CN110943693B - 一种新型光伏光热一体化系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型光伏光热一体化系统，包括光伏电池板、换热系统和保温板，所述光伏电池板包括第一透光玻璃、第二透光玻璃、多个隔热框、多个第二空腔和多片太阳能电池片，所述太阳能电池片设置在第二空腔内，所述换热系统包括第一换热管、第二换热管和用于连通第一换热管与第二换热管的第一水管，所述保温板包括多块第一保温板和多块第二保温板，其上部设有第一沟槽和第二沟槽，所述第一换热管安装在第一保温板的第一沟槽中，所述第一沟槽与第一换热管之间以及所述第一保温板的上表面设有导热层，所述第二换热管安装在第二保温板的第二沟槽中，其上半表面设有黑色涂料。本发明结构简单，可有效提高光伏电池板的发电效率和回收高温热水。

Description

一种新型光伏光热一体化系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及光伏光热一体化技术领域，尤其涉及一种新型光伏光热一体化系统及其控制方法。

背景技术

近年来，太阳能热水器已经走进千家万户，而由于太阳能光伏发电已经非常成熟稳定，越来越多的用户也开始关注屋顶对太阳能光伏的利用。然而，有限的屋顶面积难以同时安装太阳能发电系统和太阳能热水器，用户通常只能选择其中一种进行安装。

太阳能光伏发电在利用太阳能转化为电能时，光伏组件会产生大量的热能，会降低光伏组件的发电效率，光伏组件的最佳发电温度为25~30℃，高于最佳温度，发电效率和组件温度成反比，特别是在环境温度较高的晴好天气，光伏组件板面温度普遍较高，夏季甚至可以接近70℃，对发电效率影响很大。现有的光伏光热一体化系统多采用在传统的光伏组件背面安装换热水管用于吸收光伏电池板的热量和回收低温热水，不仅有效降低了光伏组件温度以提高其发电效率，还可以得到热水，大大提高了太阳能的综合利用效率。

但是，目前的光伏光热一体化系统由于换热管安装在光伏组件背面，只能吸收光伏组件背面的热量，回收的热水温度较低，难以满足用户的高温热水需求，用户使用时还需用电进一步加热回收的热水，不能进一步降低生活热水的用电能耗，尤其是在热水需求较大且回收热水温度较低的冬季。

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，提供了一种新型光伏光热一体化系统及其控制方法，通过设置多个隔热框使第一透光玻璃与第二透光玻璃之间的空气分隔为几乎不传热的第一空腔与第二空腔。并在第一空腔内的太阳能电池片下方设置于吸收太阳能电池片发电时的热量的第一换热管和在第二空腔的下方设置用于直接吸收太阳光热量的第二换热管，使进入换热系统的水可分别吸收光伏电池片和太阳光的热量，有效提高了光伏电池板的发电效率和回收热水的温度，满足了用户的高温热水需求。

为此，本发明采用如下的技术方案：一种新型光伏光热一体化系统，包括光伏电池板、换热系统、保温板、背板和边框，所述光伏电池板包括第一透光玻璃、第二透光玻璃、多个隔热框、多个第二空腔和多片太阳能电池，所述隔热框的上下表面均通过隔热胶分别与第一透光玻璃、第二透光玻璃连接，所述太阳能电池片设置在第二空腔内，其上表面通过第一EVA胶膜与第一透光玻璃连接，下表面通过第二EVA胶膜与第二透光玻璃连接，所述换热系统包括第一换热管、第二换热管和用于连通第一换热管与第二换热管的第一水管，所述保温板包括多个位于第二空腔下方的第一保温板和多个位于隔热框下方的第二保温板，其上部设有用于安装第一换热管的第一沟槽和用于安装第二换热管的第二沟槽，所述第一换热管安装在第一保温板的第一沟槽中，所述第一沟槽与第一换热管之间以及所述第一保温板的上表面设有导热层，所述第二换热管安装在第二保温板的第二沟槽中，其上半表面设有黑色涂料。

进一步地，所述位于第一保温板上表面处的导热层的上表面与第二保温板的上表面齐平，所述第一换热管的顶端与位于第一保温板上表面处的导热层的上表面齐平。

进一步地，所述新型光伏光热一体化系统还包括安装在第一水管上的隔热控制阀、第二水管、水泵、第二控制阀、第三水管、第三控制阀、保温水箱和控制装置，所述控制装置分别与隔热控制阀、水泵、第二控制阀、第三控制阀电连接，用于分别控制隔热控制阀、水泵、第二控制阀、第三控制阀的工作。

进一步地，所述新型光伏光热一体化系统还包括安装在第一换热管内的第一温度传感器和安装在第二换热管内的第二温度传感器，所述第一温度传感器用于检测第一换热管内的水温，所述第二温度传感器用于检测第二换热管内的水温，所述控制装置还分别与第一温度传感器、第二温度传感器电连接，用于根据第一换热管内的水温和第二换热管内的水温分别控制隔热控制阀、水泵、第二控制阀、第三控制阀的工作。

本发明还采用如下的技术方案：一种新型光伏光热一体化系统的控制方法，包括以下步骤：

S1、在新型光伏光热一体化系统启动后，控制隔热控制阀、水泵、第二控制阀和第三控制阀均关闭，并实时检测第一换热管内的水温和第二换热管内的水温；

S2、判断第一换热管内的水温是否大于预设第一水温，判断第二换热管内的水温是否大于预设第二水温；

S3、当第一换热管内的水温大于预设第一水温或第二换热管内的水温大于预设第二水温时，控制隔热控制阀、水泵、第二控制阀和第三控制阀均打开第一预设时间；

S4、当第一换热管内的水温小于或等于预设第一水温和第二换热管内的水温小于或等于预设第二水温时，控制隔热控制阀、水泵、第二控制阀和第三控制阀均关闭。

本发明具有的有益效果是：

（1）通过设置多个隔热框使第一空腔与第二空腔几乎不传热，在第二空腔内安装太阳能电池片和第二空腔的下方安装用于吸收太阳能电池片热量的第一换热管，在第二空腔下方安装用于直接吸收太阳光的第二换热管，并通过隔热控制阀阻隔第一换热管的水与第二换热管的水的热量传递，使进入换热管的水可分别吸收光伏电池片和太阳光的热量，在有效降低光伏电池板的温度以提高其发电效率的同时还回收了温度较高的水，满足了用户的高温热水需求；

（2）通过在第二换热管的上表面设置黑色涂料用于完全吸收太阳光的热量，并通过密封且高透光的第一空腔和和保温板使第二换热管吸收太阳光热量后几乎完全被第二换热管中的水吸收，使第二换热管回收的热水温度进一步提高；

（3）将第一换热管安装在第一保温板的第一沟槽中和在第一换热管与第一沟槽之间以及第一保温板的上表面设置导热层，使第一空腔下方的太阳能电池片背面的热量几乎全部被第一换热管吸收，进一步提高了光伏电池板的发电效率和第一换热管的热回收效率。

附图说明

图1为新型光伏光热一体化系统的结构示意图。

图2为隔热框的安装结构示意图。

图3为换热系统的结构示意图。

图4为第一换热管的结构示意图。

图5为第二换热管的结构示意图。

图6为保温板的三维结构示意图。

图7为保温板的二维结构示意图。

图8为隔热框的三维结构示意图。

图9为换热系统的管路连接示意图。

图10为控制装置与各部件的硬件连接示意图。

附图标记说明：1-边框，2-第一透光玻璃，3-第一EVA胶膜，4-太阳能电池片，5-第二EVA胶膜，6-第二透光玻璃，7-第一换热管，8-导热层，9-隔热框，10-第一空腔，11-第二换热管，12-保温板，13-背板，14-黑色涂料，15-隔热胶，16-第二空腔，17-隔热控制阀，18-第一水管，19-第一弯曲管，20-第一水平管，21-第二弯曲管，22-第二水平管，23-第一沟槽，24-第一保温板，25-第二沟槽，26-第二保温板，27-第二水管，28-第二控制阀，29-水泵，30-第三水管，31-第三控制阀，32-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8，本实施例提供了一种新型光伏光热一体化系统，包括光伏电池板、换热系统、保温板12、背板13和边框1，所述换热系统安装在光伏电池板与保温板之间，所述边框1用于固定光伏电池板、换热系统、保温板12和背板13，所述光伏电池板包括第一透光玻璃2、第二透光玻璃6、多个等间距布置在第一透光玻璃与第二透光玻璃之间的隔热框9、多个第二空腔16和多片太阳能电池片4，所述第一透光玻璃2与第二透光玻璃6预设间隔形成一空腔，在该空腔内等间距设置多个隔热框形成多个第二空腔16，所述太阳能电池片4设置在第二空腔内，其上表面通过第一EVA胶膜3与第一透光玻璃连接，下表面通过第二EVA胶膜5与第二透光玻璃连接，所述隔热框9的上下表面均通过隔热胶15分别与第一透光玻璃、第二透光玻璃连接，连接后使隔热框的内腔形成密封的第一空腔10，隔热框可采用聚苯板、聚氨酯泡沫板、聚苯板等保温材料，用于使第一空腔和第二空腔几乎不传热，隔热胶可采用聚氨酯泡沫胶。

所述换热系统包括第一换热管7、第二换热管11和用于连通第一换热管与第二换热管的第一水管18，所述第一换热管7包括多个等间距排列的第一弯曲管19和多个第一水平管20，所述第一水平管20用于将相邻的第一弯曲管连通，所述第二换热管11包括多个等间距排列的第二弯曲管21和多个第二水平管22，所述第二弯曲管21位于相邻的第一弯曲管19之间，所述第二水平管22用于将相邻的第二弯曲管连通，所述第一水管18可以安装在预设沟槽的保温板中，也可以安装边框外侧，其中，当第一水管安装在边框外侧时，为了减少第一水管中的热量流失，所述第一水管18的外表面最好安装保温套或在边框一侧安装相应的保温壳。

所述保温板12的上部设有用于安装第一换热管的第一沟槽23和用于安装第二换热管的第二沟槽25，其包括多个位于第二空腔下方的第一保温板24和多个位于隔热框下方的第二保温板26，其中，第一沟槽23在第一保温板和第二保温板上均有开设，第一保温板中的第一沟槽用于安装第一弯曲管19，第二沟槽25在第一保温板和第二保温板上也均有开设，第二保温板中的第二沟槽用于安装第二弯曲管21，所述第一保温板24和第二保温板26交替布置，加工时最好一体成型，可通过在第一保温板上部开设相应的凹槽实现，所述第一沟槽23的形状结构与所述第一换热管的形状结构相对应，所述第二沟槽25的形状结构与所述第二换热管的形状结构相对应。

所述第一换热管7安装在第一保温板的第一沟槽中，所述第一沟槽与第一换热管之间以及所述第一保温板的上表面设有铝箔、导热胶等导热层8，所述第二换热管11安装在第二保温板的第二沟槽中，其上半表面设有黑色涂料14。

为了更好地吸收光伏电池板的热量，所述位于第一保温板上表面处的导热层的上表面与第二保温板的上表面齐平，即第二保温板的上表面高于第一保温板的上表面，两者之间的高度差就是导热层的厚度，所述第一换热管的顶端与位于第一保温板上表面处的导热层的上表面齐平，所述第一换热管与第一沟槽之间的缝隙采用导热材料填充。

为使第二换热管更好地吸收太阳光的热量，所述第二换热管的顶端不高于第二保温板的上表面，所述第二换热管与第二沟槽之间的缝隙采用透光隔热胶填塞，如采用EVA胶填塞。

参见图9和图10，为更好地回收光伏电池板的热量，所述新型光伏光热一体化系统还包括安装在第一水管上的隔热控制阀17、第二水管27、设置在第二水管上的水泵29、设置在第二水管上的第二控制阀28、第三水管30、设置在第三水管上的第三控制阀31、保温水箱32和控制装置，所述隔热控制阀17可采用隔热性能较好的塑料电池阀，所述第二水管27的进水口连通冷水出口，出水口与第一换热管的进水口连通，所述第三水管30的进水口与第二换热管的出水口连通，出水口设置在保温水箱的内腔上部，所述控制装置分别与隔热控制阀、水泵、第二控制阀、第三控制阀电连接，用于分别控制隔热控制阀、水泵、第二控制阀、第三控制阀的工作。

具体地，本实施例中采用隔热控制阀使第一换热管中的水与第二换热管中的水热量几乎不传递，并通过控制隔热控制阀、水泵、第二控制阀、第三控制阀的工作可使进入换热系统的冷水吸收光伏电池板的热量一段时间后再输送至第二换热管中吸收太阳光的高温热量，然后再将第二换热管中的高温热水输送至保温水箱，冷水先后分别吸收光伏电池板的低温热量和太阳光的高温热量，回收的水温大大提高，可满足用户的高温热水需求，其中，隔热控制阀、水泵、第二控制阀和第三控制阀控制时采用同时打开预设时间后关闭，此时第一换热管中的水输送至第二换热管中，第二换热管中的水输送至保温水箱中。

为了光伏光热一体化系统能更好地吸收光伏电池板和太阳光的热量，所述新型光伏光热一体化系统还包括安装在第一换热管内的第一温度传感器34和安装在第二换热管内的第二温度传感器33，所述第一温度传感器34用于检测第一换热管内的水温，所述第二温度传感器33用于检测第二换热管内的水温，所述控制装置还分别与第一温度传感器、第二温度传感器电连接，用于根据第一换热管内的水温和第二换热管内的水温分别控制隔热控制阀、水泵、第二控制阀、第三控制阀的工作。

在上述实施例提供的新型光伏光热一体化系统的结构基础上，本实施例还提供了

一种新型光伏光热一体化系统的控制方法，包括以下步骤：

S1、在新型光伏光热一体化系统启动后，控制隔热控制阀、水泵、第二控制阀和第三控制阀均关闭，并实时检测第一换热管内的水温和第二换热管内的水温。

具体地，在系统刚启动后，第一换热管和第二换热管中的水均为刚进入的冷水，应关闭隔热控制阀、水泵、第二控制阀和第三控制阀使第一换热管和第二换热管充分吸热，第一换热管内的水温通过第一温度传感器检测得出，第二换热管内的水通过第二温度传感器检测得出。

S2、判断第一换热管内的水温是否大于预设第一水温，判断第二换热管内的水温是否大于预设第二水温，所述预设第一水温最好为25°C～35°C，所述预设第二水温最好为50°C～70°C。

S3、当第一换热管内的水温大于预设第一水温或第二换热管内的水温大于预设第二水温时，控制隔热控制阀、水泵、第二控制阀和第三控制阀均打开第一预设时间。

具体地，当第一换热管内的水温大于预设第一水温时，第一换热管吸收光伏电池板的热量效果会变差，为了有效提高光伏电池板的发电效率，此时控制隔热控制阀、水泵、第二控制阀和第三控制阀均打开第一预设时间将冷水输送至第一换热管中，将第一换热管中的水输送至第二换热管中，将第二换热管中的水输送至保温水箱中；当第二换热管内的水大于预设第二水温时，第二换热管吸收太阳光的热量效果会变差，为了有效提高光伏光热一体化系统的太阳光热利用率，此时控制隔热控制阀、水泵、第二控制阀和第三控制阀均打开第一预设时间将冷水输送至第一换热管中，将第一换热管中的水输送至第二换热管中，将第二换热管中的水输送至保温水箱中。

S4、当第一换热管内的水温小于或等于预设第一水温和第二换热管内的水温小于或等于预设第二水温时，控制隔热控制阀、水泵、第二控制阀和第三控制阀均关闭。

具体地，当第一换热管内的水温和第二换热管内的水温均较低时，换热系统还可继续吸收光伏电池板的热量和太阳光的热量，此时控制隔热控制阀、水泵、第二控制阀和第三控制阀均关闭。

在本实施例中，换热系统采用位于太阳能电池片下方的第一换热管和位于透光的第二空腔下方的第二换热管，通过第一换热管吸收太阳光电池片发电时的热量，通过第二换热管吸收太阳光的热量，并采用塑料电池阀使第一换热管与第二换热管中的水热量几乎不传递，在第一换热管中的水温或第二换热管中的水温满足预设水温要求时，控制隔热控制阀、水泵、第二控制阀和第三控制阀均打开第一预设时间使第一换热管中的水输送至第二换热管中进一步吸收太阳光的热量，使第二换热管中水输送至保温水箱，由于冷水分别吸收光伏电池片发电时的热量和太阳光直接照射的热量，相对于现有技术中只吸收光伏电池板背面热量后回收的热水，回收的热水温度明显提高，满足了用户的高温热水需求，进一步降低了用户生活热水的用电能耗。

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 (1)

1.一种光伏光热一体化系统的控制方法，其特征在于，所述光伏光热一体化系统包括光伏电池板、换热系统、保温板（12）、背板（13）和边框（1），所述光伏电池板包括第一透光玻璃（2）、第二透光玻璃（6）、多个隔热框（9）、多个第二空腔（16）和多片太阳能电池片（4），所述隔热框（9）的上下表面均通过隔热胶（15）分别与第一透光玻璃、第二透光玻璃连接，所述太阳能电池片（4）设置在第二空腔内，其上表面通过第一EVA胶膜（3）与第一透光玻璃连接，下表面通过第二EVA胶膜（5）与第二透光玻璃连接，所述换热系统包括第一换热管（7）、第二换热管（11）和用于连通第一换热管与第二换热管的第一水管（18），所述保温板（12）包括多个位于第二空腔下方的第一保温板（24）和多个位于隔热框下方的第二保温板（26），其上部设有用于安装第一换热管的第一沟槽（23）和用于安装第二换热管的第二沟槽（25），所述第一换热管（7）安装在第一保温板的第一沟槽中，所述第一沟槽与第一换热管之间以及所述第一保温板的上表面设有导热层（8），所述第二换热管（11）安装在第二保温板的第二沟槽中，其上半表面设有黑色涂料（14），所述光伏光热一体化系统还包括安装在第一水管上的隔热控制阀（17）、第二水管（27）、水泵（29）、第二控制阀（28）、第三水管（30）、第三控制阀（31）、保温水箱（32）、安装在第一换热管内的第一温度传感器（34）、安装在第二换热管内的第二温度传感器（33）和控制装置，所述第一温度传感器（34）用于检测第一换热管内的水温，所述第二温度传感器（33）用于检测第二换热管内的水温，所述控制装置分别与隔热控制阀、水泵、第二控制阀、第三控制阀、第一温度传感器、第二温度传感器电连接，用于根据第一换热管内的水温和第二换热管内的水温分别控制隔热控制阀、水泵、第二控制阀、第三控制阀的工作，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后，控制隔热控制阀、水泵、第二控制阀和第三控制阀均关闭，并实时检测第一换热管内的水温和第二换热管内的水温；

S2、判断第一换热管内的水温是否大于预设第一水温，判断第二换热管内的水温是否大于预设第二水温；

S3、当第一换热管内的水温大于预设第一水温或第二换热管内的水温大于预设第二水温时，控制隔热控制阀、水泵、第二控制阀和第三控制阀均打开第一预设时间；

S4、当第一换热管内的水温小于或等于预设第一水温和第二换热管内的水温小于或等于预设第二水温时，控制隔热控制阀、水泵、第二控制阀和第三控制阀均关闭。

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