气系统模块与PVT底座进行组合。按照组合顺序，首先将保温材料敷设在底座上(保温材料上开设空气流道进出口的预留孔，并与底座上留孔对应)；然后通过卡槽或滑道将铁质框架的导流板式空气系统插入底座(为了提升传热效率，该模块选用铁质框架，并设置相应数量及长度的导流板)，通过螺栓进行紧固，并将外循环空气系统的风管道利用卡箍与空气系统光热模块预留孔进行对接；接着通过卡槽或滑道将亚克力框架的多晶硅光电模块插入底座(为了提升透光率及传热效率，该模块选用亚克力框架)，并通过螺栓进行紧固；接着通过卡槽或滑道将亚克力框架未设置导流板的空气系统模块插入底座(为了提升传热效率，该模块选用亚克力框架，并未设置任何导流板，可使太阳光直接辐照于光电模块中的光伏组件上)，通过螺栓进行紧固，其进出风口与下部的导流板式空气系统相通，实现如图8d中的空气循环(空气分为两路进行循环：一路为两个空气系统光热模块之间利用底座侧部的风管进行相互流通；另一路为导流板式空气系统下部设置空气出入口，与外界空气系统相连)；最后通过卡槽或滑道将玻璃盖板插入底座，并通过螺栓进行紧固。将该PVT系统组装完毕后，调节PVT集热器角度及模拟光源亮度，来模拟不同太阳辐射条件下的PVT综合性能。

综上所述，可利用本装置使学生动手进行PVT系统的搭建，增强学生对PVT系统的直观感知，并通过实验使学生了解影响PVT系统综合效率的因素；同时，通过平行对比实验(比如，同在外界条件工况一下)，可找寻到更高效(综合效率)的PVT系统。

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 (4)

1.一种模块式太阳能光电光热一体化系统实验装置，其特征在于：包括可调高度支架、带有卡槽或滑道的底座、可自由拆卸的模拟光源模块、可自由组合的聚光模块、光伏模块以及光热模块；

所述底座通过螺栓与所述可调高度支架连接；

所述模拟光源模块由光源支架以及安装在光源支架上的可调亮度的灯组构成，所述光源支架通过螺栓与所述底座连接；

所述聚光模块通过卡槽或滑道与所述底座连接；

所述光伏模块包括光伏组件以及光伏框架，所述光伏组件通过绝缘胶与所述光伏框架粘合固定，所述光伏框架通过螺栓与所述底座固定连接；

所述光热模块包括水系统模块和空气系统模块；

所述水系统模块包括直管铜管水系统、蛇形管铜管水系统、直管PVC水系统、蛇形管PVC水系统和热管系统；

所述直管铜管水系统由水系统框架以及水流道组成，水系统框架中包括数个卡槽，用于将隔板放置于不同的限位卡槽内，水流道通过隔板及限位卡槽与水系统框架进行固定，水系统框架通过螺栓与所述底座进行固定；

所述空气系统模块包括导流板式空气系统和波浪式空气系统。

2.根据权利要求1所述的模块式太阳能光电光热一体化系统实验装置，其特征在于：所述导流板式空气系统包括导流式空气系统框架及其中的数个固定卡槽和导流板构成，所述导流板固定在所固定卡槽中，所述固定卡槽固定在导流式空气系统框架的内侧。

3.根据权利要求1所述的模块式太阳能光电光热一体化系统实验装置，其特征在于：所述波浪式空气系统包括波浪式空气系统框架和波浪板，波浪板安装在所述波浪式空气系统框架的内部，波浪板通过改变波浪角度、板缝开孔率参数，实现不同的波浪板结构。

4.根据权利要求1所述的模块式太阳能光电光热一体化系统实验装置，其特征在于：所述底座上设有保温层。

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