CN109631417B - 一种具有夜间辐射制冷功能的光伏光热一体化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有夜间辐射制冷功能的光伏光热一体化装置，包括本体模块和传动模块，本体模块为顶面和底面均敞口的箱体，箱体内设有集热板和辐射制冷板，集热板和辐射制冷板与箱体的四侧壁形成封闭腔，该封闭腔形成流体换热腔，进水口和出水口设在箱体的两侧壁上；封闭腔的集热板外表面均匀设有光伏电池，集热板对应箱体敞口处覆盖有玻璃盖板，辐射制冷板对应箱体敞口处覆盖有全波段高透过率材料膜；传动模块包括电机、两连杆、两曲柄、两转轴、两支撑轴和支架，便于通过启动电机从而实现箱体的顶面与底面的自由切换。该装置集光伏发电、太阳能集热、夜间辐射制冷功能于一体，具有集热效率高，角度可调，实用性好等优点。
Description
技术领域
本发明属于可再生能源利用技术领域，特别涉及一种具有夜间辐射制冷功能的光伏光热一体化装置。
背景技术
可再生能源的利用是节能减排的重要途径。太阳能作为一种清洁、普遍、长久的绿色能源，具有常规能源无法比拟的优势。同时，由于外太空的温度接近于绝对零度，是非常理想的天然冷源。
太阳能利用的主要方式包括光伏发电和光热利用。目前，太阳能光伏电池的光电转换效率较低，一般为12%-17%，且研究数据表明：电池温度每上升1℃，晶硅电池的光电转化效率下降约0.4％，非晶硅电池下降约0.1％；另外，电池在达到其运行温度上限后，电池温度每上升10℃，晶硅电池的老化速率将增加一倍。近年来，为了提高光伏电池的光电转换效率，延长电池寿命，太阳能光伏光热一体化（PV/T）技术得以发展。所谓光伏光热一体化，是指在光伏电池的背面设置流体通道，利用传热工质为电池降温，在提高发电效率、延长电池寿命的同时，还能将多余的太阳能热量收集起来供给用户。光伏光热一体化技术有效提高了太阳能综合利用率。
地球大气在8-13μm波段透射率很高，这一波段称为“大气窗口”。所谓夜间辐射制冷技术，是指制冷表面在夜间通过“大气窗口”与温度很低的外太空进行辐射换热，实现被动制冷。由于整个制冷过程零能耗、无污染，夜间辐射制冷技术具备很强的节能潜力。
由于光伏光热一体化装置和辐射制冷器在工作时段上存在互补性：光伏光热一体化装置白天工作，夜间闲置；辐射制冷器夜间工作，白天闲置。可以提供一种具有夜间辐射制冷功能的光伏光热一体化装置，白天用于发电和集热，夜间用于制冷，以此弥补光伏光热一体化装置和辐射制冷器各自的局限性，提高屋顶的利用效率。
专利CN105245184B提供了一种具有夜间辐射制冷功能的平板型光伏光热综合利用装置，通过将传统光伏光热一体化装置的玻璃盖板替换为全波段高透过率材料膜，实现夜间的辐射制冷功能。但由于没有玻璃盖板，白天集热模式下装置顶部的辐射热损失较大，集热效率较低；同时，由于光伏电池易碎，而材料膜对电池的保护作用很小，限制了该装置的实用性。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的就在于提供一种集光伏发电、太阳能集热、夜间辐射制冷功能于一体，且集热效率高，角度可调，实用性好的具有夜间辐射制冷功能的光伏光热一体化装置。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种具有夜间辐射制冷功能的光伏光热一体化装置，包括本体模块和传动模块，所述本体模块为顶面和底面均敞口的箱体，箱体内设有集热板和辐射制冷板，所述集热板和辐射制冷板与顶面和底面平行设置且与箱体的四侧壁形成封闭腔，该封闭腔形成流体换热腔，在箱体的两侧壁上设有进水口和出水口，进水口和出水口分别与流体换热腔连通并位于箱体上相对的两侧壁上；所述封闭腔的集热板外表面均匀设有若干光伏电池，所述集热板对应箱体敞口处覆盖有玻璃盖板，辐射制冷板对应箱体敞口处覆盖有全波段高透过率材料膜。
所述传动模块包括电机、两连杆、两曲柄、两转轴、两支撑轴和支架，所述两支撑轴设置在箱体对称的两侧壁上，两支撑轴通过轴承固定在支架上，从而对本体模块进行支撑；所述电机两端的输出轴分别与两转轴的一端连接，两转轴的另一端分别与两曲柄的一端连接，两曲柄的另一端分别与两连杆的一端可转动连接，两连杆的另一端分别与两支撑轴所在的箱体两侧壁可转动连接，便于通过启动电机从而实现箱体的顶面与底面的自由切换。
这样便可以实现白天模式和夜晚模式的自由切换，也可以根据太阳高度角的自动调整本体模块的倾斜角度，提高装置的发电和集热效率，如遇冰雹、强降雨等极端天气，可保持玻璃盖板一侧朝上、材料膜一侧朝下，对装置进行保护，延长装置的使用寿命。
进一步地，所述集热板由第一铝制基板制成，第一铝制基板对应玻璃盖板的一面覆盖有太阳能选择性吸收涂层，所述太阳能选择性吸收涂层在0.2-3μm太阳能热利用波段的吸收率大于90%，在大于3μm的中远红外波段发射率低于10%；所述辐射制冷板为第二铝制基板制成，第二铝制基板对应全波段高透过率材料膜的一面覆盖有辐射制冷选择性发射涂层，所述辐射制冷选择性发射涂层在8~13μm大气窗口波段的发射率为80%~90%，在其它波段的吸收率低于30%。
更进一步地，所述太阳能选择性吸收涂层为黑铬涂层或蓝钛涂层。
进一步地，集热板和辐射制冷板间均匀设有若干相互平行的隔板，隔板长度方向的两侧分别与集热板和辐射制冷板垂直固定连接，相邻两隔板间形成水流通道，隔板的长度小于与其垂直的箱体两侧壁间的长度，隔板与该箱体两侧壁中其中一侧壁相连，并与该箱体两侧壁的另一侧壁形成缝隙，该缝隙将对应隔板两侧的水流通道连通，相邻两隔板与侧壁形成的缝隙交替设置从而使所有水流通道连通并使整体形成蛇形水流通道，蛇形水流通道的两端分别与进水口和出水口连通。在保证铝制基板表面平整的前提下，所述蛇形水流管道与集热板和辐射制冷板实现面与面的接触，增大了导热接触面积，提高了热交换效率。
进一步地，所述光伏电池用透明TPT封装，避免光伏电池破碎和腐蚀。透明TPT具备良好的耐腐蚀、隔水汽和绝缘性能，所以可用来封装保护光伏电池。
更进一步地，所述透明TPT通过粘接剂EVA膜层将光伏电池封装。
进一步地，所述支撑轴是空心轴，进水口和出水口分别与支撑轴所在位置对应；在封闭腔内设有一封板，该封板将封闭腔分成两个腔且与支撑轴所在箱体的两侧壁平行，其中一个腔为流体换热腔，另一个为过渡腔，在封板上设有连接孔，便于水管穿过支撑轴进入过渡腔与连接孔相连，同时便于电线穿过支撑轴进入过渡腔与光伏电池相连。
进一步地，所述箱体的侧壁均由保温材料制成。
进一步地，所述玻璃盖板采用低铁超白玻璃制成，在0.2～3μm波段的透过率大于90%，而对于长波辐射具有阻隔作用，能够形成温室效应。
进一步地，所述全波段高透过率材料膜为聚乙烯薄膜，在0～25μm波段的透过率大于80%，其中在8～13μm大气窗口波段的透过率为85%~90%。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、与单一的光伏光热一体化装置和夜间辐射制冷器相比较，本发明利用光伏光热一体化装置和夜间辐射制冷器在工作时段上的互补性，在白天利用装置玻璃盖板所在面进行发电和集热，在夜间利用装置的另一面辐射制冷，以此弥补光伏光热一体化装置和辐射制冷器功能单一的局限，提高屋顶的利用效率。
2、本发明利用机械翻面的形式，通过控制电机的旋转角度，可以实现白天和夜晚模式的自由切换，在白天发电/集热面朝上，在夜间辐射制冷面朝上；在白天模式下，可根据太阳高度角的变化自动调节装置的倾斜角度，以此提高装置的发电和集热效率；如遇冰雹、强降雨等极端天气，可保持玻璃盖板一面朝上、全波段高透过率薄膜一面朝下，对装置进行保护，延长装置的使用寿命。
3、集热板和辐射制冷板分别与玻璃盖板、全波段高透过率薄膜之间的空腔形成空气夹层，空气夹层具有一定的保温作用，封闭状态下空气的导热系数为0.023W/m.K，可有效减少导热热损失。玻璃盖板、全波段高透过率薄膜相当于风屏，有利于减少本体模块与外界空气的对流热损失。在集热/发电模式下，玻璃盖板一方面形成温室效应，有效减少辐射热损失，另一方面对光伏电池起到保护作用；同时，由于白天集热模式下辐射制冷面对应空气夹层的热面朝上，该空气夹层的自然对流可以得到抑制，而对于辐射热损失，虽然底面的保温效果是不及玻璃盖板的，但由于不朝向天空，相比现有的集热和辐射一体化装置，底面辐射热损失比顶面辐射热损失要小得多。
4、蛇形水流管道内的水与集热板和辐射制冷板是以面与面的接触，大大的增大导热接触面积，从而提高了热交换效率。
附图说明
图1-本发明集热/发电模式下的装置示意图。
图2-本发明辐射制冷模式下的装置示意图。
图3-本体模块的结构示意图。
图4-图3A-A横截面剖视图。
图5-图4B部分放大结构示意图。
图6-本发明传动模块的运动简图。
其中：1-本体模块；2-发电/集热面；3-辐射制冷面；4-支撑轴；5-轴承；6-支架；7-双轴伺服电机；8-转轴；9-曲柄；10-连杆；11-箱体；12-玻璃盖板；13-全波段高透过率材料膜；14-集热板；15-蛇形水流通道；16-太阳能选择性吸收涂层；17-辐射制冷选择性发射涂层；18-光伏电池；19-EVA膜层；20-透明TPT；21-空气夹层；22-进水管；23-出水管；24-电线；25-隔板；26-辐射制冷板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
参见图1、图2、图3、图4和图5，一种具有夜间辐射制冷功能的光伏光热一体化装置，包括本体模块1和传动模块，所述本体模块1为顶面和底面均敞口的箱体11，箱体11内设有集热板14和辐射制冷板26，集热板14所对应的面为发电/集热面2，辐射制冷板26所对应的面为辐射制冷面3，所述集热板14和辐射制冷板26与顶面和底面平行设置且与箱体的四侧壁形成封闭腔，白天模式下集热板14位于辐射制冷板26的上方，夜晚模式下则辐射制冷板26位于集热板14的上方，该封闭腔形成流体换热腔，在箱体的两侧壁上设有进水口和出水口，进水口和出水口分别与流体换热腔连通并位于箱体上相对的两侧壁上；所述封闭腔的集热板14的外表面均匀设有若干矩阵排列的光伏电池18，所述集热板14对应箱体敞口处覆盖有玻璃盖板12，辐射制冷板26对应箱体敞口处覆盖有全波段高透过率材料膜13。
所述传动模块包括双轴伺服电机7、两连杆10、两曲柄9、两转轴8、两支撑轴4和支架6，所述两支撑轴4设置在箱体11对称的两侧壁的中心，两支撑轴4通过轴承固定在支架上，从而对本体模块1进行支撑；双轴伺服电机7两端的输出轴分别与两转轴8的一端连接，两转轴8的另一端分别与两曲柄9的一端连接，两曲柄9的另一端分别与两连杆10的一端可转动连接，两连杆10的另一端分别与两支撑轴4所在的箱体11两侧壁可转动连接，以两支撑轴4为旋转轴，便于通过控制双轴伺服电机7的转动角度从而实现箱体11的顶面与底面的自由切换，从而实现白天模式和夜晚模式的自由切换，也可以根据太阳高度角的自动调整本体模块1的倾斜角度，提高装置的发电和集热效率，如遇冰雹、强降雨等极端天气，可保持玻璃盖板一侧朝上、材料膜一侧朝下，对装置进行保护，延长装置的使用寿命。
所述集热板14由第一铝制基板制成，第一率制基板对应玻璃盖板的一面覆盖有太阳能选择性吸收涂层16形成集热板14，所述太阳能选择性吸收涂层16为黑铬涂层或蓝钛涂层，在0.2-3μm太阳能热利用波段的吸收率大于90%，在大于3μm的中远红外波段发射率低于10%，以减少辐射热损失；所述辐射制冷板26为第二铝制基板制成，第二铝制基板对应全波段高透过率材料膜的一面覆盖有辐射制冷选择性发射涂层17，所述辐射制冷选择性发射涂层17在8~13μm大气窗口波段的发射率为80%~90%，在其它波段的吸收率低于30%。
集热板14和辐射制冷板26间均匀设有若干相互平行的隔板25，隔板25长度方向的两侧分别与集热板14和辐射制冷板26垂直固定连接，相邻两隔板25间形成水流通道，隔板25的长度小于与其垂直的箱体11两侧壁间的长度，隔板25与该箱体11两侧壁中其中一侧壁相连，并与该箱体两侧壁的另一侧壁形成缝隙，该缝隙将对应隔板两侧的水流通道连通，相邻两隔板与侧壁形成的缝隙交替设置从而使所有水流通道连通并使整体形成蛇形水流通道15，蛇形水流通道15的两端分别与进水口和出水口连通。在保证铝制基板表面平整的前提下，所述蛇形水流管道15与集热板14和辐射制冷板26实现面与面的接触，增大了导热接触面积，提高了热交换效率。
所述光伏电池18用透明TPT20封装，避免光伏电池破碎和腐蚀。由于光伏电池18脆而薄，容易破碎，容易被腐蚀，而透明TPT具备良好的耐腐蚀、隔水汽和绝缘性能，所以选用透明TPT20封装，再层压在集热板14的太阳能选择性吸收涂层16表面。所述透明TPT20通过粘接剂EVA膜层19将光伏电池封装，EVA膜层是光伏电池18和透明TPT20之间的粘接剂，起到很好的粘连效果，选用的EVA膜层19和透明TPT20在光伏发电和太阳能热利用主要波段具有高透过率，对装置的光伏发电和集热没有影响。
所述支撑轴4是空心轴，进水口和出水口分别与支撑轴4所在位置对应；在封闭腔内设有一封板，该封板将封闭腔分成两个腔且与支撑轴4所在箱体11的两侧壁平行，其中一个腔为流体换热腔，另一个为过渡腔，在封板上设有连接孔，便于水管穿过支撑轴4进入过渡腔与连接孔相连，进而与流体换热腔连通，这里的水管可以是进水管22，也可以是出水管23，本实施例中是进水管22穿过支撑轴4进入过渡腔与连接孔相连，同时位于装置外的进水管22和出水管23的一端与水箱和水泵连接。同时便于电线24穿过支撑轴4进入过渡腔与光伏电池18相连。过渡腔的体积非常小，在保证电线24一端可以穿过支撑轴4以及集热板14上设的通孔与光伏电池18相连而不进入蛇形水流通道15内，同时保证导热接触面积足够大，而另一端通过接线盒连接供电电路或蓄电池。电线24与光伏电池18的连接方式在这不限定，光伏电池18也可根据需要并联或串联的方式连接，只需要保证装置的保温性和导热效率即可。
所述箱体11的侧壁均由保温材料制成。虽然顶面和底面没有保温装置，但是，集热板14和辐射制冷板26分别与玻璃盖板12、全波段高透过率薄膜13之间的空腔形成有空气夹层21，而空气夹层21具有一定的保温作用，封闭状态下空气的导热系数为0.023W/m.K，可有效减少导热热损失。玻璃盖板12、全波段高透过率薄膜13相当于风屏，有利于减少本体模块与外界空气的对流热损失。同时，由于白天集热模式下辐射制冷面对应空气夹层21的热面朝上，该空气夹层21的自然对流可以得到抑制，而对于辐射热损失，虽然底面的保温效果是不及玻璃盖板的，但由于不朝向天空，相比现有的集热和辐射一体化装置，底面辐射热损失比顶面辐射热损失要小得多。
所述玻璃盖板12采用低铁超白玻璃制成，在0.2～3μm波段的透过率大于90%，而对于长波辐射具有阻隔作用，能够形成温室效应。
所述全波段高透过率材料膜13为聚乙稀薄膜，在0～25μm波段的透过率大于80%，其中在8～13μm大气窗口波段的透过率为85%~90%。
参见图6，本体模块1相当于传动机构的摇杆，图中点划线表示曲柄9和摇杆的运动轨迹，虚线和实线分别表示白天和夜间模式下各构件的相对位置。对传动模块，曲柄9是主动件，双轴伺服电机7转动规定角度，通过转轴8带动所述曲柄9旋转。摇杆可以在限定区间内反复转动以实现装置的不同功能。
最后需要说明的是，本发明的上述实施例仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种具有夜间辐射制冷功能的光伏光热一体化装置，其特征在于，包括本体模块和传动模块，所述本体模块为顶面和底面均敞口的箱体，箱体内设有集热板和辐射制冷板，所述集热板和辐射制冷板与顶面和底面平行设置且与箱体的四侧壁形成封闭腔，该封闭腔形成流体换热腔，在箱体的两侧壁上设有进水口和出水口，进水口和出水口分别与流体换热腔连通并位于箱体上相对的两侧壁上；所述封闭腔的集热板外表面均匀设有若干光伏电池，所述集热板对应箱体敞口处覆盖有玻璃盖板，辐射制冷板对应箱体敞口处覆盖有全波段高透过率材料膜；
所述传动模块包括电机、两连杆、两曲柄、两转轴、两支撑轴和支架，所述两支撑轴设置在箱体对称的两侧壁上，两支撑轴通过轴承固定在支架上，从而对本体模块进行支撑；所述电机两端的输出轴分别与两转轴的一端连接，两转轴的另一端分别与两曲柄的一端连接，两曲柄的另一端分别与两连杆的一端可转动连接，两连杆的另一端分别与两支撑轴所在的箱体两侧壁可转动连接，便于通过启动电机从而实现箱体的顶面与底面的自由切换，同时可根据太阳高度角的自动调整本体模块的倾斜角度，提高装置的发电和集热效率。
2.根据权利要求1所述的具有夜间辐射制冷功能的光伏光热一体化装置，其特征在于，所述集热板由第一铝制基板制成，第一铝制基板对应玻璃盖板的一面覆盖有太阳能选择性吸收涂层，所述太阳能选择性吸收涂层在0.2-3μm太阳能热利用波段的吸收率大于90%，在大于3μm的中远红外波段发射率低于10%；所述辐射制冷板为第二铝制基板制成，第二铝制基板对应全波段高透过率材料膜的一面覆盖有辐射制冷选择性发射涂层，所述辐射制冷选择性发射涂层在8~13μm大气窗口波段的发射率为80%~90%，在其它波段的吸收率低于30%。
3.根据权利要求2所述的具有夜间辐射制冷功能的光伏光热一体化装置，其特征在于，所述太阳能选择性吸收涂层为黑铬涂层或蓝钛涂层。
4.根据权利要求1所述的具有夜间辐射制冷功能的光伏光热一体化装置，其特征在于，集热板和辐射制冷板间均匀设有若干相互平行的隔板，隔板长度方向的两侧分别与集热板和辐射制冷板垂直固定连接，相邻两隔板间形成水流通道，隔板的长度小于与其垂直的箱体两侧壁间的长度，隔板与该箱体两侧壁中其中一侧壁相连，并与该箱体两侧壁的另一侧壁形成缝隙，该缝隙将对应隔板两侧的水流通道连通，相邻两隔板与侧壁形成的缝隙交替设置从而使所有水流通道连通并使整体形成蛇形水流通道，蛇形水流通道的两端分别与进水口和出水口连通。
5.根据权利要求1所述的具有夜间辐射制冷功能的光伏光热一体化装置，其特征在于，所述光伏电池用透明TPT封装，避免光伏电池破碎和腐蚀。
6.根据权利要求5所述的具有夜间辐射制冷功能的光伏光热一体化装置，其特征在于，所述透明TPT通过粘接剂EVA膜层将光伏电池封装。
7.根据权利要求1所述的具有夜间辐射制冷功能的光伏光热一体化装置，其特征在于，所述支撑轴是空心轴，进水口和出水口分别与支撑轴所在位置对应；在封闭腔内设有一封板，该封板将封闭腔分成两个腔且与支撑轴所在箱体的两侧壁平行，其中一个腔为流体换热腔，另一个为过渡腔，在封板上设有连接孔，便于水管穿过支撑轴进入过渡腔与连接孔相连，同时便于电线穿过支撑轴进入过渡腔与光伏电池相连。
8.根据权利要求1所述的具有夜间辐射制冷功能的光伏光热一体化装置，其特征在于，所述箱体的侧壁均由保温材料制成。
9.根据权利要求1所述的具有夜间辐射制冷功能的光伏光热一体化装置，其特征在于，所述玻璃盖板采用低铁超白玻璃制成，在0.2～3μm波段的透过率大于90%，而对于长波辐射具有阻隔作用，能够形成温室效应。
10.根据权利要求1所述的具有夜间辐射制冷功能的光伏光热一体化装置，其特征在于，所述全波段高透过率材料膜为聚乙烯薄膜，在0～25μm波段的透过率大于80%，其中在8～13μm大气窗口波段的透过率为85%~90%。
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