CN112910409A - 多功能蒸发冷却热管式光伏光热系统及工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多功能蒸发冷却热管式光伏光热系统及工作方法，包括热管式光伏光热模块、太阳能蓄电池、太阳能逆控一体机、储热水箱、水泵、风扇、嵌套式水冷换热器以及风冷换热器。本系统可实现发电、制热水、采暖、控制湿度等多种功能。在非采暖季，热管式光伏光热模块与水泵、储热水箱结合，循环水在水泵推动下以强迫对流换热形式在嵌套式水冷换热器中吸收太阳能热量，实现制热水功能；在采暖季，热管式光伏光热模块与风冷换热器、风扇结合，以风冷单相换热和蒸发冷却两相换热耦合方式吸收太阳能，提高系统光电光热效率并改善室内空气湿度本发明可根据不同季节光照特点，实现多功能输出满足建筑不同需求。

Description

多功能蒸发冷却热管式光伏光热系统及工作方法
技术领域
本发明属于光伏光热技术与建筑结合领域，具体涉及热管式光伏光热系统与特朗伯墙结合在建筑中的应用。
背景技术
光伏光热系统具有发电、制热水及采暖多种功能，其结构可与建筑完美结合，既可以满足用户部分能源需求也可以装饰建筑外观。然而，现阶段的光伏光热模块采暖方式多采用水循环，但冬季管路易结冰。采用空气冷却成为光伏光热系统冬季运行时的主流换热方式，虽然空气冷却克服了管路结冻、泄露等问题，但其自身具有低热容、低密度等缺点，导致载热能力有限，不能及时充分的带走光伏光热系统的热量。此种换热方式具有较低的光伏光热综合效率。
中国专利《一种太阳能多功能墙》(CN201410558931.3)介绍了一种自然对流换热的特朗伯墙采暖、除甲醛系统，《一种面向被动房的太阳能集热通风系统》(CN201820406956.5)将太阳能集热器、热管和特朗伯墙相结合，这些系统皆采用冬季空气冷却太阳能系统，太阳能利用效率有待提升。
发明内容
针对现有光伏光热系统功能限制、空气换热效率低问题，本发明提出了一种多功能蒸发冷却-热管式光伏光热系统。该系统将热管式光伏光热模块与嵌套式水冷换热器和风冷换热器相结合，冬季时以强制对流换热方式利用空气单相流及蒸发冷却两相流耦合换热模式吸收热管热量，提高其光电光热综合效率。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种多功能蒸发冷却热管式光伏光热系统，包括光伏光热模块1、水冷系统、风冷换热器10、供电蓄电系统；
光伏光热模块1用于吸收和转换太阳能为系统提供电能和热能；包括吸热板5、吸热板5向阳侧的玻璃板2，吸热板5和玻璃板2之间为隔热空气层3，吸热板5吸光面固定光伏电池阵列4；
水冷系统包括铜管热管6、嵌套式水冷换热器8、水泵19、储热水箱20、蒸发冷却供水池12，铜管热管6的蒸发段固定在吸热板5背部，铜管热管6的冷凝段上半部插入嵌套式水冷换热器8内，嵌套式水冷换热器8通过水泵19与储热水箱20相连，用于循环加热生活热水；
风冷换热器10包括风冷通道13、换热器最外部的保温层11、嵌套式水冷换热器8、铜管热管6和蒸发冷却供水池12；铜管热管6的冷凝段在风道内部，冷凝段下半部表面附着热管吸液芯9，热管吸热芯9的底端浸入蒸发冷却供水池12内，顶部与嵌套式水冷换热器8下端口水平面齐平，风冷通道13位于通风处的位置设有风道入口14，风冷通道13末端的风道出口17与建筑房间接通，风道入口14设有风扇15和风道入口挡板16，风道出口17出口设有风道出口挡板18；
供电蓄电系统包括太阳能蓄电池21、太阳能逆控一体机22，光伏光热模块1通过电线与太阳能蓄电池21、太阳能逆控一体机22相连，太阳能蓄电池21连通至用户端23，用于储存电能。
作为优选方式，光伏电池阵列4通过热熔胶层压在吸热板5吸光面。
作为优选方式，铜管热管6的蒸发段通过激光焊接固定于吸热板5背部。
作为优选方式，铜管热管6冷凝段上半部与嵌套式水冷换热器8结合。
作为优选方式，光伏光热模块1的最外层为模块保温边框7。
作为优选方式，系统采用空气单相流冷却铜管热管冷凝段上半部；同时，利用水蒸发冷却铜管热管冷凝段下半部，以两种换热方式耦合提高换热能力并调节室内空气湿度。
作为优选方式，光伏光热模块1附着于室外建筑墙体表面。
作为优选方式，嵌套式水冷换热器8的结构为：铜管上设有多个等距孔，多个铜盲管穿过等距孔经焊接后构成嵌套式水冷换热器8。
本发明还提供一种所述的一种多功能蒸发冷却热管式光伏光热系统的工作方法，其为：
在非采暖季，风扇15、风道入口挡板16和风道出口挡板18关闭；光伏光热模块1利用光伏电池阵列4将部分射入的光照转化成电能，并通过太阳能逆控一体机22控制储存于太阳能蓄电池21内；同时，其他未转化为电能的光照通过光伏电池阵列4、吸热板5的吸收转化为热能，此时，固定于吸热板5背部的铜管热管6内部的冷媒通过相变将热量由蒸发段导入冷凝段；储热水箱20内的水在水泵19的推动下进入嵌套式水冷换热器8并与铜管热管6冷凝段的气态冷媒以强迫对流形式进行换热，完成制热水功能；储热水箱的热水流入用户端；
在采暖季，水泵19关闭，风冷换热器10开始工作，风扇15、风道入口挡板16和风道出口挡板18开启；射入光伏光热模块1的光照一部分通过光电效应转化为电能，另一部分被转化为热能，并通过铜管热管6传递到冷凝段，此时，室内空气在风扇15的推动下经风道入口14进入风冷通道13，热管吸液芯9通过毛细力吸取蒸发冷却供水池12内的水并均匀分布，室内低温干空气经过热管吸液芯9表面后吸收水分，以水蒸发冷却-热管冷媒两相流换热形式实现水与冷媒的潜热交换，变为高温高湿气体，同时，气体以单相流-冷媒两相流换热形式冷却冷凝段上半部，以空气显热耦合水蒸发潜热对热管冷凝器进行冷却，加热加湿后的空气由风道出口17进入室内，完成采暖加湿功能。
本发明系统的技术构思如下：
采用热管式光伏光热模块与建筑墙体相结合，以水冷、蒸发冷却-空气冷却换热方式为建筑供热水、供电，采暖、调节湿度功能。在非采暖季，热管式光伏光热模块与嵌套式水冷换热器相结合，将太阳能热量导入储热水箱完成供热水功能。在采暖季，热管式光伏光热模块与风冷换热器相结合，以蒸发冷却耦合空气冷却方式吸收太阳能热量，完成采暖控湿功能。同时，热管式光伏光热模块可与太阳能逆控一体机和太阳能蓄电池相结合全年为建筑供电。
相比现有技术，本发明的有益效果如下：
1、本发明将热管式光伏光热模块与嵌套式水冷换热器和风冷换热器结合可实现发电、制热水、采暖和调节室内空气湿度功能，实现了系统功能多样化。
2、采用蒸发冷却耦合风冷以单相流耦合汽水两相流对热管冷凝器进行冷却，提高模块光电光热综合效率的同时调节室内空气湿度。
附图说明
图1为本发明实施例提供一种多功能蒸发冷却-热管式光伏光热系统的结构示意图；其中，(a)为主视图，(b)为侧视图；
图2为本发明实施例提供非采暖季热管光伏光热模块制热水模式平面图；其中，(a)为主视图，(b)为侧视图；
图3为本发明实施例提供采暖季热管光伏光热模块采暖控湿模式平面图；其中，(a)为主视图，(b)为侧视图；
图4为嵌套式水冷换热器的结构示意图。
图中，1为光伏光热模块，2为玻璃板，3为隔热空气层，4为光伏电池阵列，5为吸热板，6为铜管热管，7为模块保温边框，8为嵌套式水冷换热器，9热管吸液芯，10为风冷换热器，11为换热器保温层，12为蒸发冷却供水池，13为风冷通道，14为风道入口，15为风扇，16为风道入口挡板，17为风道出口，18为风道出口挡板，19为水泵，20为储热水箱，21为太阳能蓄电池，22为太阳能逆控一体机，23为用户端，24为建筑墙体。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种多功能蒸发冷却-热管式光伏光热系统，包括光伏光热模块1、水冷系统、风冷换热器10、供电蓄电系统；
光伏光热模块1用于吸收和转换太阳能为系统提供电能和热能；包括吸热板5、吸热板5向阳侧的玻璃板2，吸热板5和玻璃板2之间为隔热空气层3，吸热板5吸光面固定光伏电池阵列4；
水冷系统包括铜管热管6、嵌套式水冷换热器8、水泵19、储热水箱20、蒸发冷却供水池12，铜管热管6的蒸发段固定在吸热板5背部，铜管热管6的冷凝段上半部插入嵌套式水冷换热器8内，嵌套式水冷换热器8通过水泵19与储热水箱20相连，用于循环加热生活热水；
风冷换热器10包括风冷通道13、换热器最外部的保温层11、嵌套式水冷换热器8、铜管热管6和蒸发冷却供水池12；铜管热管6的冷凝段在风道内部，冷凝段下半部表面附着热管吸液芯9，热管吸热芯9的底端浸入蒸发冷却供水池12内，顶部与嵌套式水冷换热器8下端口水平面齐平，风冷通道13位于通风处的位置设有风道入口14，风冷通道13末端的风道出口17与建筑房间接通，风道入口14设有风扇15和风道入口挡板16，风道出口17出口设有风道出口挡板18；
供电蓄电系统包括太阳能蓄电池21、太阳能逆控一体机22，光伏光热模块1通过电线与太阳能蓄电池21、太阳能逆控一体机22相连，太阳能蓄电池21连通至用户端23，用于储存电能。
光伏电池阵列4通过热熔胶层压在吸热板5吸光面。
铜管热管6的蒸发段通过激光焊接固定于吸热板5背部。
铜管热管6冷凝段上半部与嵌套式水冷换热器8结合。
光伏光热模块1的最外层为模块保温边框7。
系统采用空气单相流冷却铜管热管冷凝段上半部；同时，利用水蒸发冷却铜管热管冷凝段下半部，以两种换热方式耦合提高换热能力并调节室内空气湿度。
光伏光热模块1附着于室外建筑墙体表面。
嵌套式水冷换热器8的结构为：大直径铜管上设有多个等距小直径孔，多个铜盲管穿过小直径孔经焊接后构成嵌套式水冷换热器8。
本实施例的工作方法为：
如图2所示，在非采暖季，风扇15、风道入口挡板16和风道出口挡板18关闭；光伏光热模块1利用光伏电池阵列4将部分射入的光照转化成电能，并通过太阳能逆控一体机22控制储存于太阳能蓄电池21内；同时，其他未转化为电能的光照通过光伏电池阵列4、吸热板5的吸收转化为热能，此时，固定于吸热板5背部的铜管热管6内部的冷媒通过相变将热量由蒸发段导入冷凝段；储热水箱20内的水在水泵19的推动下进入嵌套式水冷换热器8并与铜管热管6冷凝段的气态冷媒以强迫对流形式进行换热，完成制热水功能；储热水箱的热水流入用户端；
如图3所示，在采暖季，水泵19关闭，风冷换热器10开始工作，风扇15、风道入口挡板16和风道出口挡板18开启；射入光伏光热模块1的光照一部分通过光电效应转化为电能，另一部分被转化为热能，并通过铜管热管6传递到冷凝段，此时，室内空气在风扇15的推动下经风道入口14进入风冷通道13，热管吸液芯9通过毛细力吸取蒸发冷却供水池12内的水并均匀分布，室内低温干空气经过热管吸液芯9表面后吸收水分，以水蒸发冷却-热管冷媒两相流换热形式实现水与冷媒的潜热交换，变为高温高湿气体，同时，气体以单相流-冷媒两相流换热形式冷却冷凝段上半部，以空气显热耦合水蒸发潜热对热管冷凝器进行冷却，加热加湿后的空气由风道出口17进入室内，完成采暖加湿功能。
本实施例的技术构思如下：
采用热管式光伏光热模块与建筑墙体相结合，以水冷、蒸发冷却-空气冷却换热方式为建筑供热水、供电，采暖、调节湿度功能。在非采暖季，热管式光伏光热模块与嵌套式水冷换热器相结合，将太阳能热量导入储热水箱完成供热水功能。在采暖季，热管式光伏光热模块与风冷换热器相结合，以蒸发冷却耦合空气冷却方式吸收太阳能热量，完成采暖控湿功能。同时，热管式光伏光热模块可与太阳能逆控一体机和太阳能蓄电池相结合全年为建筑供电。
本发明提出的系统安装方便，非常适合与建筑相结合，可根据不同季节光照特点，实现多功能输出满足建筑内用户的不同需求。
以上结合附图对本发明的实施例进行了详细阐述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护。

Claims (9)

1.一种多功能蒸发冷却热管式光伏光热系统，其特征在于：包括光伏光热模块(1)、水冷系统、风冷换热器(10)、供电蓄电系统；
光伏光热模块(1)用于吸收和转换太阳能为系统提供电能和热能；包括吸热板(5)、吸热板(5)向阳侧的玻璃板(2)，吸热板(5)和玻璃板(2)之间为隔热空气层(3)，吸热板(5)吸光面固定光伏电池阵列(4)；
水冷系统包括铜管热管(6)、嵌套式水冷换热器(8)、水泵(19)、储热水箱(20)、蒸发冷却供水池(12)，铜管热管(6)的蒸发段固定在吸热板(5)背部，铜管热管(6)的冷凝段上半部插入嵌套式水冷换热器(8)内，嵌套式水冷换热器(8)通过水泵(19)与储热水箱(20)相连，用于循环加热生活热水；
风冷换热器(10)包括风冷通道(13)、换热器最外部的保温层(11)、嵌套式水冷换热器(8)、铜管热管(6)和蒸发冷却供水池(12)；铜管热管(6)的冷凝段在风道内部，冷凝段下半部表面附着热管吸液芯(9)，热管吸热芯(9)的底端浸入蒸发冷却供水池(12)内，顶部与嵌套式水冷换热器(8)下端口水平面齐平，风冷通道(13)位于通风处的位置设有风道入口(14)，风冷通道(13)末端的风道出口(17)与建筑房间接通，风道入口(14)设有风扇(15)和风道入口挡板(16)，风道出口(17)出口设有风道出口挡板(18)；
供电蓄电系统包括太阳能蓄电池(21)、太阳能逆控一体机(22)，光伏光热模块(1)通过电线与太阳能蓄电池(21)、太阳能逆控一体机(22)相连，太阳能蓄电池(21)连通至用户端(23)，用于储存电能。
2.根据权利要求1所述的一种多功能蒸发冷却热管式光伏光热系统，其特征在于：光伏电池阵列(4)通过热熔胶层压在吸热板(5)吸光面。
3.根据权利要求1所述的一种多功能蒸发冷却热管式光伏光热系统，其特征在于：铜管热管(6)的蒸发段通过激光焊接固定于吸热板(5)背部。
4.根据权利要求1所述的一种多功能蒸发冷却热管式光伏光热系统，其特征在于：铜管热管(6)冷凝段上半部与嵌套式水冷换热器(8)结合。
5.根据权利要求1所述的一种多功能蒸发冷却热管式光伏光热系统，其特征在于：光伏光热模块(1)的最外层为模块保温边框(7)。
6.根据权利要求1或2所述的一种多功能蒸发冷却热管式光伏光热系统，其特征在于：系统采用空气单相流冷却铜管热管冷凝段上半部；同时，利用水蒸发冷却铜管热管冷凝段下半部，以两种换热方式耦合提高换热能力并调节室内空气湿度。
7.根据权利要求1所述的一种多功能蒸发冷却热管式光伏光热系统，其特征在于：光伏光热模块(1)附着于室外建筑墙体表面。
8.根据权利要求1所述的一种多功能蒸发冷却热管式光伏光热系统，其特征在于：嵌套式水冷换热器(8)的结构为：铜管上设有多个等距孔，多个铜盲管穿过等距孔经焊接后构成嵌套式水冷换热器(8)。
9.权利要求1至8任意一项所述的一种多功能蒸发冷却热管式光伏光热系统的工作方法，其特征在于：
在非采暖季，风扇(15)、风道入口挡板(16)和风道出口挡板(18)关闭；光伏光热模块(1)利用光伏电池阵列(4)将部分射入的光照转化成电能，并通过太阳能逆控一体机(22)控制储存于太阳能蓄电池(21)内；同时，其他未转化为电能的光照通过光伏电池阵列(4)、吸热板(5)的吸收转化为热能，此时，固定于吸热板(5)背部的铜管热管(6)内部的冷媒通过相变将热量由蒸发段导入冷凝段；储热水箱(20)内的水在水泵(19)的推动下进入嵌套式水冷换热器(8)并与铜管热管(6)冷凝段的气态冷媒以强迫对流形式进行换热，完成制热水功能；储热水箱的热水流入用户端；
在采暖季，水泵(19)关闭，风冷换热器(10)开始工作，风扇(15)、风道入口挡板(16)和风道出口挡板(18)开启；射入光伏光热模块(1)的光照一部分通过光电效应转化为电能，另一部分被转化为热能，并通过铜管热管(6)传递到冷凝段，此时，室内空气在风扇(15)的推动下经风道入口(14)进入风冷通道(13)，热管吸液芯(9)通过毛细力吸取蒸发冷却供水池(12)内的水并均匀分布，室内低温干空气经过热管吸液芯(9)表面后吸收水分，以水蒸发冷却-热管冷媒两相流换热形式实现水与冷媒的潜热交换，变为高温高湿气体，同时，气体以单相流-冷媒两相流换热形式冷却冷凝段上半部，以空气显热耦合水蒸发潜热对热管冷凝器进行冷却，加热加湿后的空气由风道出口(17)进入室内，完成采暖加湿功能。
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