CN110943691B - 一种低成本的光伏光热一体化系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光伏光热一体化系统，包括光伏电池板（1）、换热管（3）、保温板（2）、背板（5）和边框（7），所述换热管（3）的截面为方形，所述保温板（2）的上部设有沟槽（10），所述沟槽（10）中设有换热管，所述换热管与沟槽之间以及保温板的上表面设有导热层（4），所述位于保温板上表面处的导热层的上表面高于换热管的上表面或与换热管的上表面齐平，所述保温板（2）的四周设有多个通孔（9），所述通孔内设有支撑部（8），所述支撑部（8）的抗压强度大于保温板的抗压强度，其上表面高于换热管的上表面或与换热管的上表面齐平。本发明结构简单，成本低，可有效提高光伏光热一体化系统的发电效率和回收的热量。
Description
技术领域
本发明涉及光伏光热一体化技术领域，尤其涉及一种光伏光热一体化系统及其控制方法。
背景技术
太阳能光伏光热一体化技术是将光伏发电与余热回收技术结合起来，不仅能够保证光伏电池板温度和发电效率的基本稳定，而且能够产生热能，给用户提供热水，从而大幅度提高光伏电池的发电效率和低温热量的利用率，实现更高的综合效率。目前常见的太阳能光伏光热一体化系统多采用在光伏电池板背面安装换热管和在换热管中通入冷水回收光伏电池板的热量，该技术由于换热管与光伏面背面为线接触或小面积的面接触，接触面积小，换热效果较差，导致光伏电池板温度降低效果较差和发电效率提高不明显，同时回收的热量也较少。
为解决上述技术问题，专利号201310322073.8，名称为“一种相变蓄热式光伏光热集热器及其制备方法”的发明专利公开了一种相变蓄热式光伏光热集热器，该集热器通过在光伏电池板背面安装方形截面的换热管使换热管与光伏板背面面接触，且在换热管的管距内填充定型相变蓄热材料，形成定型相变材料层，该技术虽然可以进一步降低光伏组件温度，提高光伏组件的发电效率和太阳能利用系统的整体效率，但其应用成本较高，制作复杂，相变蓄热材料热熔后填充至换热管之间时需要压实后冷却成定型相变材料后才能安装保温层和支撑背板，加工时间较长，有待进一步改进。此外，现有的光伏光热一体化系统中冷水流速多采用固定流速，难以满足不同环境因素下光伏光热一体化系统中热量的最大化回收，冷水流速率过小会导致热回收效率低和光伏板温度降温效果差，冷水流速过大会造成水泵电能的过高消耗，目前急需一种低成本且高效集热的光伏光热一体化系统的控制技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的缺陷，提供了一种光伏光热一体化系统及其控制方法，将换热管设置在设有沟槽的保温板中，通过导热层将光伏板背面的热量快速导热至换热管中，并在保温板中开设通孔和在通孔中设置支撑部用于支撑光伏板传递的压力，使光伏光热一体化系统采用壁厚较小的换热管时不会受压，换热管的吸热能力进一步增强，有效提高了光伏电池板的降温效果和发电效率，进一步增加了光伏光热一体化系统回收的热量。
为此，本发明采用如下的技术方案：一种光伏光热一体化系统，包括光伏电池板、换热管、保温板、背板和边框，所述换热管的截面为方形，所述保温板的上部设有沟槽，所述沟槽中设有换热管，所述换热管与沟槽之间以及保温板的上表面设有导热层，所述位于保温板上表面处的导热层的上表面高于换热管的上表面或与换热管的上表面齐平。
进一步地，所述保温板的四周设有多个通孔，所述通孔内设有支撑部，所述支撑部的抗压强度大于保温板的抗压强度，其上表面不低于换热管的顶端，且与所述位于保温板上表面处的导热层的上表面齐平。
进一步地，所述换热管的壁厚小于1mm。
进一步地，所述光伏光热一体化系统还包括水泵、进水管、出水管、第一电磁阀、第二电磁阀、保温水箱、设置在换热管内的第一水温传感器、设置在换热管进水口处的进口温度传感器、设置在换热管出水口处的出口温度传感器、设置在进水管或出水管上的流量传感器和控制装置，所述控制装置分别与水泵、第一电磁阀、第二电磁阀、第一水温传感器、进口温度传感器、出口温度传感器、流量传感器电连接。
本发明还采用如下的技术方案：一种光伏光热一体化系统的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
S1、监测当前时间是否处于预设工作时间段，其中，所述预设工作时间段包括第一预设工作时间段和处于第一预设工作时间段之后的第二预设工作时间段；
S2、在当前时间刚处于第一预设工作时间段内时，实时获取换热管内的水温，控制水泵以预设流量运行第一预设时间后关闭第二预设时间，控制第一电磁阀和第二电磁阀打开第一预设时间后关闭第二预设时间，所述第一预设时间和第二预设时间之和为第一预设工作时间段的时间长度；
S3、将水泵运行第一预设时间后的换热管内的水温记为A1，将水泵关闭第二预设时间后的换热管内的水温记为A2；
S4、判断所述换热管内的水温A2是否大于预设水温；
S5、当所述换热管内的水温A2小于或等于预设水温时，控制水泵、第一电磁阀和第二电磁阀均关闭；
S6、当所述换热管内的水温A2大于预设水温时，根据换热管内的水温A1、换热管内的水温A2、预设换热管内的水质量和预设吸热计算公式来估算光伏光热一体化系统在第二预设时间内的平均吸热功率；
S7、在当前时间处于第二预设工作时间段内时，控制水泵、第一电磁阀和第二电磁阀均打开，并实时获取换热管进口处的进口水温、换热管出口处的出口水温和水泵流量，根据所述换热管进口处的进口水温、换热管出口处的出口水温和水泵流量计算所述光伏光热一体化系统的吸热功率；
S8、根据所述平均吸热功率和所述光伏光热一体化系统的吸热功率调整水泵的流速，使得调整后的光伏光热一体化系统的吸热功率与所述平均吸热功率相匹配。
进一步地，所述预设吸热计算公式为：
J=[C1*M1*(A2-A1)]/T；
J-光伏光热一体化系统在第二预设时间内的平均吸热功率；
C1-水的比热容；
M1-预设换热管内的水质量，根据预设换热管内的水体积和水密度计算得出；
T-第二预设时间。
进一步地，所述控制方法还包括以下步骤：
S9、在当前时间不处于预设工作时间段内时，控制水泵、第一电磁阀和第二电磁阀关闭。
本发明具有的有益效果是：
（1）将用于吸收光伏板热量的换热管安装在保温板的沟槽中，并通过导热层使光伏板背面的热量几乎全部被换热管吸收，有效提高了光伏板的发电效率和换热管的热回收效率；
（2）通过在保温板的四周开设通孔和在通孔中设置支撑部用于支撑光伏板传递的压力，使光伏光热一体化系统受到较大压力时壁厚较小的换热管不会破坏，换热管选用时重点考虑导热因素，无需考虑承载因素，进一步提高了换热管的吸热能力，使光伏板的降温效果和发电效率进一步提高，同时也进一步增加了光伏光热一体化系统回收的热量；
（3）换热管之间无需设置相变蓄热材料，直接通过导热层传递使换热管的其他表面也可快速吸收光伏板背面的热量，结构简单，制作容易，大大降低了光伏光热一体化的成本；
（4）根据安装在光伏电池板背面的换热管内的水在一小段时间内的温度升高情况来估算系统的平均吸热功率，并根据估算的平均吸热功率和实时计算的系统吸热功率来调整水泵的流速，以使调整后的光伏光热一体化系统的吸热功率与平均吸热功率相匹配，从而使水泵在合理的流量运行下实现系统最大化地回收热量，有效降低了水泵的用电能耗，进一步降低了光伏光热一体化系统的运行成本。
附图说明
图1为光伏光热一体化系统的第一结构示意图。
图2为光伏光热一体化系统的第二结构示意图。
图3为设有通孔与沟槽的保温板的三维结构示意图。
图4为设有通孔与沟槽的保温板的平面结构示意图。
图5为系统热回收管路的连接示意图。
图6为控制装置与各硬件的连接示意图。
附图标记说明：1-光伏电池板，2-保温板，3-换热管，4-导热层，5-背板，6-第一水温传感器，7-边框，8-支撑部，9-通孔，10-沟槽，11-进口温度传感器，12-进水管，13-第一电磁阀，14-流量传感器，15-水泵，16-出口温度传感器，17-第二电磁阀，18-出水管，19-保温水箱。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合说明书附图对本发明做进一步的详细阐述。
参见图1至图6，本实施例提供了一种光伏光热一体化系统，包括光伏电池板1、换热管3、设置在光伏电池板背面的保温板2、背板5和边框7，所述边框用于将光伏电池板1、换热管3、保温板2和背板5固定成一体，所述换热管3的截面为方形，所述保温板2的上部设有沟槽10，保温板可采用挤塑聚苯板、聚氨酯板、无机保温板等保温材料，所述沟槽10中设有换热管，换热管可采用金属换热盘管，所述换热管与沟槽之间以及保温板的上表面设有导热层4，导热层4可以采用热的良导体材料制成，例如铝箔，所述位于保温板上表面处的导热层的上表面不低于换热管的顶端，即位于保温板上表面处的导热层的上表面紧贴光伏电池板背面，换热管的上表面紧贴或靠近光伏电池板背面。
所述保温板2的四周设有多个通孔9，所述通孔内设有支撑部8，支撑部可采用发泡陶瓷板、地聚合物块、硅酸钙板等具有较好的保温性能与抗压性能的材料，所述支撑部8的抗压强度大于保温板的抗压强度，其上表面不低于换热管的顶端，且与所述位于保温板上表面处的导热层的上表面齐平，所述换热管3的壁厚最好小于1mm。
具体地，在光伏光热一体化系统中，换热管的壁厚越薄，其吸热能力就越强，抗压能力就越差，由于换热管上方的光伏电池板在某些情况下会受到较大的压力，如台风天气风压加大，又如光伏电池板安装或清洗时工人有时会站在光伏电池板上部，现有技术为使光伏电池板受压时下部的换热管不会破坏，换热管的壁厚需满足一定厚度以满足抗压要求，壁厚一般在2mm以上，为进一步提高换热管的吸热能力，本实施例中通过在保温板四周开设多个通孔和在通孔中设置支撑部来承受光伏电池板传递的压力，使壁厚较薄的换热管在光伏电池板受到较大压力时不会破坏。
为更好地回收光伏电池板的热量，所述光伏光热一体化系统还包括进水管12、出水管18、水泵15、设置在进水管上的第一电磁阀13、设置在出水管上的第二电磁阀17、保温水箱19、设置在换热管内的第一水温传感器6、设置在换热管进水口处的进口温度传感器11、设置在换热管出水口处的出口温度传感器16、设置在进水管或出水管上的流量传感器14和控制装置，所述进水管的出水口与换热管的进水口连通，出水口与自来水出口连通，所述出水管的进水口与换热管的出水口连通，出水口设置在保温水箱内腔上部出，所述第一水温传感器用于检测换热管内的水温，所述进口温度传感器用于检测换热管进水口处的水温，所述出口温度传感器用于检测换热管出水口处的水温，所述流量传感器用于检测水泵流量，所述控制装置分别与水泵、第一电磁阀、第二电磁阀、第一水温传感器、进口温度传感器、出口温度传感器、流量传感器电连接。
在上述光伏光热一体化系统的结构基础上，本实施例提供了光伏光热一体化系统的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
S1、监测当前时间是否处于预设工作时间段，其中，所述预设工作时间段包括第一预设工作时间段和处于第一预设工作时间段之后的第二预设工作时间段。
具体地，预设工作时间段为太阳光光照强度较高的时间段，可设置多个时间段，如预设工作时间段为09:00～10:29，10:30～11:59，12:00～13:29， 13:30～14:59等多个时间段，第一预设工作时间段用于判断换热管的吸热情况，时间应尽量短，第二预设工作时间段用于回收光伏电池板的热量，时间应相对较长，即第一预设工作时间段的时长最好远小于第二预设工作时间段的时长，预设工作时间段可根据不同季节自动调整或由用户手动设定。
S2、在当前时间刚处于第一预设工作时间段内时，实时获取换热管内的水温，控制水泵以预设流量运行第一预设时间后关闭第二预设时间，控制第一电磁阀和第二电磁阀打开第一预设时间后关闭第二预设时间，所述第一预设时间和第二预设时间之和为第一预设工作时间段的时间长度。
具体地，由于换热管内的水在前一时间段吸收了光伏电池板的热量，为更好地判断换热管在当前时间段的吸热情况，控制水泵以预设流量运行第一预设时间将换热管内的热水输送至保温水箱和低温的自来水输送至换热管内使其在第二预设时间内充分吸收光伏电池板背面的热量，其中，所述第一预设时间对应的时间段和所述第二预设工作时间段对应的时间段即为第一预设工作时间段，如在09:00～10:29预设工作时间段中，09:00～09:10为第一预设工作时间段，第一预设时间为2min，第二预设时间为8min，则09:00～09:02为第一预设时间对应的时间段，09:03～09:10时间段为第二预设时间对应的时间段。
S3、将水泵运行第一预设时间后的换热管内的水温记为A1，将水泵关闭第二预设时间后的换热管内的水温记为A2；
S4、判断所述换热管内的水温A2是否大于预设水温；
S5、当所述换热管内的水温A2小于或等于预设水温时，控制水泵、第一电磁阀和第二电磁阀均关闭。
具体地，在某些天气下，光伏电池板在预设工作时间段发电时产生的热量会较小，此时系统无需回收光伏电池板的热量，本实施例中通过判断所述换热管内的水温A2是否大于预设水温来确定系统是否工作，预设水温最好是35°C～45°C。
S6、当所述换热管内的水温A2大于预设水温时，根据换热管内的水温A1、换热管内的水温A2、预设换热管内的水质量和预设吸热计算公式来估算光伏光热一体化系统在第二预设时间内的平均吸热功率。
具体地，在第二预设时间对应的时间段内，换热管内的水温上升主要由光伏电池板的热量引起的，由于一般情况下光伏电池板的热量在一定时间段内不会发生较大变化，将第一预设工作时间段内估算的平均吸热功率作为之后的第二预设工作时间段内水泵控制的参考依据，所述预设吸热计算公式为：
J=[C1*M1*(A2-A1)]/T；
J-光伏光热一体化系统在第二预设时间内的平均吸热功率；
C1-水的比热容；
M1-预设换热管内的水质量，根据预设换热管内的水体积和水密度计算得出；
T-第二预设时间。
S7、在当前时间处于第二预设工作时间段内时，控制水泵、第一电磁阀和第二电磁阀均打开，并实时获取换热管进口处的进口水温、换热管出口处的出口水温和水泵流量，根据所述换热管进口处的进口水温、换热管出口处的出口水温和水泵流量计算所述光伏光热一体化系统的吸热功率。
具体地，光伏光热一体化系统的吸热功率根据实时获取换热管进口处的进口水温、换热管出口处的出口水温、水泵流量和预设热回收计算公式计算得出，所述预设热回收计算公式为：
G=с×ρ×ν×（t2-t1）；
G-光伏光热一体化系统的吸热功率，с-水的比热容，ρ-水的密度，ν-水泵流量，t2-换热管出口处的出口水温，t1-换热管进口处的进口水温。
S8、根据所述平均吸热功率和所述光伏光热一体化系统的吸热功率调整水泵的流速，使得调整后的光伏光热一体化系统的吸热功率与所述平均吸热功率相匹配。
具体地，根据所述平均吸热功率和光伏光热一体化系统的吸热功率调整水泵的流速，可使水泵的流量处于合理的参数范围，从而使系统在充分吸收光伏电池板热量的同时进一步降低了水泵的用电能耗。
优选地，所述根据所述平均吸热功率和所述光伏光热一体化系统的吸热功率调整水泵的流速的步骤，包括以下步骤：
S81、计算所述平均吸热功率和所述光伏光热一体化系统的吸热功率的差值；
S82、判断所述平均吸热功率和所述光伏光热一体化系统的吸热功率的差值是否在预设差值范围内。
具体地，为了减少水泵的调整频率，延长水泵的使用寿命，当所述平均吸热功率和光伏光热一体化系统的吸热功率的差值不在预设差值范围内时，才调整水泵的流量，当所述平均吸热功率和光伏光热一体化系统的吸热功率的差值在预设差值范围内时，不调整水泵的流量，其中，预设差值范围包括最大值和最小值，可根据所述平均吸热功率和预设比例设置，如最大值为1.1倍的平均吸热功率，最小值为0.9倍的平均吸热功率。
S83、当所述差值不在所述预设差值范围内时，确定所述平均吸热功率和所述光伏光热一体化系统的吸热功率不匹配；
S84、根据所述差值调整所述水泵的流量。
具体地，根据所述差值调整所述水泵的流量控制技术可采用大量的试验分析得出，如差值处于0～300W范围内时，控制水泵的流量增大5%，差值处于300～500W范围内时，控制水泵的流量增大10%，差值大于500W时，控制水泵流量增大15%，差值处于-300W～0W范围内时，控制水泵的流量减小5%，差值处于-500W～-300W范围内时，控制水泵的流量减小10%，差值小于-500W时，控制水泵流量减小15%，还可采用现有的PID控制技术。
为了更准确地根据差值调整所述水泵的流量，所述根据所述差值调整所述水泵的流量的步骤，包括以下步骤：
根据前一时刻的差值和当前时刻的差值确定当前时刻的差值变化趋势；
根据当前时刻的差值和差值变化趋势，确定调整所述水泵的调整幅度；
根据所述调整幅度调整水泵的流量。
具体地，采用PID控制方式根据所述调整幅度调整水泵的流量时，可进一步结合差值变化趋势更精确控制水泵的调整幅度，使所述平均吸热功率和所述光伏光热一体化系统的吸热功率更快匹配，从而使光伏光热一体化系统以最大吸热性能运行更长时间。例如，若当前时刻的差值较大，且差值变化趋势变大时，则继续加大调整程度，若当前时刻的差值较大，且差值变化趋势变小时，则继续保持该调整程度或适当调整程度。
本发明的保护范围并不局限于上述描述，任何在本发明的启示下的其它形式产品，不论在形状或结构上作任何改变，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种光伏光热一体化系统的控制方法，所述光伏光热一体化系统包括光伏电池板（1）、换热管（3）、保温板（2）、背板（5）、边框（7）、水泵（15）、进水管（12）、出水管（18）、第一电磁阀（13）、第二电磁阀（17）、保温水箱（19）、设置在换热管内的第一水温传感器（6）、设置在换热管进水口处的进口温度传感器（11）、设置在换热管出水口处的出口温度传感器（16）、设置在进水管或出水管上的流量传感器（14）和控制装置，所述保温板（2）的上部设有沟槽（10），所述沟槽（10）中设有换热管，所述换热管与沟槽之间以及保温板的上表面设有导热层（4），位于保温板上表面处的导热层的上表面高于换热管的上表面或与换热管的上表面齐平，所述控制装置分别与水泵、第一电磁阀、第二电磁阀、第一水温传感器、进口温度传感器、出口温度传感器、流量传感器电连接，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
S1、在光伏光热一体化系统启动前设置多个预设工作时间段，启动后监测当前时间是否处于预设工作时间段，其中，所述预设工作时间段包括第一预设工作时间段和处于第一预设工作时间段之后的第二预设工作时间段；
S2、在当前时间刚处于第一预设工作时间段内时，实时获取换热管内的水温，控制水泵以预设流量运行第一预设时间后关闭第二预设时间，控制第一电磁阀和第二电磁阀打开第一预设时间后关闭第二预设时间，所述第一预设时间和第二预设时间之和为第一预设工作时间段的时间长度；
S3、将水泵运行第一预设时间后的换热管内的水温记为A1，将水泵关闭第二预设时间后的换热管内的水温记为A2；
S4、判断所述换热管内的水温A2是否大于预设水温；
S5、当所述换热管内的水温A2小于或等于预设水温时，控制水泵、第一电磁阀和第二电磁阀均关闭；
S6、当所述换热管内的水温A2大于预设水温时，根据换热管内的水温A1、换热管内的水温A2、预设换热管内的水质量和预设吸热计算公式来估算光伏光热一体化系统在第二预设时间内的平均吸热功率；
S7、在当前时间处于第二预设工作时间段内时，控制水泵、第一电磁阀和第二电磁阀均打开，并实时获取换热管进口处的进口水温、换热管出口处的出口水温和水泵流量，根据所述换热管进口处的进口水温、换热管出口处的出口水温和水泵流量计算所述光伏光热一体化系统的吸热功率；
S8、计算所述平均吸热功率和所述光伏光热一体化系统的吸热功率的差值，判断所述平均吸热功率和所述光伏光热一体化系统的吸热功率的差值是否在预设差值范围内，当所述差值不在所述预设差值范围内时，确定所述平均吸热功率和所述光伏光热一体化系统的吸热功率不匹配，并根据前一时刻的差值和当前时刻的差值确定当前时刻的差值变化趋势，根据当前时刻的差值和差值变化趋势确定调整所述水泵的调整幅度，根据所述调整幅度调整水泵的流量，使得调整后的光伏光热一体化系统的吸热功率与所述平均吸热功率相匹配。
2.根据权利要求1所述的光伏光热一体化系统的控制方法，其特征在于，所述预设吸热计算公式为：
J=[C1*M1*(A2-A1)]/T；
J-光伏光热一体化系统在第二预设时间内的平均吸热功率；
C1-水的比热容；
M1-预设换热管内的水质量，根据预设换热管内的水体积和水密度计算得出；
T-第二预设时间。
3.根据权利要求1所述的光伏光热一体化系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括以下步骤：
S9、在当前时间不处于预设工作时间段内时，控制水泵、第一电磁阀和第二电磁阀关闭。
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