CN108426380A - 一种新型太阳能光伏光热复合集热器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型太阳能光伏光热复合集热器及其系统装置。基本型光伏光热复合集热器在光伏电池板的下方布置有集热板‑热管一体化组件，一体化组件的上端钎焊有对流换热器。集热板‑热管一体化组件的设计，一改常见的拼装式结构，在提高复合集热器换热性能的同时，便于其大规模商业生产。复合集热器光伏电池板和导热基板之间采用新型柔性连接方式，石墨层的使用既起到缓冲作用，增强导热，同时也能改善密封性能，提高产品质量。实际使用中可以根据用热需求的不同，通过加装玻璃盖板并在玻璃盖板和光伏电池板之间填充透明保温材料，得到强化型光伏光热复合集热器。
Description
技术领域
本发明属于使用太阳能进行发电和集热的新能源技术领域。具体涉及集热器集热板-热管一体化组件设计和复合集热器系统装置的设计。
背景技术
煤、石油、天然气等传统能源的消耗加剧了世界的环境问题，而随着煤炭、石油、天然气等不可再生能源总量的日趋减少，能源问题也逐渐成为制约国际社会经济发展的瓶颈。使用可再生能源替代传统能源无疑成为解决这些问题最好的办法。可再生能源包括风能、水能、地热能、潮汐能和太阳能等，而这其中，来源丰富、利用成本低的太阳能具有其独特的优势。
太阳能集热器是普遍使用的太阳能获取装置，目前被广泛研究的集热器种类繁多，按换热模式可以分为主动式和被动式两大类。主动式集热器的运行需要电力，利用泵推动工质循环，而被动式则不需要电力的消耗，依靠重力或换热器内部毛细力推动工质循环。
主动式集热器可分为强制对流型和热泵型两种。强制对流型集热器中的工质一般为空气或过冷水，其在泵功推动下，流过集热器内的换热流路，吸收电池基板导出热量后，流入用热装置。换热器管路可以是开式循环也可以是闭式循环。其最适合于空气流动加热。热泵型集热器的流动结构和水强制对流集热器很相似，只是换热器内流路必须抽真空，对流型换热器变为相变型换热器，其适合于热水流动加热。
被动式集热器可分为自然对流型和热管型两种。自然对流型集热器和一般的真空玻璃管太阳能热水器很相似，利用集热管内水的上下温差进行管内自然对流循环换热，工质为水。基本形状是正面安装有太阳能电池的基板-即集热板，背面用焊接或粘接方式连接一排圆管、扁管或长方形扁盒作为集热管，集热管上部插入一个金属水平圆筒，集热管和水平圆筒的接口用焊接或橡胶圈密封，水平圆筒和集热管联通，内部充满水作为用热工质。
目前的热管型集热器中的热管大部分是圆管式重力热管，少量是各类毛细力热管。热管型集热器有3个核心部件；集热板，热管，冷凝器，它们用拼装方式连接在一起。基本形状是基板-即集热板正面安装有太阳能电池，用导热胶连接电池板和基板，集热板背面用焊接或粘接方式连接圆管型重力热管作为蒸发段，为加强两者间导热，集热板和重力热管之间要用很厚的导热胶覆盖。热管的上端插入一个换热器作为整体系统的冷凝器。加热空气时一般是对流式换热器，加热水时使用满液型换热器。此时冷凝器就是一个金属水平圆筒，热管和水平圆筒的接口焊接或用橡胶圈密封，水平圆筒内充满水作为冷凝段。从外形看自然对流型和热管型集热器几乎难以区别，但热管型的换热性能是最好的，热管型集热器从机理上讲最适合用于光伏光热复合集热器。
经过对现有相关技术文献检索发现，中国专利申请号：201220491644.1，记载了一种太阳能电光伏光热一体化装置，该发明通过风机将真空管内的热空气输送到室内，再将室内的冷空气送到真空管内加热。中国专利申请号：201220736279.6，记载了一种有蓄热功能的太阳能光伏光热装置，该发明利用自带的直流水泵，带动低温水循环流动以降低太阳能电池板的温度，提高其效率。这两个专利都是主动式集热器的实例，而主动式集热器固有的制造成本高，运行成本高，维护成本高，运行操作复杂等缺点限制了其大规模商业化应用。
中国专利申请号：201420330679.6，记载了一种太阳能光伏光热一体化联用装置，该发明特征是利用热水比重轻，顺流道上浮而冷水沿流道向下流动，形成换热体系。作为自然对流型集热器的一种，其成本低廉，结构简单，但整体的换热性能不够优异。另外，窄小细长的集热管内水的污垢会迅速沉积在金属壁面，造成换热失效。自然对流型集热器在小型别墅中有一定使用价值，大规模商业化前途较差。
进一步检索发现，中国专利申请号：201210320370.4和中国专利申请号201220443781.8记载了两种略有不同的太阳能光伏光热一体化组件，该发明特征都是以密封胶依次将钢化玻璃、EVA封装胶膜、焊条连接的电池组片、导热绝缘膜、背板进行封装。而密封胶在太阳紫外线的不断照射下会出现老化脱落等各种问题，大规模的商业应用需要数量很多的光伏光热组件，大量使用密封胶进行封装既不环保也不长久。
针对目前光伏光热一体化集热装置普遍存在的几个问题，找到一个耗能少、换热性能优异、结构简单、易于一体化生产和安装的新型太阳能光伏光热复合集热器就显得尤为重要。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，为了降低耗能、提高换热性能，提出一种新型太阳能光伏光热复合集热器。以一平方米面积左右的采光面作为一个基本产品组件，各组件之间可以串并连接形成大的复合集热系统，组成一个具有广泛商业使用价值的光伏光热复合集热器产品。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：集热板‐热管一体化组件、太阳能电池板、玻璃盖板。
所述集热板‐热管一体化组件，集热板和热管结构连在一起，是一个一次性成品。集热板和热管是由两块铝板特殊加工而成，在大规模商业生产中用模具对一块铝板进行开槽处理，然后与另一块平板铝板在边缘进行焊接密封，形成集热板‐热管一体化组件。集热板‐热管一体化组件上部和冷凝器钎焊在一起。内部槽道为并行直槽道，槽道截面可以是各种形状，如三角形，半圆形，矩形等。槽道脊梁处涂胶，与平板粘接，使各槽到保持分隔。相邻槽道间有微许泄露不影响性能。
所述冷凝器是一个平板型对流换热器，其换热平板就是热管冷凝段的平板，所以冷凝器和热管是一体结构。也就是说，对流换热器具有热管段和冷凝段，热管段与集热板‐热管一体化组件中的热管一体成型连通，而冷凝段具有进水口和出水口。冷水或者冷空气连续不断地流入和流出冷凝器，带走热管传递来的热量，在利用热量的同时降低太阳能电池板的温度以提高其工作效率。热管冷凝段和冷却工质之间是开口式强制对流换热。
所述太阳能电池板采用目前市场上销售的优质太阳能电池板成品，来源丰富成本低廉。太阳能电池板和集热基板之间刷薄薄一层无机胶连接，强化粘接强度。
所述玻璃盖板是在强化型的光伏光热复合集热器上采用，通过加装玻璃盖板，集热效率大约能提高30％，发电效率可能降低15％，但总效率有较大提高。
集热器的保温性能直接影响其集热效率。为了提高保温性能，采用高压泡沫塑料充填法一次性对整体装置完成保温处理是最好的方法。对于该发明中的新型光伏光热复合集热器，其形状较为复杂，因此采用分段式充填处理来实现。
与现有技术相比，本发明的优点及突出效果在于：采用热管型被动式光伏光热复合集热器，在降低耗能的同时显著提升换热效果；集热板-热管采用一体化组件，结构新颖，一改目前的拼装式结构，利于生产及大规模商业应用；同时可以根据不同用热需要，通过简单的组合，生产普通型和强化型两种不同的光伏光热复合集热器。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：下述实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
附图说明
图1是基本型集热器集热板‐热管‐冷凝器组件基本结构示意图；
图2是强化型集热器集热板‐热管‐冷凝器组件基本结构示意图；
图3是集热板‐热管一体化组件截面图；
图4是集热板‐热管一体化组件示意图；
图5是自来水管型复合集热器系统图；
图6是高位水箱型复合集热器系统图。
其中：1、电池板，2、第一基板，21第二基板，3、热管，4、对流换热器，5、柔性导热材料，6、玻璃盖板，7、透明保温材料，8、控制阀，9、蓄水箱，10、高位水箱。
具体实施方式
如图1所示，基本型光伏光热复合集热器在光伏电池板1的下方布置有集热板-热管一体化组件，所述集热板-热管一体化组件由第一基板2和第二基本21焊接而成，第二基板21一体成型有多个平行设置的热管3，集热板‐热管一体化组件上端钎焊有对流换热器4。光伏电池板1和基板2之间采用无机胶粘接。
图2是强化型光伏光热复合集热器的基本结构示意图，通过在基本型复合集热器的光伏电池板1上方加装玻璃盖板6，提高集热效率和集热发电整体效率。如更注重集热性能，可在玻璃盖板6和光伏电池板1之间填充透明保温材料气凝胶7，进一步提高复合集热器的集热效率。
图3和图4分别是集热板-热管一体化组件的截面图和示意图，第一基板2和第二基板21均为铝板，一体化组件由两块铝板加工而成，通过模具对一块铝板进行开槽处理，然后与另一块平板铝板进行焊接，形成集热板-热管一体化组件。
对流换热器4具有进水口和出水口，进水口连通自来水管道和/或高位水箱10，出水口连通有蓄水箱9。
图5给出了自来水管型光伏光热复合集热器的系统图，不需要额外的动力泵，依靠自来水管系统，冷水连续不断地流入和流出对流换热器4，带走热管3传递来的热量。由于复合集热器的运行条件不同于一般的太阳能热水器，其集热温度不能过高，否则影响发电效率，因此，通过控制阀8调节流量来控制温度。
图6给出了高位水箱型光伏光热复合集热器的系统图，同样是不需要外在的动力泵，依靠高位水箱10实现冷水连续不断地流入和流出对流换热器4。
图5和图6给出了两种不同的复合集热器的运行系统图，而当实际应用有数量众多的复合集热器单元时，整个系统可以共用一个大蓄水箱9。
本实施例中的光伏光热复合集热器结构简单，并可以根据需要实现基本型和强化型之间的转换，传热高效。可以利用自来水管系统或高位水箱，而不依靠额外的动力泵，实现对流换热器4中冷水的流动，总体耗能少，商业前景广阔。
Claims (5)
1.一种新型太阳能光伏光热复合集热器，其特征在于：包括光伏电池板，光伏电池板的下侧设置有集热板-热管一体化组件，所述集热板-热管一体化组件包括叠加设置的第一基板和第二基板，第二基板一体成型有多个热管，集热板-热管一体化组件上端设有与所述热管相通的对流换热器。
2.根据权利要求1所述的一种新型太阳能光伏光热复合集热器，其特征在于，所述光伏电池板上侧设置有玻璃盖板。
3.根据权利要求1所述的一种新型太阳能光伏光热复合集热器，其特征在于，所述玻璃盖板和光伏电池板之间填充透明保温材料，所述保温材料为气凝胶。
4.根据权利要求1所述的一种新型太阳能光伏光热复合集热器，其特征是，所述第一基板和第二基板均为铝板，所述集热板-热管一体化组件由两块铝板加工而成，通过模具对一块铝板进行开槽处理，然后与另一块平板铝板进行焊接。
5.根据权利要求1所述的一种新型太阳能光伏光热复合集热器，其特征在于，所述对流换热器具有进水口和出水口，所述进水口连通自来水管道和/或高位水箱，所述出水口连通有蓄水箱。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180821 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |