CN108645055A - 一种与建筑相结合的三效光伏光热墙体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种与建筑相结合的三效光伏光热墙体。位于建筑物向阳一侧面的墙体上分别开设有上通风口和下通风口；所述墙体的外部侧面设有光伏光热组件；光伏光热组件包括相互平行的透明盖板和集热器；集热器的排管一侧面和墙体之间形成空气流道，空气流道的上下两端分别连通着上通风口和下通风口；集热器的光伏电池板一侧面与透明盖板之间形成密封的空气夹层；系统在冬季工作时，热水集热系统停止运行；墙体上的上通风口和下通风口均打开，以实现通过自然循环加热室内空气，实现室内升温5‑10℃。系统在春夏秋季时，热水集热系统运行；墙体上的上通风口和下通风口均关闭，室内采暖系统停止运行，集热器瞬时热效率达到40%‑45%。
Description
技术领域
本发明属于一种光伏光热建筑一体化技术领域,具体涉及与建筑相结合的光伏光热墙体。
背景技术
随着人民生活水平不断提高，对于居住舒适性的要求越来越高，建筑能耗需求将持续增长，同时清洁建筑能源在建筑能源供给中的比例也逐年增大。太阳能分布广泛但是能流密度低，需要较大的接收面积，而建筑的屋顶和南墙立面有大量面积可以利用。将太阳能与建筑相结合能够满足建筑中多种用能需求, 在建筑中大力推广应用太阳能光伏光热建筑一体化技术将是规模化发展可再能源、降低建筑能耗中常规能源比例的重要途径。太阳能利用与建筑节能相结合的主要形式包括：光伏建筑一体化（BIPV）、光热建筑一体化（BIPT）和光伏/光热建筑一体化（BIPV/T）等。在光伏/光热建筑一体化设备中，主动采暖模式经济性较差而且可靠性较低，而被动采暖易导致夏季过热等问题。基于此，本申请提出一种与建筑一体化的三效光伏/光热太阳能利用装置及系统，旨在寻求一种工作方式灵活可靠，可满足不同季节、不同地区和不同应用场合要求的高效太阳能综合利用途径。
发明内容
为了实现在冬季提供电能和被动式建筑采暖（PV /空气加热方式），在其他季节提供电能和热水（PV /水加热模式），本发明提供一种与建筑相结合的三效光伏光热墙体。
一种与建筑相结合的三效光伏光热墙体，包括位于建筑物向阳一侧面的墙体8；
所述墙体8的上部开设有上通风口9，下部开设有下通风口10；还包括光伏光热组件；所述光伏光热组件设于墙体8的外部侧面；
所述光伏光热组件包括相互平行的透明盖板1和集热器；
所述集热器包括均匀排布的光伏电池板2、吸热板芯4和均匀排布的排管5；所述均匀排布的光伏电池板2设于吸热板芯4的一侧面上，所述均匀排布的排管5设于吸热板芯4的另一侧面上；均匀排布的排管5呈直立状，均匀排布的排管5上端均连通着上集管，上集管上设有热水出口，均匀排布的排管5的下端均连通着下集管6，下集管6上设有冷水出口；
所述吸热板芯4平行于墙体8，排管5一侧面与墙体8相邻，排管5一侧面和墙体8之间形成空气流道3，所述空气流道3的上下两端分别连通着所述上通风口9和所述下通风口10；光伏电池板2一侧面与透明盖板1相邻，光伏电池板2一侧面和透明盖板1之间形成密封的空气夹层；
在春夏秋季工作模式下，下集管6的冷水进口和上集管的热水出口打开，热水集热系统运行；墙体8上的上通风口9和下通风口10均关闭，室内采暖系统停止运行。
在冬季工作模式下，下集管6的冷水进口和上集管的热水出口关闭，热水集热系统停止运行；墙体8上的上通风口9和下通风口10均打开，以实现通过自然循环加热室内空气；
进一步限定的技术方案如下：
所述光伏电池板2为厚度0.4-0.9mm的晶体硅电池，光伏电池板2在吸热板芯4上的覆盖率为0.7-0.9。
吸热板芯4上的排管5一侧面和墙体8之间形成的空气流道3的厚度为100-300mm；所述上通风口9位于空气流道3上端不大于200mm的位置，所述下通风口10位于空气流道3下端不大于200mm的位置；所述上通风口9和下通风口10为结构相同矩形口，开口宽度均占集热器宽度的70%-90%，开口高度均为150-200mm，保证在热虹吸力和流动阻力的作用下，空气流道3内部的空气能以大于0.03m/s速度流动。
所述空气夹层的厚度为20-35mm。
所述均匀排布的排管5中，相邻排管5之间的间距为80-120mm。
所述集热器的高度不小于2m，以保证较大的热虹吸力。
与空气流道3对应的墙体8一侧面上设有保温层7，保温层7由玻璃纤维、聚氨酯或者酚醛树脂制成；保温层7的厚度为20-50mm。
相邻光伏电池板2之间空隙处的吸热板芯4上设有涂层，涂层材料为黑铬涂层或选择性吸收涂层，吸收率为0.9-0.95，发射率为0.1-0.9。
系统在春夏秋季工作模式下，在正午阳光充足情况下，由下集管6的冷水进口进入的水经集热器瞬时热效率达到40%-45%。
系统在冬季工作模式下，在正午阳光充足情况下，空气流道3内部的空气流经集热器实现升温5-10℃。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1.本发明集发电，夏天供热水及冬天被动式采暖于一体。相比较于单一的光伏或者光热模块，具有全年充分利用太阳能，多功能性及结构更加安全可靠的优点。
2.本发明在夏季工作模式下可以有效降低光伏模块的工作温度并提高光伏模块发电效率，而且可以避免室内过热，同时降低室内的冷负荷。
3.本发明在冬季工作模式下通过空气采暖模块降低了室内热负荷，同时热水模块关闭并排空，解决了传统光伏/光热利用装置冬季太阳能利用率低且容易冻结损坏的问题，保证系统安全可靠，可在严寒地区广泛应用。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为图1的左视图。
图3为图1的右视图。
图4为春夏秋季工作模式状态图。
图5为冬季工作模式状态图。
上图中序号：透明盖板1、光伏电池组2、空气流道3、吸热板芯4、排管5、下集管6、保温层7、墙体8、上风口9、下风口10。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。
实施例1
参见图1，一种与建筑相结合的三效光伏光热墙体包括位于建筑物向阳一侧面的墙体8，参见图3，墙体8的上部开设有上通风口9，下部开设有下通风口10，上通风口9和下通风口10为结构相同的矩形口，每个通风口的开口宽度为集热器宽度的70%，每个通风口的开口高度为150mm。还包括光伏光热组件，光伏光热组件设于墙体8的外部侧面。
光伏光热组件包括相互平行的透明盖板1和集热器，集热器为矩形箱体结构，集热器的高度不小于2m，以保证较大的热虹吸力。
集热器包括均匀排布的光伏电池板2、吸热板芯4和均匀排布的排管5。参见图2，均匀排布的光伏电池板2通过层压技术和吸热板芯4之间实现无缝连接，层压厚度为0.7mm；光伏电池板2为厚度0.5mm的晶体硅电池，单块电池面积为0.02m^2；光伏电池板2在吸热板芯4上的覆盖率为0.7。相邻光伏电池板2之间空隙处的吸热板芯4上设有涂层，涂层为黑铬涂层，吸收率为0.9、发射率为0.9。吸热板芯4的材料为铝。
均匀排布的排管5安装于吸热板芯4的另一侧面上；均匀排布的排管5呈直立状，相邻排管5之间的间距为100mm，均匀排布的排管5上端均连通着上集管，上集管上开设有热水出口，均匀排布的排管5的下端均连通着下集管6，下集管6上开设有冷水出口。
吸热板芯4平行于墙体8，排管5一侧面与墙体8相邻，排管5一侧面和墙体8之间形成空气流道3，空气流道3的厚度为200mm。空气流道3的上下两端分别连通着上通风口9和下通风口10，上通风口9位于空气流道3上端不大于200mm的位置，下通风口10位于空气流道3下端不大于200mm的位置，保证在热虹吸力和流动阻力的作用下，空气流道3内部的空气能以大于0.03m/s速度流动。光伏电池板2一侧面与透明盖板1相邻，光伏电池板2一侧面和透明盖板1之间形成密封的空气夹层，空气夹层的厚度为30mm。
与空气流道3对应的墙体8一侧面上安装有保温层7，保温层7的材料为玻璃纤维、厚度为30mm。
参见图4，本发明在春夏秋季工作模式下，下集管6的冷水进口和上集管的热水出口打开，热水集热系统运行，同时降低光伏电池温度，实现了提高电效率和降低室内冷负荷。墙体8上的上通风口9和下通风口10均关闭，室内采暖系统停止运行。循环水流可采用交流水泵驱动，水流量为0.05-0.1L/s，蓄热水箱容积为100-150L。
参见图5，本发明在冬季工作模式下，下集管6的冷水进口和上集管的热水出口关闭，热水集热系统停止运行，以防止冻结损坏。墙体8上的上通风口9和下通风口10均打开，以实现通过自然循环加热室内空气，同时降低光伏电池温度以提高发电效率。
通过上述实施例，当采暖房间为红砖墙体，厚度240mm，房间3.00m（宽）*3.00m（深）*2.66m（高），冬季白天辐照良好且室外平均温度为-3℃，集热器采光面积占南墙总面积的35%，该系统可以实现室内温度上升至15℃，全天平均发电功率为100W。在夏季辐照良好且室外平均温度为25℃，水箱总容量为180L，该系统可以实现水箱温度上升至60℃，全天平均发电功率为90W。
实施例2
本实施例结构同实施例1，不同在于：空气流道3的厚度为150mm，空气流道3内部的空气能以大于0.04m/s速度流动；空气夹层的厚度为20mm。
本实施例，当采暖房间为红砖墙体，厚度240mm，房间3.00m（宽）*3.00m（深）*2.66m（高），冬季白天辐照良好且室外平均温度为-3℃，集热器采光面积占南墙总面积的95%，该系统可以实现室内温度上升至22℃，全天平均发电功率为250W。在夏季辐照良好且室外平均温度为25℃，水箱总容量为350L，该系统可以实现水箱温度上升至60℃，全天平均发电功率为200W。
Claims (10)
1.一种与建筑相结合的三效光伏光热墙体，包括位于建筑物向阳一侧面的墙体（8），其特征在于：
所述墙体（8）的上部开设有上通风口（9），下部开设有下通风口（10）；还包括光伏光热组件；所述光伏光热组件设于墙体（8）的外部侧面；
所述光伏光热组件包括相互平行的透明盖板（1）和集热器；
所述集热器包括均匀排布的光伏电池板（2）、吸热板芯（4）和均匀排布的排管（5）；所述均匀排布的光伏电池板（2）设于吸热板芯（4）的一侧面上，所述均匀排布的排管（5）设于吸热板芯（4）的另一侧面上；均匀排布的排管（5）呈直立状，均匀排布的排管（5）上端均连通着上集管，上集管上设有热水出口，均匀排布的排管（5）的下端均连通着下集管（6），下集管（6）上设有冷水出口；
所述吸热板芯（4）平行于墙体（8），排管（5）一侧面与墙体（8）相邻，排管（5）一侧面和墙体（8）之间形成空气流道（3），所述空气流道（3）的上下两端分别连通着所述上通风口（9）和所述下通风口（10）；光伏电池板（2）一侧面与透明盖板（1）相邻，光伏电池板（2）一侧面和透明盖板（1）之间形成密封的空气夹层；
所述系统在冬季工作模式下，下集管（6）的冷水进口和上集管的热水出口关闭，热水集热系统停止运行；墙体（8）上的上通风口（9）和下通风口（10）均打开，以实现通过自然循环加热室内空气；
所述系统在春夏秋季工作模式下，下集管（6）的冷水进口和上集管的热水出口打开，热水集热系统运行；墙体（8）上的上通风口（9）和下通风口（10）均关闭，室内采暖系统停止运行。
2.根据权利要求1所述的与建筑相结合的三效光伏光热墙体，其特征在于：所述光伏电池板（2）为厚度0.4-0.9mm的晶体硅电池，光伏电池板（2）在吸热板芯（4）上的覆盖率为0.7-0.9。
3.根据权利要求1所述的与建筑相结合的三效光伏光热墙体，其特征在于：吸热板芯（4）上的排管（5）一侧面和墙体（8）之间形成的空气流道（3）的厚度为100-300mm；所述上通风口（9）位于空气流道（3）上端不大于200mm的位置，所述下通风口（10）位于空气流道（3）下端不大于200mm的位置；所述上通风口（9）和下通风口（10）为结构相同矩形口，开口宽度均占集热器宽度的70%-90%，开口高度均为150-200mm，保证在热虹吸力和流动阻力的作用下，空气流道（3）内部的空气能以大于0.03m/s速度流动。
4.根据权利要求1所述的与建筑相结合的三效光伏光热墙体，其特征在于：所述空气夹层的厚度为20-35mm。
5.根据权利要求1所述的与建筑相结合的三效光伏光热墙体，其特征在于：所述均匀排布的排管（5）中，相邻排管（5）之间的间距为80-120mm。
6.根据权利要求1所述的与建筑相结合的三效光伏光热墙体，其特征在于：所述集热器的高度不小于2m，以保证较大的热虹吸力。
7.根据权利要求1所述的与建筑相结合的三效光伏光热墙体，其特征在于：与空气流道（3）对应的墙体（8）一侧面上设有保温层（7），保温层（7）由玻璃纤维、聚氨酯或者酚醛树脂制成；保温层（7）的厚度为20-50mm。
8.根据权利要求1所述的与建筑相结合的三效光伏光热墙体，其特征在于：相邻光伏电池板（2）之间空隙处的吸热板芯（4）上设有涂层，涂层材料为黑铬涂层或选择性吸收涂层，吸收率为0.9-0.95，发射率为0.1-0.9。
9.根据权利要求1所述的与建筑相结合的三效光伏光热墙体，其特征在于：系统在冬季工作模式下，在正午阳光充足情况下，空气流道（3）内部的空气流经集热器实现升温5-10℃。
10.根据权利要求1所述的与建筑相结合的三效光伏光热墙体，其特征在于：系统在春夏秋季工作模式下，在正午阳光充足情况下，由下集管（6）的冷水进口进入的水经集热器瞬时热效率达到40%-45%。
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