CN109618755A - 一种用于温室大棚的太阳能电热联供系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于温室大棚的太阳能电热联供系统，包括分频式聚光光伏光热组件和供热系统；若干所述分频式聚光光伏光热组件分布在温室大棚顶部；所述分频式聚光光伏光热组件包括聚光器、透明流道、聚光太阳能电池组件、热管和组件主体，所述组件主体上安装聚光器，所述聚光太阳能电池组件通过聚光器聚焦的光能发电；所述聚光器与聚光太阳能电池组件之间设有透明流道，所述透明流道内填充分频集热液；所述分频集热液通过循环系统与供热系统连接；所述热管位于聚光太阳能电池组件底部。本发明可以解决光伏温室大棚的降低成本和清洁高效供暖问题，并且实现太阳能全光谱高效利用，提升光伏温室大棚的太阳能利用率。
Description
技术领域
本发明涉及光伏领域或者农业大棚领域，特别涉及一种用于温室大棚的太阳能电热联供系统。
背景技术
温室大棚作为新型的农业设施，能够在不适宜植物生长的季节，提高植物的生长速率和产量，特别在北方地区，温室大棚得到了广泛应用。对于温室大棚，需要一定的电能使室内设备正常运转，同时也需要热能维持室内植物生长所需要的温度。目前光伏温室技术能够利用太阳能电池为温室提供电能，使温室大棚能脱离电网而独立运行，这特别适用于偏远地区，但是其中太阳能电池不仅效率低，而且也增加了温室大棚的建造成本；另外，目前温室大棚主要采用燃煤锅炉供热，这既耗能也增加了环境污染。因此如何在独立运行的同时能够降低成本和实现清洁高效供暖是光伏温室大棚进一步发展所亟待解决的问题。
目前作为太阳能电池中效率较高的聚光硅太阳能电池和III–V族聚光多结太阳能电池，其实验室最高效率分别为27.6％和46％。由此可见只有不足一半的太阳辐射能被转化成了电能，而其余50％以上的太阳辐射能将在电池表面转化热能，这不仅造成能量损失也导致电池的温度升高以致效率下降问题。因此如何高效地将这部分无法转化成电能的太阳辐射能独立转化成热能，对实现太阳能电池效率的提升和解决温室大棚的供暖具有重要意义。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种用于温室大棚的太阳能电热联供系统，解决光伏温室大棚的降低成本和清洁高效供暖问题，并且实现太阳能全光谱高效利用，提升光伏温室大棚的太阳能利用率。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种用于温室大棚的太阳能电热联供系统，包括分频式聚光光伏光热组件和供热系统；若干所述分频式聚光光伏光热组件分布在温室大棚顶部；
所述分频式聚光光伏光热组件包括聚光器、透明流道、聚光太阳能电池组件、热管和组件主体，所述组件主体上安装聚光器，所述聚光太阳能电池组件通过聚光器聚焦的光能发电；所述聚光器与聚光太阳能电池组件之间设有透明流道，所述透明流道内填充分频集热液，用于吸收不能转化成电能的光波；所述分频集热液通过循环系统与供热系统连接，用于将热能传递给供热系统；
所述热管位于聚光太阳能电池组件底部，用于给聚光太阳能电池组件降温；所述供热系统用于加热温室大棚内的空气和土壤。
进一步，所述透明流道包括高透光玻璃板和普通玻璃板；所述普通玻璃板固定在组件主体内壁上，所述高透光玻璃板和普通玻璃板组成四面封闭的流道，所述高透光玻璃板平行与聚光器。
进一步，所述分频集热液为水或乙二醇、丙二醇、醇类混合物或导热油或纳米流体。
进一步，所述透明流道与第二水泵、供热系统和换热器闭环连通；所述热管与第一水泵和换热器闭环连通；所述热管通过换热器预热分频集热液。
进一步，所述聚光器与透明流道之间、透明流道与聚光太阳能电池组件之间为真空状态，用于降低分频式聚光光伏光热组件的热损失。
进一步，所述聚光太阳能电池组件为聚光硅太阳能电池组件，所述分频集热液的透光波段为700-1100nm。
进一步，所述聚光太阳能电池组件为多结GaAs太阳能电池组件，所述分频集热液的透光波段为600-900nm。
进一步，所述供热系统包括低温储热水箱和高温储热水箱，所述低温储热水箱内部设有第一换热盘管和第二换热盘管，所述第一换热盘管与透明流道构成闭环回路；所述第二换热盘管与压缩机、高温储热水箱内的换热盘管和节流阀闭环连通；所述低温储热水箱和高温储热水箱分别与空气换热器和土壤支管连接形成回路，所述空气换热器置于温室大棚内，所述土壤支管埋于土壤中。
进一步，所述聚光太阳能电池组件包括聚光太阳能电池和陶瓷基板；所述聚光太阳能电池通过高导热硅胶粘接在陶瓷基板上；所述陶瓷基板通过高导热硅胶固定在热管上；所述聚光太阳能电池组件输出的电能存储在蓄电池中。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的用于温室大棚的太阳能电热联供系统，将聚光器、分频器、聚光太阳能电池组件和热管集成一体为分频式聚光光伏光热组件，替代传统的平板太阳能电池组件，减少昂贵的太阳能电池的使用面积，从而降低光伏温室大棚的建造成本，使其更具经济性。
2.本发明所述的用于温室大棚的太阳能电热联供系统，采用具有高导热和快速均温特性的热管冷却聚光太阳能电池组件，不仅降低聚光太阳能电池温度的不均匀性，提高电池的光电转换效率，而且热管收集的热量也为分频集热液预热，实现了废热利用和太阳能综合利用效率最大化。
3.本发明所述的用于温室大棚的太阳能电热联供系统，采用光谱分频技术，利用分频集热液将不能转化成电能的太阳辐射能吸收转化成热能，并作为热泵的低温热源，持续不断地为温室内供暖，既节能减排，也提升了太阳能利用率和热泵效率，实现了为温室大棚清洁高效供暖。
附图说明
图1为本发明所述的分频式聚光光伏光热组件截面结构示意图。
图2为本发明所述的分频式聚光光伏光热组件的整体结构示意图。
图3为本发明所述温室大棚的整体结构示意图。
图4为本发明所述的用于温室大棚的太阳能电热联供系统的示意图。
图中：
1-聚光器；2-透明流道；201-高透光玻璃板；202-普通玻璃板；3-分频集热液；4-聚光太阳能电池组件；41-聚光太阳能电池；42-高导热硅胶；43-陶瓷基板；5-内层金属框架；6-保温材料；7-热管；71-热管冷凝段；8-外层金属框架；9-分频集热液入口；10-分频式聚光光伏光热组件；11-低温储热水箱；111-第一换热盘管；112-第二换热盘管；12-热泵装置；121-节流阀；122-压缩机；13-温室大棚；14-换热器；15-第一水泵；16-第二水泵；17-高温储热水箱；171-高温水箱换热盘管；18-空气换热器；19-风机；20-土壤支管；21-蓄电池；22-逆变器；23-控制系统；24-灌溉系统；25-照明系统；26-电网。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
图3和图4所示，本发明所述的用于温室大棚的太阳能电热联供系统，包括分频式聚光光伏光热组件10和供热系统；若干所述分频式聚光光伏光热组件10分布在温室大棚13顶部；图1和图2所示，所述分频式聚光光伏光热组件10包括聚光器1、透明流道2、聚光太阳能电池组件4、热管7和组件主体，组件主体由内层金属框架5和外层金属框架8组成，所述组件主体上安装聚光器1，所述聚光太阳能电池组件4通过聚光器1聚焦的光能发电；所述聚光器1与聚光太阳能电池组件4之间设有透明流道2，所述透明流道2内填充分频集热液3，用于吸收不能转化成电能的光波；所述分频集热液3为水或乙二醇、丙二醇、醇类混合物或导热油或纳米流体。所述透明流道2包括高透光玻璃板201和普通玻璃板202；所述透明流道2采用上下两块平行的高透光玻璃板201和紧贴两侧内层金属框架5的普通玻璃板202连接而成。所述高透光玻璃板201和普通玻璃板202组成四面封闭的流道，所述高透光玻璃板201平行与聚光器1。所述分频集热液3充满整个透明流道2，所述透明流道2的进出口通过管路与低温储热水箱11中的第一换热盘管111连接成回路，并由第二水泵16驱动循环流动，用于将热能传递给供热系统；所述内层金属框架5和外层金属框架8之间填充保温材料6，降低分频式聚光光伏光热组件10的热损失。所述热管7的蒸发段与内层金属板5下表面焊接，且周围也有保温材料6填充。所述热管冷凝段71与循环管路焊接，循环管路内冷却水由第一水泵15驱动循环流动，所述透明流道2入口段管道和热管7冷凝段循环管路出口段均与换热器14相连，为分频集热液3预热。所述热管7位于内层金属框架5底部，用于给聚光太阳能电池组件4降温。
所述供热系统包括低温储热水箱11和高温储热水箱17，所述低温储热水箱11内部设有第一换热盘管111和第二换热盘管112，所述第一换热盘管111与透明流道2构成闭环回路；所述第二换热盘管112与压缩机122、高温储热水箱17内的高温水箱换热盘管171和节流阀121闭环连通；所述低温储热水箱11和高温储热水箱17分别与空气换热器18和土壤支管20连接形成回路，所述空气换热器18置于温室大棚13内，所述土壤支管20埋于土壤中。
所述聚光器1为线性菲涅尔透镜。所述透明流道2中高透光玻璃板201为高透光的超白玻璃、硼硅玻璃或石英玻璃。
所述聚光太阳能电池41包括但不限于聚光硅太阳能电池和III–V族聚光多结太阳能电池。所述聚光太阳能电池41为聚光硅太阳能电池，所述分频集热液3的透光波段为700-1100nm。所述聚光太阳能电池41为III–V族聚光多结太阳能电池，所述分频集热液3的透光波段为600-900nm。
所述聚光器1和玻璃流道2间、玻璃流道2和聚光太阳能电池组件4间为真空状态，降低分频式聚光光伏光热组件10的热损失。
所述聚光太阳能电池组件4包括聚光太阳能电池41和陶瓷基板43；所述聚光太阳能电池41通过高导热硅胶42粘接在陶瓷基板43上，所述陶瓷基板43通过高导热硅胶42固定在内层金属框架5上，热管7位于靠近聚光太阳能电池41的内层金属框架5正下方。所述聚光太阳能电池组件4输出的电能存储在蓄电池21中。所述陶瓷基板43采用具有高导热系数的氮化铝陶瓷材料。所述聚光太阳能电池组件4输出的电能存储于蓄电池21中，后经由逆变器22给第一水泵15、第二水泵16、热泵装置12、温室内的控制系统23、灌溉系统24和照明系统25等提供电力。
本发明的工作原理为：
首先太阳光透过线性菲涅尔聚光器1汇聚于透明流道2，然后被透明流道2内所充满的分频集热液3吸收了部分紫外、可见光和近红外波段的辐射能即不能转化成电能的部分，而其余的最终汇集于聚光太阳能电池组件4上，由聚光太阳能电池41进行光电转换输出电能，并存储于蓄电池21中。另外，分频集热液3经由第二水泵16驱动从分频集热液入口9进入透明流道2，然后不断地将吸收的辐射能转化成热能，再流出透明流道2经第一换热盘管111与低温储热水箱11中的水换热，这样不断循环往复，最终将吸收的热能储存于低温储热水箱11中。另外，热管7的蒸发段通过焊接在内层金属框架5的下表面来实现对聚光太阳能电池组件4的高效冷却，这既促进了聚光太阳能电池41温度的均匀性，也提升了电池41的使用寿命和光电转换效率。并且热管7所吸收的热量通过其冷凝端传递给循环冷却水，然后利用换热器14给分频集热液3预热，实现废热利用和太阳能综合利用效率最大化。热泵装置12利用制冷剂通过第二换热盘管112从低温储热水箱11中吸热，后经压缩机122做功将热量存储于高温储热水箱17中，最后再经节流阀121完成制热循环。低温储热水箱11内和温室内分别布置有温度探测器用于检测水和室内温度，当低温储热水箱11中的水温高于室温，由低温储热水箱11中的温水流经空气换热器18和土壤支管20，通过换热作用分别加热空气和土壤，加热的空气再由风机19吹向温室内实现供暖，当低温储热水箱11中的水温低于室内温度，则用高温储热水箱17中的水来加热空气和土壤。这样即使在夜晚或者阴雨天也可实现为温室大棚13持续供暖。此外，存储于蓄电池21中的电能经由逆变器22可用于第一水泵15、第二水泵16、热泵装置12、室内控制系统23、灌溉系统24和照明系统25等，若电能不足可由电网26辅助供电，若电能过剩可上传电网26。
综上可见，本发明一种用于温室大棚的太阳能电热联供系统利用分频式聚光光伏光热组件10同时输出电能和热能，并结合热泵装置12为温室大棚13持续供暖，既提升了太阳能利用率，也实现了为温室大棚13清洁高效供暖。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于温室大棚的太阳能电热联供系统，其特征在于，包括分频式聚光光伏光热组件(10)和供热系统；若干所述分频式聚光光伏光热组件(10)分布在温室大棚(13)顶部；
所述分频式聚光光伏光热组件(10)包括聚光器(1)、透明流道(2)、聚光太阳能电池组件(4)、热管(7)和组件主体，所述组件主体上安装聚光器(1)，所述聚光太阳能电池组件(4)通过聚光器(1)聚焦的光能发电；所述聚光器(1)与聚光太阳能电池组件(4)之间设有透明流道(2)，所述透明流道(2)内填充分频集热液(3)，用于吸收不能转化成电能的光波；所述分频集热液(3)通过循环系统与供热系统连接，用于将热能传递给供热系统；
所述热管(7)位于聚光太阳能电池组件(4)底部，用于给聚光太阳能电池组件(4)降温；所述供热系统用于加热温室大棚(13)内的空气和土壤。
2.根据权利要求1所述的用于温室大棚的太阳能电热联供系统，其特征在于，所述透明流道(2)包括高透光玻璃板(201)和普通玻璃板(202)；所述普通玻璃板(202)固定在组件主体内壁上，所述高透光玻璃板(201)和普通玻璃板(202)组成四面封闭的流道，所述高透光玻璃板(201)平行与聚光器(1)。
3.根据权利要求1所述的用于温室大棚的太阳能电热联供系统，其特征在于，所述分频集热液(3)为水或乙二醇、丙二醇、醇类混合物或导热油或纳米流体。
4.根据权利要求1所述的用于温室大棚的太阳能电热联供系统，其特征在于，所述透明流道(2)与第二水泵(16)、供热系统和换热器(14)闭环连通；所述热管(7)与第一水泵(15)和换热器(14)闭环连通；所述热管(7)通过换热器(14)预热分频集热液(3)。
5.根据权利要求1所述的用于温室大棚的太阳能电热联供系统，其特征在于，所述聚光器(1)与透明流道(2)之间、透明流道(2)与聚光太阳能电池组件(4)之间为真空状态，用于降低分频式聚光光伏光热组件(10)的热损失。
6.根据权利要求1所述的用于温室大棚的太阳能电热联供系统，其特征在于，所述聚光太阳能电池组件(4)为聚光硅太阳能电池组件，所述分频集热液(3)的透光波段为700-1100nm。
7.根据权利要求1所述的用于温室大棚的太阳能电热联供系统，其特征在于，所述聚光太阳能电池组件(4)为多结GaAs太阳能电池组件，所述分频集热液(3)的透光波段为600-900nm。
8.根据权利要求1-7任一项所述的用于温室大棚的太阳能电热联供系统，其特征在于，所述供热系统包括低温储热水箱(11)和高温储热水箱(17)，所述低温储热水箱(11)内部设有第一换热盘管(111)和第二换热盘管(112)，所述第一换热盘管(111)与透明流道(2)构成闭环回路；所述第二换热盘管(112)与压缩机(122)、高温储热水箱(17)内的高温水箱换热盘管(171)和节流阀(121)闭环连通；所述低温储热水箱(11)和高温储热水箱(17)分别与空气换热器(18)和土壤支管(20)连接形成回路，所述空气换热器(18)置于温室大棚(13)内，所述土壤支管(20)埋于土壤中。
9.根据权利要求1-7任一项所述的用于温室大棚的太阳能电热联供系统，其特征在于，所述聚光太阳能电池组件(4)包括聚光太阳能电池(41)和陶瓷基板(43)；所述聚光太阳能电池(41)通过高导热硅胶(42)粘接在陶瓷基板(43)上；所述陶瓷基板(43)通过高导热硅胶(42)固定在热管(7)上；所述聚光太阳能电池组件(4)输出的电能存储在蓄电池(21)中。
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