CN110061696A - 一种光伏光热一体化装置、热电联合系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光伏光热一体化装置，包括光伏电池板、温差发电片及换热器，所述温差发电片处于光伏电池板与换热器之间，三者之间进行热传递。本发明还提供了一种热电联合系统及方法，包括上述光伏光热一体化装置以及燃料电池；燃料电池与换热器连接；本系统还包括与换热器的出水端连接的温度传感器，分别与光伏电池板、温度传感器及燃料电池连接的控制器。本发明的光伏光热一体化装置将光伏与光热技术结合并提高设备对太阳能的整体利用效率，热电联合系统可根据环境变化实现对光伏光热一体化装置及燃料电池进行高效联合运行控制，提高系统运行稳定性及经济性。
Description
技术领域
本发明涉及一种装置、联合系统及方法，尤其涉及一种光伏光热一体化装置、热电联合系统及方法。
背景技术
近些年以来，随着社会经济的快速发展，节能减排的需求越来越高。因此，以太阳能、风能以及燃料电池等为代表的可再生能源技术受到了越来越多的关注及研究。
其中，光伏发电以太阳能光伏电池为主要发电部件，太阳能光伏电池的工作原理基于光生伏特效应，光生伏特效应简单来说即物质在受到光照时其内部的电荷分布产生变化并因此产生电动势的效应。与其他能源形式相比，太阳能具有总能量大、分布广泛，清洁无污染，利用方式经济等一系列优点。太阳能光热设备则与光伏发电设备不同，其通过将太阳光线汇聚从而加热工质，进而用于发电等。
由于光伏电池板仅对具有一定能量的太阳光具有较高的转化效率，太阳能光伏发电的效率较低，一般在30％～20％，有大量的太阳能以散热的形式浪费，因此出现了能够将此部分热量利用起来的光伏光热一体化装置。这类设备通过管路将水与光伏电池板间进行换热，一方面冷却电池板，可以提高电池板的发电效率；另一方面将大量电池板不能利用的能量转化为热水中的能量，可在提供电能的同时供给热水。但是直接通过管路将水与光伏电池板间进行换热，产生的热量损耗较快，不利于能量的最大化利用。
同时，太阳能利用技术具有一系列的优势，但太阳能发电也具有间歇性、随机性的特点，受天气等环境因素的影响较大，因此限制了太阳能的发展及应用领域。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种太阳能利用率高、供电供热稳定的光伏光热一体化装置、热电联合系统及方法。
技术方案：本发明的光伏光热一体化装置，包括光伏电池板、温差发电片及换热器，所述温差发电片处于光伏电池板与换热器之间，三者之间进行热传递。
优选地，所述换热器出水端与热水罐连接。
优选地，所述光伏电池板、温差发电片分别与储能装置连接。
优选地，所述光伏电池板与温差发电片之间设置导热膏。
优选地，所述换热器为盘管式换热器。
本发明提供了一种热电联合系统，包括上述所述的光伏光热一体化装置，所述光伏光热一体化装置与燃料电池连接。
优选地，所述燃料电池与换热器连接。
优选地，还包括与换热器的出水端连接的温度传感器。
优选地，还包括分别与光伏电池板、温度传感器及燃料电池连接的控制器。
本发明提供了一种利用上述所述热电联合系统的方法，系统联合供电：光伏电池板经光照产生电能，将未转化为电能的能量经温差发电片进一步产生电能，燃料电池通入燃料后产生电能，所述光伏电池板、温差发电片及燃料电池产生的电能储存在储能装置中，供用户使用，当使用不足时，控制器首先增加光伏电池板的输出，当光伏电池板供能不足时，增大温差发电片的功能，仍不足时，增加燃料电池供能；
系统联合供热：温差发电片在发电的同时散热，热能对进入换热器的水进行加热，经加热后的水通入热水罐进行贮存，供用户使用；换热器出水端的温度传感器检测出口的水温，并将温度反馈给控制器；当水温达到用户使用要求，则直接使用；若不符合用户要求，则控制器导通燃料电池与可以对换热器的管道，燃料电池工作时的产热对换热器进行加热；当换热器未经光伏光热一体化装置加热，控制器可直接导通燃料电池对换热器加热。
工作原理：
(1)光伏光热一体化装置：光伏电池板的背面接触有温差发电片，利用光伏电池板的散热继续产生电能，提高设备的太阳能-电能转化效率，同时温差发电片具有散热能力，可降低光伏电池板的温度以提高转化效率；温差发电片与换热器接触的一面，由于换热器中通入冷水，一方面冷却温差发电片，使温差发电片维持一定的温差，另一方面利用温差发电片散热对通入的冷水进行加热，产生具有一定温度的热水。同时，光伏电池板及温差发电片产生的电能连接储能装置，储存的电能供用户使用。若水温过低，可将电能用于对冷水加热。
(2)热电联合系统：
①系统联合供电：当光照较差或夜间条件下光伏电池板发电量不足时，控制器自动提高燃料电池的输出，补足用户所需的电能，保证系统的稳定运行；当光照充足时，降低物燃料电池的输出，减少天然气的消耗量，同时增加光伏电池板的产电，从而进一步提高系统经济性，减少排放。为了进一步提高系统供电的稳定性，并在系统因特殊原因无法正常工作时提供缓冲，光伏电池板、温差发电片及燃料电池产生的电能均优先为系统中的储能装置充电，待充电完成后可直接为用户提供电能。综上，电能方面可保证供应的稳定及高效，并尽可能减少天然气的消耗量，降低系统的运行成本。
②系统联合供热：温差发电片的散热对换热器内水进行加热，若换热器的出水端设置温度传感器，则温度传感器可检测经加热后的水温，当水温达到用户使用的要求，则通过换热器流出的水可直接供用户使用，或者通入到具有保温功能的热水罐进行贮存，然后使用；若不符合温度要求，则燃料电池的产热可以对换热器进一步加热，燃料电池在通入天然气及空气进行工作时可产生较高的温度，当换热器未经太阳能散热进行加热的情况下，燃料电池的产热也可直接用于对换热器加热。通过以上联合运行方式，可保证系统在缺少光照条件下的热水供应，并可相应的减少燃料电池对燃料的消耗，提高了系统整体效率。
有益效果：与现有技术相比，本发明的光伏光热一体化装置及热电联合系统具有以下有益效果：(1)本发明的光伏光热一体化装置，能够充分增加太阳能的利用效率，换热器一方面对温差发电片进行冷却，既增大光伏电池板的转化效率，又使温差发电片维持一定的温差，同时温差发电片的散热又对换热器进行加热；(2)热电联合系统，可同时为用户提供稳定而高效的电能以及热水的供应；(3)系统在保证供电及供热水稳定性的同时，采用高效的控制器，可根据使用要求以及环境变化对系统进行调控，从而提高整体的运行效率，减少天然气的消耗；(4)设置的热水罐以及储能装置可进一步提升系统的工作稳定性，可在必要时提供电能、热能。
附图说明
图1为本发明的光伏光热一体化装置结构示意图；
图2为本发明的热电联合系统结构流程图；
图3为本发明的热电联合系统的方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
实施例1
本发明的光伏光热一体化装置，其结构示意图如图1所示，本发明的光伏光热一体化装置，包括光伏电池板1、温差发电片2及换热器3，所述温差发电片2处于光伏电池板1与换热器3之间，三者之间进行热传递。所述换热器3出水端与热水罐5连接；光伏电池板1、温差发电片2的电力输出端分别与储能装置7连接；光伏电池板1与温差发电片2之间设置导热膏；所述换热器3为盘管式换热器。
所述的光伏电池板1可通过光生伏特效应产生电能；由于光伏电池板1的转化效率为20％～30％，因此仅依靠光伏发电太阳能无法获得高效利用，而且大量无法被电池板利用的太阳能会加热光伏电池板，使发电效率下降。为此，首先在光伏电池板1背面设置了温差发电片2，其与光伏电池板1背面接触，两者之间放置能够提高导热能力的导热膏，从而利用光伏电池板1的散热继续产生电力，提高设备的太阳能-电能转化效率，同时温差发电片2也具有一定的散热能力，可降低光伏电池板1的温度以提高效率；温差发电片2的另一面则与换热器2接触，换热器2中进水端通入冷水，一方面冷却光伏电池板1及温差发电片2，使温差发电片2维持一定的温差，另一方面温差发电片2的散热对换热器2中的水进行加热，产生具有一定温度的热水。同时，若水温过低，但光伏电池板1仍可产电时，可将一部分电力用于加热冷水。因此，光伏光热一体化装置将光伏与光热技术结合并提高设备对太阳能的整体利用效率。
所述的热水罐5用于储存经光伏光热一体化装置以及燃料电池6加热过的热水，并具有保温能力，可向系统用户提高符合要求的热水。
所述的储能装置7具有储存光伏光热一体化装置以及燃料电池6所产生电能的能力，并可将电能提供给用户使用，可向系统用户提供电能。
实施例2
如图2所示，其中，1光伏电池板；2温差发电片；3换热器；4温度传感器；5热水罐；6燃料电池；7储能装置；8控制器。本发明提供了一种热电联合系统，在实施例1的基础上增加了与光伏光热一体化装置连接的燃料电池6。本发明的热电联合系统包括第一供电供热系统、第二供电供热系统，所述第一供电供热系统包括光伏电池板1、温差发电片2及换热器3，所述温差发电片2处于光伏电池板1与换热器3之间，三者之间进行热传递；所述第二供电供热系统包括燃料电池6；所述第一供电供热系统还包括与换热器3连接的热水罐5，在换热器3的出水端连接的温度传感器4；控制器11分别与第一供电供热系统中的光伏电池板1、温度传感器4及第二供电供热系统中的燃料电池6连接，用于控制及调配第一供电供热系统、第二供电供热系统的供电供热；储能装置7分别与第一供电供热系统中的光伏电池板1、温差发电片2及第二供电供热系统中的燃料电池6连接，用于储存电能。
所述燃料电池6优选为固体氧化物燃料电池(SOFC)，可直接应用家用管道天然气及空气作为燃料及氧化剂气体，并提供电能供应，并具有一定的工作温度，燃料简单易得，同时热效率较高，可达80％以上；同时具有较佳的负荷相应速度，可在较短时间内实现不同功率间的切换，很适合作为太阳能的联合运行能源，也方便控制器8根据环境变化对热电联合系统进行调控。而光伏光热一体化装置受太阳能本身特点影响，具有工作的间歇性及随机性等劣势，为了进一步提高整个系统的工作稳定性以及工作效率，在光伏光热一体化装置基础上进一步加入燃料电池6以实现多种能源利用形式联合运行。
所述控制器8在系统工作过程中，可以根据时间、光照、降水等情况调节光伏光热一体化装置及燃料电池6的输出大小，这些信息可通过系统外设的时钟、降水传感器、温度传感器以及光照传感器获得，并经过与当地报时以及天气预报系统联网进行修正。控制器8的主要作用在于根据以上传感器所提供的外界信息，以及用户对电能、热水的需求情况调控光伏光热一体化装置和燃料电池6的运行状态。
实施例3
本发明提供了一种利用热电联合系统的方法，如图3所示的流程示意图，太阳光线首先照射到光伏光热一体化装置中的光伏电池板1上，从而产生电能，经光伏光热一体化装置加热过的水进入带有温度传感器4的管路，控制器8通过温度传感器4的信号以及用户对热水的需求情况判断是否需要进一步进行加热。如果需要进一步加热，则打开通向燃料电池6的管路，利用燃料电池6产热对换热器3内的水进行进一步的加热，热水温度达到用户要求后，将其通入用于贮存热水的热水罐5中，这样可以在光伏光热一体化装置因天气等原因出力不足时保证热水供应的品质；若在管路中的进水经光伏光热一体化装置的加热温度已经达到用户要求，则控制器8直接将热水通入热水罐5中，等待用户取用，从而减少燃料电池6对燃料电池6的燃料如天然气的需求，降低系统运行的成本。
系统中的电能除了可通过光伏光热一体化装置中的光伏电池板1获得之外，燃料电池6可通过将天然气及空气中的化学能转化为电能发电。两者产生的电能均通入到储能装置7中存储。控制器8在启动时首先读取此时的时间以及环境信息，经过联网校准后，以这些信息为依据调控光伏电池板1以及燃料电池6的输出大小，控制器8的控制流程如图3所示，具体如下：若时间为夜间，或者因天气等原因环境光照较差，但用户对电能需求仍较高，光伏电池板1发电量有限时，则提高燃料电池6的输出，这会增加天然气的消耗量，但可保证系统运行的稳定性，防止因天气变化等原因造成系统处理不足，影响用户正常使用；若光照充足，光伏电池板1发电量可以满足用户的用电需求时，则将燃料电池6的输出调整至较低水平，降低天然气的使用消耗量，这可以降低系统的运行成本，并进一步减少排放。
此外，由于热水罐5以及储能装置7的存在，这使得本系统具有一定的储能能力，在遇到特殊情况系统无法正常工作时，仍可使用热水罐5及蓄电池6中的贮存维持用户的热水以及用电需求。
Claims (10)
1.一种光伏光热一体化装置，其特征在于，包括光伏电池板(1)、温差发电片(2)及换热器(3)，所述温差发电片(2)处于光伏电池板(1)与换热器(3)之间，三者之间进行热传递。
2.根据权利要求1所述的光伏光热一体化装置，其特征在于，所述换热器(3)出水端与热水罐(5)连接。
3.根据权利要求1所述的光伏光热一体化装置，其特征在于，所述光伏电池板(1)、温差发电片(2)分别与储能装置(7)连接。
4.根据权利要求1所述的光伏光热一体化装置，其特征在于，所述光伏电池板(1)与温差发电片(2)之间设置导热膏。
5.根据权利要求1所述的光伏光热一体化装置，其特征在于，所述换热器(3)为盘管式换热器。
6.一种热电联合系统，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述光伏光热一体化装置，所述光伏光热一体化装置与燃料电池(6)连接。
7.根据权利要求6所述的热电联合系统，其特征在于，所述燃料电池(6)与换热器(3)连接。
8.根据权利要求6所述的热电联合系统，其特征在于，还包括与换热器(3)的出水端连接的温度传感器(4)。
9.根据权利要求6所述的热电联合系统，其特征在于，还包括分别与光伏电池板(1)、温度传感器(4)及燃料电池(6)连接的控制器(11)。
10.一种利用权利要求9所述热电联合系统的方法，其特征在于，系统联合供电：光伏电池板(1)经光照产生电能，将未转化为电能的能量经温差发电片(2)进一步产生电能，燃料电池(6)通入燃料后产生电能，所述光伏电池板(1)、温差发电片(2)及燃料电池(6)产生的电能储存在储能装置(7)中，供用户使用，当使用不足时，控制器(11)首先增加光伏电池板(1)的输出，当光伏电池板(1)供能不足时，增大温差发电片(2)的功能，仍不足时，增加燃料电池(6)供能；
系统联合供热：温差发电片(2)在发电的同时散热，热能对进入换热器(3)的水进行加热，经加热后的水通入热水罐进行贮存，供用户使用；换热器(3)出水端的温度传感器(4)检测出口的水温，并将温度反馈给控制器(11)；当水温达到用户使用要求，则直接使用；若不符合用户要求，则控制器(11)导通燃料电池(6)与可以对换热器(3)的管道，燃料电池(6)工作时的产热对换热器(3)进行加热；当换热器(3)未经光伏光热一体化装置加热，控制器(11)可直接导通燃料电池(6)对换热器(3)加热。
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