CN108895683B - 一种太阳能光伏光热集热装置 - Google Patents

Abstract

一种太阳能光伏光热集热装置，属于太阳能光伏设备技术领域，由玻璃盖板、太阳能电池板、多功能粘结层、变截面流道集热板、冷、热流体联箱以及保温外壳构成，太阳能电池板与变截面流道集热板之间通过多功能粘结层层压连接。变截面流道集热板含有多条相互并联的变截面流体通道，变截面流体通道内布置有面密度梯度变化的微肋群，冷、热流体联箱置于保温外壳内部空间的两端并分别通过流体进、出管与变截面流道集热板连通；本装置实现了工质流动方向上的均匀换热和强化传热；微肋群表面经流动减阻处理，有效降低其引入的流阻增大效应；改性合成胶膜使装置的换热性能和运行可靠性得到了提升。

Description

一种太阳能光伏光热集热装置

技术领域

本发明属于太阳能光伏设备技术领域，涉及一种太阳能光伏光热集热装置，具体的说是涉及一种用于太阳能光能与热能综合利用系统的太阳能光伏光热集热装置。

背景技术

太阳能是一种环境友好型可再生能源，这使得太阳能光伏发电在世界范围内得到了广泛运用。但是，普通的光伏电池只能将4%～17%的太阳辐射能转化为电能，扣除反射部分，有超过50%的太阳能被转换为热能，光电转化效率较低；同时，光伏电池释放的热量直接导致其工作温度不断攀升，最高可达80多摄氏度。研究表明，电池温度的上升将使其效率按照每摄氏度0.4%的速度下降；此外，光伏电池组件长期工作在高温状态下所产生的热应力会导致组件模块结构的永久性损坏，影响光伏发电运行的可靠性。

为了提高太阳能发电的整体能源利用效率，太阳能光能与热能综合利用系统应运而生。该系统是在传统的光伏电池背面铺设冷却介质流道，通过冷却介质(如水、空气等)的强制对流换热带走热量，降低太阳能电池板的温度水平，提高发电效率。同时，将冷却介质带走的热量通过某种形式加以利用，从而实现太阳能光能与热能的综合利用。值得注意的是，该系统中承担光伏电池冷却及热量回收任务的核心部件称之为光伏光热集热器，其换热性能直接影响着太阳能光能与热能综合利用系统的能源利用效率。然而，传统的平行均匀通道平板型集热器未考虑到流体介质入口至出口温度上升带来的换热能力不均的问题，从而造成光伏电池板幅面内温度不均甚至局部热点的产生，对光伏电池组件的发电效率和可靠性带来负面影响。再者，集热器通道内的流体强制对流换热性能也亟待提升。另外，太阳能光能与热能综合利用系统通常采用EVA胶膜耦合TPT绝缘材料作为界面材料对光伏电池板与集热板进行粘结，但是EVA胶膜还存在着耐热性能和导热性能差的问题，对电、热综合利用效率和集热器运行可靠性产生不利影响。

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种结构紧凑、工作可靠、安装维护方便的太阳能光伏光热集热装置，该装置能有效改善太阳能光伏电池板幅面温度均匀性并提升太阳能光能与热能综合利用系统的能源利用效率。

本发明的技术方案是：一种太阳能光伏光热集热装置，包括保温外壳，支架，太阳能电池板，设置在太阳能电池板上的玻璃盖板，设置在保温外壳一端的冷流体联箱，以及设置在保温外壳另一端的热流体联箱；其特征在于：所述保温外壳内还设有变截面流道集热板，所述变截面流道集热板由盖板、微肋群和底板构成，所述盖板与底板相夹形成流动换热腔体，所述流体换热腔体由若干条相互并联的流体通道组成，每条所述流体通道的入口端均通过流体进口管与冷流体联箱相连接，每条所述流体通道的出口端均通过流体出口管与热流体联箱相连接，每条所述流体通道的截面积沿工质流动方向呈递减式变化；所述微肋群连接设置在盖板和底板之间，所述微肋群由多排微肋组成，相邻两排微肋相互交错设置，所述微肋群的面密度沿工质流动方向呈线性增加；所述变截面流道集热板通过多功能粘接层与太阳能电池板层压连接，所述多功能粘接层由TPT绝缘层和设置在TPT绝缘层正反面的胶膜层构成。

所述流体通道的横截面为矩形，流体通道的截面积沿工质流动方向线性减小。

所述流体通道的入口端与出口端的横截面积之比介于2～5之间。

所述微肋群的面密度沿工质流动方向线性增大，微肋的高度与流体通道截面的高度变化相匹配。

所述微肋的截面形状为泪滴形、扁平形或正弦形中的一种，微肋截面的当量直径在2mm以内。

所述微肋的表面涂覆设有减阻层，减阻层厚度在20～80μm范围内，减阻层由无氟超疏水材料制成。

所述无氟超疏水材料为烷基羧酸金属盐类。

所述胶膜层是由T-ZnOw、纳米级AlN、EVA胶膜改性复合而成，T-ZnOw、纳米级AlN两者比例不超过15%。

本发明的有益效果为：本发明提供的一种太阳能光伏光热集热装置，本装置结构新颖，工作原理清晰，通过采用横截面积沿冷却流体工质流动方向线性减小的变截面流道耦合面密度沿冷却流体工质流动方向梯度增加的微肋群，有效遏制了传统光滑均匀截面流道因沿程换热温差减小而引起的换热强度降低，实现了工质流动方向上的均匀换热和强化传热；微肋表面涂覆无氟超疏水材料减阻层，有助于促进流体工质的壁面滑移，从而在保证微肋群强化传热的基础上，有效降低了微肋群引入的流阻增大效应；此外，采用T-ZnOw、纳米级AlN与EVA胶膜复合而成的改性合成胶膜，可增强粘结层导热性、绝缘性和热稳定性，从而有利于太阳能光伏/光热集热器换热性能和运行可靠性的提升。

附图说明

图1 为本发明装置外部结构示意图。

图2 为本发明装置的侧面剖视结构示意图。

图3 为图2中的I处放大结构示意图。

图4 为本发明装置整体分解结构示意图。

图5 为本发明装置保温外壳内部分层结构示意图。

图6 为本发明装置中变截面流道结构示意图。

图7 为图6中的II处放大结构示意图。

图8 为本装置中微肋的截面形状示意图。

图中：玻璃盖板1、太阳能电池板2、胶膜层3、绝缘层4、盖板5、微肋群6、底板7、流体流向8、冷流体联箱9、热流体联箱10、保温外壳11、支架12、流体进口管13、流体出口管14、多功能粘结层15、变截面流道集热板16、减阻层17。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1-5所示，一种太阳能光伏光热集热装置，包括玻璃盖板1、太阳能电池板2、胶膜层3、绝缘层4、盖板5、微肋群6、底板7、冷流体联箱9、热流体联箱10、保温外壳11、支架12，流体进口管13、流体出口管14。

如图1-5所示，一种太阳能光伏光热集热装置，玻璃盖板1、太阳能电池板2、变截面流道集热板16依次沿所述集热器的向光一侧向背光一侧固定在所述保温外壳11内；变截面流道集热板16由表面刻蚀多条相互并联的变截面流体通道的底板7耦合焊接背光侧加工有微肋群6的盖板5而形成；变流道截面集热板16与太阳能电池板2之间通过多功能粘结层15采用层压技术连接固定；玻璃盖板1与太阳能电池板2嵌合安装在保温外壳11的卡槽内；冷、热流体联箱9、10分别经过流体进、出口管13、14采用丝扣连接的方式与变截面流道集热板16中对应的变截面流体通道连通；最后从保温外壳11底部向内充注酚醛泡沫发泡形成保温层，加盖保温外壳底板组成集热器整体结构；通过支架12上的压板将该集热器以一定的工作角度进行固定安装。变截面流体通道的横截面为矩形，其深度沿工质流动方向线性减小，使得流道进、出口横截面积之比大于1。变截面流体通道可提高流动方向上的流速，从而减薄边界层、强化沿程局部换热强度，进而缓解传统光滑均匀截面流道因沿程换热温差减小而引起的换热强度降低问题，达到工质流动方向上均匀换热的目的。此外，考虑到散热效果及加工工艺的影响，变截面流体通道进、出口横截面积之比应控制在2～5之间，具体尺寸可根据实际的散热需求进行调整。

如图2-8示，一种太阳能光伏光热集热装置，盖板5背光侧采用超精密机械加工出多排微肋组成微肋群6，微肋群6的面密度根据流道换热特性沿工质流动方向线性增加，且相邻两排微肋采用交错形式布置。这样便大大增加了冷却流道内的有效换热面积并强化流场内部扰动，实现强化换热的目的。再者，采用沿程面密度线性增加的微肋群同样可以增强通道沿程的局部换热强度，实现流道整体的均匀换热。

如图6所示，一种太阳能光伏光热集热装置，其具体布置为靠近通道入口处的第一块太阳能电池片所在位置下方的微肋群排数最少，之后每块太阳能电池片下方微肋群排数都依次增加1排，并在相应所在太阳能电池片下方均匀布置。

如图3所示，一种太阳能光伏光热集热装置，多功能粘结层15是由两层胶膜层3夹持一层绝缘层4组成。胶膜层3是由T-ZnOw、纳米级AlN与EVA胶膜改性复合而成。将T-ZnOw、纳米级AlN按一定比例与EVA胶膜进行复合，充分利用了T-ZnOw、纳米级AlN的优异导热性能，同时又保留了光伏电池组件中原有层压胶膜的基本特性，胶膜层3与绝缘层4结合可形成导热性、绝缘性、热稳定性等各方面良好的多功能粘结层15，进而有利于太阳能光伏/光热集热器换热性能和运行可靠性的提升。T-ZnOw、纳米级AlN两者比例不超过15%。

如图7所示，一种太阳能光伏光热集热装置，采用喷涂法在所述微肋群6表面涂覆无氟超疏水材料减阻层17。无氟超疏水材料具备环境友好、附着力强、可通过调整溶液的浓度比获得高稳定性的优势，将其涂覆在微肋群6表面有助于促进流体工质的壁面滑移，从而在保证微肋群强化传热的基础上，有效降低了微肋群6引入的流阻增大效应；无氟超疏水材料组成成分为烷基羧酸金属盐类，例如Cu[CH₃(CH₂)₁₀-COO]₂、Cd[CH3(CH2)10COO]₂等；喷涂法具备操作简单、适合大批量生产的优点。无氟超疏水材料减阻层厚度应控制在20～80μm范围内。

如图8所示，一种太阳能光伏光热集热装置，微肋形状可以为正弦形(图8的A)、泪滴形(图8的B)、或扁平形(图8的C)，其当量直径宜控制在2mm以内。这样的肋型有助于降低微肋尾部涡流的形成，弱化微肋带来的流动耗散增加效应，减小流道内冷却介质的换热死区。

本发明采用横截面积沿冷却流体工质流动方向线性减小的变截面流道耦合面密度沿冷却流体工质流动方向梯度增加的微肋群，有效遏制了传统光滑均匀截面流道因沿程换热温差减小而引起的换热强度降低，实现了工质流动方向上的均匀换热和强化传热；微肋表面涂覆无氟超疏水材料减阻层，有助于促进流体工质的壁面滑移，从而在保证微肋群强化传热的基础上，有效降低了微肋群引入的流阻增大效应；此外，采用T-ZnOw、纳米级AlN与EVA胶膜复合而成的改性合成胶膜，可增强粘结层导热性、绝缘性和热稳定性，从而有利于太阳能光伏/光热集热器换热性能和运行可靠性的提升。

Claims (8)

1.一种太阳能光伏光热集热装置，包括保温外壳(11)，支架(12)，太阳能电池板(2)，设置在太阳能电池板(2)上的玻璃盖板(1)，设置在保温外壳(11)一端的冷流体联箱(9)，以及设置在保温外壳(11)另一端的热流体联箱(10)；其特征在于：所述保温外壳(11)内还设有变截面流道集热板(16)，所述变截面流道集热板(16)由盖板(5)、微肋群(6)和底板(7)构成，所述盖板(5)与底板(7)相夹形成流动换热腔体，所述流动 换热腔体由若干条相互并联的流体通道组成，每条所述流体通道的入口端均通过流体进口管(13)与冷流体联箱(9)相连接，每条所述流体通道的出口端均通过流体出口管(14)与热流体联箱(10)相连接，每条所述流体通道的截面积沿工质流动方向呈递减式变化；所述微肋群(6)连接设置在盖板(5)和底板(7)之间，所述微肋群(6)由多排微肋组成，相邻两排微肋相互交错设置，所述微肋群(6)的面密度沿工质流动方向呈线性增加；所述变截面流道集热板(16)通过多功能粘接层(15)与太阳能电池板(2)层压连接，所述多功能粘接层(15)由TPT绝缘层(4)和设置在TPT绝缘层(4)正反面的胶膜层(3)构成。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏光热集热装置，其特征在于：所述流体通道的横截面为矩形，流体通道的截面积沿工质流动方向线性减小。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏光热集热装置，其特征在于：所述流体通道的入口端与出口端的横截面积之比介于2～5之间。

4.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏光热集热装置，其特征在于：所述微肋群(6)的面密度沿工质流动方向线性增大，微肋的高度与流体通道截面的高度变化相匹配。

5.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏光热集热装置，其特征在于：所述微肋的截面形状为泪滴形、扁平形或正弦形中的一种，微肋截面的当量直径在2mm以内。

6.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏光热集热装置，其特征在于：所述微肋的表面涂覆设有减阻层(17)，减阻层(17)厚度在20～80μm范围内，减阻层(17)由无氟超疏水材料制成。

7.根据权利要求6所述的一种太阳能光伏光热集热装置，其特征在于：所述无氟超疏水材料为烷基羧酸金属盐类。

8.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏光热集热装置，其特征在于：所述胶膜层(3)是由T-ZnOw、纳米级AlN、EVA胶膜改性复合而成，T-ZnOw、纳米级AlN两者比例不超过15%。

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