CN110108044A - 一种太阳能光伏光热复合集热装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种太阳能光伏光热复合集热装置，是在光伏板的下方布置有集热板，之间由热溶解法粘结，集热板是分离式平板集热管的蒸发段，它由两块铝板组合，用气胀法加工出半圆形微通道重力热管结构，集热板上方安装一个蓄热箱，蓄热箱相当于冷凝段部分，是水平三层套筒结构，中心一个小圆筒流过工质蒸汽；蒸汽筒外面的圆筒内充满水作为蓄热材料，用于和蒸汽筒内蒸汽进行换热；套筒的最外部圆筒内充满石蜡作为补充蓄热材料，在蒸汽筒的外表面，紧紧缠绕着一根铜质螺旋管作为冷水管。由此，集热和蓄热效率高，系统运行时不需要额外动力泵，可以依靠自来水管系统或高位水箱实现换热工质的流动，在降低耗能的同时显著提升换热效果，商业应用前景广阔。

Description

一种太阳能光伏光热复合集热装置

技术领域

本发明属于使用太阳能进行光伏发电和余热集热的新能源技术领域。具体涉及光伏发电板-分离式平板热管型集热板和带有石蜡蓄热材料的蓄热箱组合而成的复合集热装置的设计。

背景技术

煤、石油、天然气等传统能源的消耗加剧了世界的环境问题，而随着煤炭、石油、天然气等不可再生能源总量的日趋减少，能源问题也逐渐成为制约国际社会经济发展的瓶颈。使用可再生能源替代传统能源无疑成为解决这些问题最好的办法。可再生能源包括风能、水能、地热能、潮汐能和太阳能等，而这其中，来源丰富、利用成本低的太阳能具有其独特的优势。

太阳能集热器是普遍使用的太阳能获取装置，目前被广泛研究的集热器种类繁多，按换热模式可以分为主动式和被动式两大类。主动式集热器的运行需要电力，利用泵推动工质循环，而被动式则不需要电力的消耗，依靠重力或换热器内部毛细力推动工质循环。

太阳能光伏/光热集热器(PV/PT集热器)是一种新型集热器，它将光伏发电和太阳能热利用和二为一，在相同采光面积条件下即发电又集热，大幅提高太阳能利用效率。大量的实验室研究成果已经发表，但缺乏实用产品。在目前光伏发电已经大规模普及的市场条件下，使用太阳能光伏/ 光热集热器是进一步提高效益，降低成本，普及光伏发电的有效技术。

PV/PT主动式集热器可分为强制对流型和热泵型两种。强制对流型集热器中的工质一般为空气或过冷水，其在泵功推动下，流过集热器内的换热流路，吸收电池基板导出热量后，流入用热装置。换热器管路可以是开式循环也可以是闭式循环。其最适合于空气流动加热。热泵型集热器的流动结构和水强制对流集热器很相似，只是换热器内流路必须抽真空，其最适合于热水流动加热。

PV/PT被动式集热器可分为自然对流型和热管型两种。自然对流型集热器和一般的真空玻璃管太阳能热水器很相似，利用集热管内水的上下温差进行管内自然对流循环换热，工质为水。基本形状是正面安装有太阳能电池的基板-即集热板，背面用焊接或粘接方式连接一排圆管、扁管或长方形扁盒作为集热管，集热管上部插入一个金属水平圆筒，集热管和水平圆筒的接口用焊接或橡胶圈密封，水平圆筒和集热管联通，内部充满水作为用热工质。

目前的PV/PT热管型集热器中的热管大部分是圆管式重力热管，少量是各类毛细力热管。热管型集热器有3个核心部件；集热板，热管，冷凝器，它们用拼装方式连接在一起。基本形状是基板-即集热板正面安装有太阳能电池，用导热胶连接电池板和基板，集热板背面用焊接或粘接方式连接圆管型重力热管作为蒸发段，为加强两者间导热，集热板和重力热管之间要用很厚的导热胶覆盖。热管的上端插入一个换热器作为整体系统的冷凝器。加热空气时一般是对流式换热器，加热水时使用满液型换热器。此时冷凝器就是一个金属水平圆筒，热管和水平圆筒的接口焊接或用橡胶圈密封，水平圆筒内充满水作为冷凝段。从外形看自然对流型和热管型集热器几乎难以区别，但热管型的换热性能是最好的，热管型集热器从机理上讲最适合用于光伏光热复合集热器。

经过对现有相关技术文献检索发现，中国专利申请号： 201220491644.1，记载了一种太阳能电光伏光热一体化装置，该发明通过风机将真空管内的热空气输送到室内，再将室内的冷空气送到真空管内加热。中国专利申请号：201220736279.6，记载了一种有蓄热功能的太阳能光伏光热装置，该发明利用自带的直流水泵，带动低温水循环流动以降低太阳能电池板的温度，提高其效率。这两个专利都是主动式集热器的实例，而主动式集热器固有的制造成本高，运行成本高，维护成本高，运行操作复杂等缺点限制了其大规模商业化应用。

中国专利申请号：201420330679.6，记载了一种太阳能光伏光热一体化联用装置，该发明特征是利用热水比重轻，顺流道上浮而冷水沿流道向下流动，形成换热体系。作为自然对流型集热器的一种，其成本低廉，结构简单，但整体的换热性能不够优异。另外，窄小细长的集热管内水的污垢会迅速沉积在金属壁面，造成换热失效。自然对流型集热器在小型别墅中有一定使用价值，大规模商业化前途较差。

进一步检索发现，中国专利申请号：201210320370.4和中国专利申请号201220443781.8记载了两种略有不同的太阳能光伏光热一体化组件，该发明特征都是以密封胶依次将钢化玻璃、EVA封装胶膜、焊条连接的电池组片、导热绝缘膜、背板进行封装。而密封胶在太阳紫外线的不断照射下会出现老化脱落等各种问题，大规模的商业应用需要数量很多的光伏光热组件，大量使用密封胶进行封装既不环保也不长久。

针对目前光伏光热集热装置普遍存在的几个问题，开发一种被动式运行不耗能、换热性能优异、结构简单、成本低廉和易于组合安装的太阳能光伏/光热复合集热器商品有广泛的实用价值。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种太阳能光伏光热复合集热装置，解决上述现有技术问题中的一个或者多个。

根据本发明的一个方面，提供一种太阳能光伏光热复合集热装置，包括光伏板和分离式平板集热管，分离式平板集热管包括集热板和蓄热箱，集热板通过热溶解粘接方式设置于光伏板背面，集热板与蓄热箱之间通过连通管连通。

在一些实施方式中：集热板内顶部设有蒸汽腔，集热板内底部设有积液腔，蒸汽腔和积液腔之前通过多个平行设置的微通道连通。

在一些实施方式中：集热板由两块铝板经过气胀法加工而成，内部形成微通道，微通道为半圆形结构。

在一些实施方式中：微通道的直径为1.4mm到2mm的半圆形通道，相邻两个微通道中心距为10mm到15mm。

集热板是一个一次性成品，用吹胀法制作。它由一块较厚铝板和一块薄铝板合在一起经特殊加工而成。在厚铝板上用涂胶机按一定设计好的纹路涂胶，不涂胶的部分形成微通道几何形状。然后将两块铝板压在一起，用高压气瓶向不涂胶部分吹气使薄铝板的未涂胶部分膨胀形成半圆形状微通道。向微通道内注入液体工质，该液体工质也就是工质，并抽真空密封。这个集热板即变为一个分离式平板集热管的蒸发段部分。

在一些实施方式中：蓄热箱为水平三层套筒结构，其由内向外依次包括蒸汽筒、第一蓄热筒和第二蓄热筒，蒸汽筒外壁缠绕有换热管，换热管位于第一蓄热筒内；蒸汽筒能够与第一蓄热筒之间热交换，第一蓄热筒能够与第二蓄热筒之间热交换，换热管能够与第一蓄热筒之间换热；蒸汽筒内设有工质，蒸汽筒通过连通管连通集热板，第一蓄热筒内设有第一蓄热材料，第二蓄热筒内设有第二蓄热材料。

在一些实施方式中：工质为甲醇和乙醇混合物，乙醇的含量大于等于 0％，第一蓄热材料为水，第二蓄热材料为石蜡。

在一些实施方式中：连通管为高压橡胶管。

蓄热箱是分离式平板集热管的冷凝段部分，它和集热板组合形成一个分离式重力热管系统。蓄热箱位于集热板上方，两者之间由一根高压橡胶管连接，橡胶管既是蒸汽线也是液体线，形成热管回路。集热板吸收光伏板产生的热量后加热微通道内液体工质，产生的蒸汽经过蒸汽线进入蓄热箱，经过冷凝后变成液态经过液体线回到集热板，完成一个工质循环。

蓄热箱是不锈钢制成的一水平三层套筒结构，中心一个小圆筒流过工质蒸汽，称为蒸汽筒，它相当于分离式平板集热管的冷凝部。蒸汽筒外面的圆筒内充满水作为蓄热材料，即充满第一蓄热材料，用于和蒸汽筒内蒸汽进行换热，这个中间筒称为热水筒，即为第一蓄热筒。套筒的最外部圆筒内充满石蜡，即第二蓄热材料，作为补充蓄热材料，称为石蜡筒，即为第二蓄热筒。水吸收的热量一部分传递给石蜡。由于石蜡在蓄热温度范围内依靠固液相变潜热蓄热，其单位体积蓄热能力超过水的显热蓄热能量。同时，石蜡又可以作为蓄热箱的第一层保温材料。

在蒸汽筒的外面，紧紧缠绕着一根铜质螺旋管作为冷水管，即为换热管。在需要取出蓄热箱内储存热能时，冷水流过冷水管，和周围热水进行热交换，水温升高后流出蓄热箱。这个冷水管也起到强化蒸汽筒冷凝放热的作用，它相当与一个冷凝强化扩张表面。

在一些实施方式中：热溶解粘接方式为用远红外辐射加热板对光伏板背面塑料层进行加热，形成热溶解层，将集热板直接和光伏板压紧后粘结在一起。

光伏板和集热板之间不使用任何连接材料，用一种特殊方法-热溶解粘接方法。其原理是将光伏板背面塑料层在红外辐射加热板的非接触加热下产生微溶解状态，然后将集热板直接压在微溶解的光伏板背面塑料层上，冷却后直接粘结为一体。这种粘结方法比较用导热胶连接，柔性石墨片连接更加廉价，导热效果更好。

由于光伏板的热吸收功率很低，一般热管通道结构和热管常用工质无法使热管启动正常工作。因此，需要进行结构优化和工质优化。同时，由于热管工质要保证在正压下运行，可以采用蒸汽排气法进行抽真空处理，现场运行时不需要真空泵辅助工作。

集热器的保温性能直接影响其集热效率。为了提高保温性能，采用高压泡沫塑料充填法一次性对集热板和蓄热箱分别完成保温处理。

与现有技术相比，本发明的优点及突出效果在于：集热板采用气胀法一体化加工，结构新颖，利于低成本生产及大规模商业应用。

光伏板与集热板之间改一般导热胶连接为热溶解粘接方式，改善产品质量的同时降低成本。

使用分离式平板集热管结构将热管蒸发段部分和冷凝段部分分别制作和安装，易于大规模制造，安装简单，降低对集热板平整度要求；使用微通道结构和优化工质，在低热负荷条件下热管可靠工作。

附图说明

图1是本发明一种太阳能光伏光热复合集热装置的结构示意图；

图2是本发明一种太阳能光伏光热复合集热装置的集热板结构示意图；

图3是本发明一种太阳能光伏光热复合集热装置的集热板内部漕道形状示意图；

图4是本发明一种太阳能光伏光热复合集热装置的蓄热箱的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明，对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种太阳能光伏光热复合集热装置在光伏板1的下方布置有集热板2，光伏板1和集热板2之间用热溶解粘接方式粘合，热溶解粘接方式为用远红外辐射加热板对光伏板1背面塑料层进行加热，形成热溶解层3，将集热板2直接和光伏板1压紧后粘结在一起，集热板上方是蓄热箱4。集热板2和蓄热箱4之间由高压橡胶管5连接，在集热板2和蓄热箱4外部有保温层6。

图2是集热板结构示意图，图3是集热板内部漕道形状示意图。集热板由两块矩形铝板组合，上部铝板7的厚度是1mm，下部铝板8的厚度是 0.5mm。两块铝板组成一个微通道结构。微通道结构包括上部的蒸汽腔9、下部的积液腔10和中间的平行微通道11。微通道11是半圆型槽道，内径 1.4mm到2mm，相邻两通道中心距离10mm-15mm。这些几何尺寸直接影响热管启动和运行特性。

集热板2制作采用吹胀法工艺，基本步骤如下：(1)对两块矩形铝板的表面进行化学处理：第一步，除去油垢，第二步，进行碱腐蚀，第三步，形成酸上膜，第四步，热水封闭；(2)在铝板上用阻焊剂印刷出微通道管路和进出口管路的图样，并将之烘干；(3)压合铝板并吹胀管路：第一步，将两印有管路图样的铝板对合并沿边点焊，第二步，对铝板先后进行热轧、冷精轧和退火，保证铝板平整度。第三步，将对合的铝板置于高压闭合的型腔模中并采用高压气体由入口向内吹胀，在两对合的铝板之间形成微通道，蒸汽腔和积液腔；(4)在蒸汽腔位置开口，用AB胶粘结一个第一接头12用于连接高压橡胶管，第一接头12可以是铝制接头。

如图4所示，蓄热箱4是不锈钢制成的水平三层套筒结构，外径大致 250mm，园筒长度和光伏板相当。套筒中心一个小圆筒流过工质蒸汽，称为蒸汽筒14，外径120mm左右。蒸汽筒14外面第二个圆筒内充满热水作为第一蓄热材料16，用于和蒸汽筒内蒸汽进行换热。这个中间筒称为热水筒，即第一蓄热筒15，外径220mm左右。套筒的最外部圆筒内充满石蜡，作为第二蓄热材料18，称为石蜡筒，即第二蓄热筒17。在蒸汽筒的外表面，紧紧缠绕着一根铜质螺旋管作为冷水管，即换热管19。在需要取出蓄热箱4内储存热能时，冷水20流过冷水管，和周围热水进行交换，水温升高后流出蓄热箱4。

在蒸汽筒14的侧端上方开有一个小孔焊接一个真空阀21,通过真空阀21进行抽真空处理。在蒸汽筒14的侧端下方开有一个小孔焊接第二接头22用于连接高压橡胶管5，第二接头22可以是不锈钢制。在热水筒下部开有一个小孔焊接第一开关阀23,通过第一开关阀23充入纯水作为第一蓄热材料16。在石蜡筒下部开有一个小孔焊接第二开关阀24,通过第二开关阀24灌入液态石蜡作为第二蓄热材料18，用以作为补充蓄热。石蜡的标号大致和蓄热温度对应(50号到60号)。

在集热板2(分离式平板集热管蒸发部)和蓄热箱4(分离式平板集热管冷凝部)用高压橡胶管5连接好后，打开蒸汽筒14的真空阀21灌入热管工质25到达蒸汽筒底部。工质25为甲醇和乙醇混合物，混合比例根据设定的热水蓄热温度而定。比如热水蓄热温度不超过60度时，可选用纯甲醇为工质。甲醇比例越大，热管换热性能越好。在使用纯甲醇时，在热管蒸发段平均温度45度以上时(热管启动正常运行阶段)，冷热段平均温差大约只有2-3度。

在灌入热管工质25后，继续打开真空阀21，在阳光下发电运行3小时左右。热管工质25被光伏板2加热，温度超过饱和温度(纯甲醇约57 度)后产生蒸汽，甲醇蒸汽携带原热管内空气排出。三小时左右空气基本被排空。然后关闭真空阀21。一般集热板和蒸汽筒壁面之间温差可以在3 度以下，如温差大于该值，代表真空度不够，可以重新排气。

以上所述仅是本发明的一种实施方式，应当指出，对于本领域普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干相似的变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种太阳能光伏光热复合集热装置，其特征在于：包括光伏板(1)和分离式平板集热管，所述分离式平板集热管包括集热板(2)和蓄热箱(4)，所述集热板(2)通过热溶解粘接方式设置于所述光伏板(1)背面，所述集热板(2)与所述蓄热箱(4)之间通过连通管(5)连通。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏光热复合集热装置，其特征在于：所述集热板(1)内顶部设有蒸汽腔(9)，集热板(1)内底部设有积液腔(10)，所述蒸汽腔(9)和所述积液腔(10)之前通过多个平行设置的微通道(11)连通。

3.根据权利要求2所述的一种太阳能光伏光热复合集热装置，其特征在于：所述集热板(1)由两块铝板经过气胀法加工而成，内部形成所述微通道(11)，所述微通道(11)为半圆形结构。

4.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏光热复合集热装置，其特征在于：所述热溶解粘接方式为用远红外辐射加热板对光伏板(1)背面塑料层进行加热，形成热溶解层(3)，将集热板(2)直接和光伏板(1)压紧后粘结在一起。

5.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏光热复合集热装置，其特征在于：所述蓄热箱(4)为水平三层套筒结构，其由内向外依次包括蒸汽筒(14)、第一蓄热筒(15)和第二蓄热筒(17)，所述蒸汽筒(14)外壁缠绕有换热管(19)，所述换热管(19)位于所述第一蓄热筒(15)内；所述蒸汽筒(14)内设有工质(25)，所述蒸汽筒(14)通过所述连通管(5)连通所述集热板(2)，所述第一蓄热筒(15)内设有第一蓄热材料(16)，所述第二蓄热筒(17)内设有第二蓄热材料(18)。

6.根据权利要求5所述的一种太阳能光伏光热复合集热装置，其特征在于：所述工质(25)为甲醇和乙醇混合物，所述乙醇的含量大于等于0％。

7.根据权利要求5所述的一种太阳能光伏光热复合集热装置，其特征在于：所述第一蓄热材料(16)为水。

8.根据权利要求5所述的一种太阳能光伏光热复合集热装置，其特征在于：所述第二蓄热材料(17)为石蜡。

9.根据权利要求2所述的一种太阳能光伏光热复合集热装置，其特征在于：所述微通道(11)的直径为1.4mm到2mm的半圆形通道，相邻两个所述微通道(11)中心距为10mm到15mm。

10.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏光热复合集热装置，其特征在于：所述连通管(5)为高压橡胶管。