CN114093971A - 太阳能集热与被动式冷却协同的冷热电联产系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种太阳能集热与被动式冷却协同的冷热电联产系统及方法；光伏光热一体化集热器与第一水泵、吸收式制冷机、蓄冷水箱、供热终端、供电终端相连；吸收式制冷机与蓄冷水箱、第二水泵依次相连；蓄冷水箱与第三水泵、蒸气压缩式制冷机依次相连；蒸气压缩式制冷机与第四水泵、供冷终端依次相连；柔性薄膜包覆于光伏电池组件上，光伏电池组件贴附于集热板前侧，流体通道焊接于集热板背侧，保温材料置于集热板背侧，柔性薄膜和光伏电池组件所包围的封闭空间由气管依次连接气泵、储气罐。本发明采用气泵与柔性薄膜相结合的方式，按日间和夜间运行模式改变光伏电池组件与环境之间的热阻，使系统日间太阳能集热与夜间被动式冷却的性能可协同提升。

Description

太阳能集热与被动式冷却协同的冷热电联产系统及方法
技术领域
本发明涉及冷热电联产系统，尤其涉及一种太阳能集热与被动式冷却协同的冷热电联产系统及方法。
背景技术
随着经济发展和人们对建筑空间热舒适度要求的提高，建筑能耗和相关碳排放量持续上升。随着我国碳中和发展战略的逐步实施，推广可再生能源利用与建筑节能十分必要。
由于太阳能资源具有清洁、永不衰竭的特点，且光伏组件具有安装便捷、输配电损耗低等优势，太阳能光伏发电系统备受关注、发展迅速。目前，光伏系统广泛使用的晶体硅电池在标准测试工况下的光电转化效率为16％～20％，这意味着将近80％的太阳能在光伏发电过程中未转化成有用能量，而是主要以热能的形式散失到环境。为此，结合光伏光热一体化集热器与制冷制热设备，构建基于太阳能光伏光热综合利用的冷热电联产系统，对于促进建筑节能减排具有积极意义。在日间，光伏光热一体化集热器通过光伏发电和收集太阳能热量进行供冷供热，可提升太阳能利用效率；在夜间，光伏光热一体化集热器亦可通过与天空进行长波红外辐射传热而产生被动式冷却效应。
在工程应用中，为了提升日间太阳能集热性能，通常采用玻璃作为光伏光热一体化集热器的盖板，并在玻璃盖板与光伏电池组件之间形成一定厚度的空气夹层，从而减少从光伏电池组件到天空和环境的热损失、提高太阳能热利用效率。但上述空气夹层将显著增大夜间被动式冷却过程中光伏电池组件与天空的传热热阻，大幅削弱夜间被动式冷却性能。因此，光伏光热一体化集热器对于日间太阳能热利用及夜间被动式冷却的协同性差，二者较难同时具有显著的利用效率，严重制约了上述冷热电联产系统性能的提升。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种太阳能集热与被动式冷却协同的冷热电联产系统及方法。本发明将柔性薄膜覆盖于光伏光热一体化集热器的光伏电池组件表面，在夜间通过抽除柔性薄膜与光伏电池组件之间的气体，使二者紧密贴合，从而减小光伏电池组件与天空之间的传热热阻，加强夜间被动式冷却；在日间则向由柔性薄膜和光伏电池组件所包围的封闭空间充注一定质量的气体，以形成具有一定压强的气体夹层，从而降低日间从光伏电池组件到天空和环境的热损失，提高日间太阳能集热与夜间被动式冷却的协同性，显著提升冷热电联产系统性能。
本发明通过下述技术方案实现：
一种太阳能集热与被动式冷却协同的冷热电联产系统，包括光伏光热一体化集热器1及其运行系统；光伏光热一体化集热器1包括：柔性薄膜101、光伏电池组件102、集热板103、流体通道105；
柔性薄膜101包覆于光伏电池组件102上，光伏电池组件102贴附于集热板103前侧，流体通道105焊接于集热板103背侧；
柔性薄膜101和光伏电池组件102所包围的封闭空间连接有气管107。
光伏光热一体化集热器1还包括一外壳106；外壳106具有一开口，柔性薄膜101通过该开口将光伏电池组件102上表面包覆在其内。
集热板103背侧还设置有保温材料104。
运行系统包括：气泵2、储气罐3、吸收式制冷机4、蓄冷水箱5、蒸气压缩式制冷机6；
柔性薄膜101和光伏电池组件102所包围的封闭空间，由气管107连接气泵2，气泵2由管路连接储气罐3；
光伏光热一体化集热器1出水口由管路通过第一阀门14连接供热终端8进水口；供热终端8出水口由管路通过第一水泵10连接光伏光热一体化集热器1进水口；
光伏光热一体化集热器1出水口由管路通过第二阀门15连接蓄冷水箱5的进水口506；蓄冷水箱5的出水口505由管路通过第三阀门16连接在第一水泵10的上游管段上；
光伏光热一体化集热器1出水口由管路通过第四阀门17连接吸收式制冷机4的热水端进水口；吸收式制冷机4的热水端出水口由管路连接在第一水泵10的上游管段上；
吸收式制冷机4的冷冻水端出水口由管路连接蓄冷水箱5的进水口501；蓄冷水箱5的出水口502由管路经第二水泵11连接吸收式制冷机4的冷冻水端进水口；
蓄冷水箱5的出水口503由管路经第三水泵12连接蒸气压缩式制冷机6的冷却水端进水口；蒸气压缩式制冷机6的冷却水端出水口由管路连接蓄冷水箱5的进水口504；
蒸气压缩式制冷机6的冷冻水端出水口由管路经第四水泵13连接供冷终端7进水口；供冷终端7出水口由管路连接蒸气压缩式制冷机6冷冻水端进水口；
光伏光热一体化集热器1与供电终端9电连接。
柔性薄膜101的材料为聚四氟乙烯(PTFE)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、氟化乙烯丙稀共聚物(FEP)或过氟烷基化物(PFA)。
光伏光热一体化集热器1上设有第一温度传感器18、第二温度传感器19和太阳辐照度传感器20；蓄冷水箱5上设有第三温度传感器21。
太阳能集热与被动式冷却协同的冷热电联产系统还包括第一控制器22和第二控制器23；
第一控制器22分别信号连接气泵2和太阳辐照度传感器20；
第二控制器23分别信号连接第一温度传感器18、第二温度传感器19、第三温度传感器21和第一水泵10。
第一温度传感器18安装在光伏光热一体化集热器1的进水口处，第二温度传感器19安装在光伏光热一体化集热器1的出水口处，第三温度传感器21安装在蓄冷水箱5的顶部；
吸收式制冷机4为溴化锂吸收式制冷机；
流体通道105为圆形剖面通道、椭圆剖面通道或矩形剖面通道。
一种太阳能集热与被动式冷却协同的冷热电联产系统的运行方法，包括如下步骤：
太阳能光伏光热利用步骤
在日间，光伏光热一体化集热器1将太阳能吸收并转化成电能，输送到供电终端9；
第二阀门15和第三阀门16保持关闭，第一阀门14和第四阀门17保持开启；
当太阳辐照度检测值高于设定值50W/m2～150W/m2，则开启气泵2，向光伏光热一体化集热器1的柔性薄膜101和光伏电池组件102所包围的封闭空间充注一定质量且压强高于大气压的气体，以增大光伏电池组件102与环境之间传热热阻、降低从光伏电池组件102到环境的热损失；
当光伏光热一体化集热器1出水口温度检测值高于55℃～60℃，则启动第一水泵10，随后水流进入光伏光热一体化集热器1，获得热量后被输送至供热终端8和吸收式制冷机4的热水端；当光伏光热一体化集热器1出水口温度检测值低于进水口温度检测值，则关闭第一水泵10；
在第二水泵11驱动下，水流进入吸收式制冷机4的冷冻水端，获得冷量后被输送至蓄冷水箱5；
夜间被动式冷却步骤
在夜间，第二阀门15和第三阀门16保持开启，第一阀门14和第四阀门17保持关闭；
蓄冷水箱5的温度通常超过30℃，且夜间环境温度多处于20℃～30℃。当太阳辐照度检测值低于设定值10W/m2～50W/m2，则开启气泵2，排除柔性薄膜101和光伏电池组件102之间的气体，柔性薄膜101和光伏电池组件102紧密贴合且两者之间不再具有明显的充气空间，以减小光伏电池组件102与环境之间的传热热阻，利用光伏电池组件102分别与天空的辐射换热及与环境的传热，加强对其自身的冷却；
当光伏光热一体化集热器1出水口温度检测值比蓄冷水箱5顶部水温检测值低1℃～5℃，则启动第一水泵10，随后水流进入光伏光热一体化集热器1，被天空和环境冷却而降温的水输送至蓄冷水箱5；当光伏光热一体化集热器1出水口温度检测值高于进水口温度检测值，则关闭第一水泵10；
供冷步骤
在第三水泵12驱动下，蓄冷水箱5的冷量传递至蒸气压缩式制冷机6的冷凝器或过冷器，降低蒸气压缩式制冷机6的制冷剂冷凝温度或提高制冷剂的过冷度，从而蒸气压缩式制冷机6的制冷输出增加；
在第四水泵13驱动下，蒸气压缩式制冷机6的制冷量传递至供冷终端7。
太阳辐照度传感器20将实时太阳辐照度信号传递给第一控制器22，第一控制器22根据其预设太阳辐照度与实时太阳辐照度进行对比，当实时太阳辐照度达到预设太阳辐照度时，第一控制器22作出启动气泵2充气或抽气的动作；
第一温度传感器18、第二温度传感器19和第三温度传感器21将实时温度信号传递给第二控制器23，第二控制器23根据其预设温度与实时温度进行对比，当实时温度达到预设温度时，第二控制器23作出开启或关闭第一水泵10的动作。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
本发明采用气泵与柔性薄膜相结合的方式，按日间和夜间运行模式可便捷地改变光伏电池组件与环境之间的传热热阻，在不显著影响日间太阳能集热效率的条件下有效加强夜间被动式冷却。
与现有技术相比，本发明技术手段简便易行，增强了基于光伏光热一体化集热器的冷热电联产系统在日间太阳能集热与夜间被动式冷却的协同性，从而显著提升系统全运行时间的能源利用效率。
附图说明
图1为本发明太阳能集热与被动式冷却协同的冷热电联产系统结构示意图。
图2为本发明的光伏光热一体化集热器结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
如图1所示，太阳能集热与被动式冷却协同的冷热电联产系统，包括：光伏光热一体化集热器1、气泵2、储气罐3、吸收式制冷机4、蓄冷水箱5、蒸气压缩式制冷机6；
如图2所示，光伏光热一体化集热器1，包括：柔性薄膜101、光伏电池组件102、集热板103、保温材料104、流体通道105、外壳106、气管107；
柔性薄膜101包覆于光伏电池组件102上，光伏电池组件102贴附于集热板103前侧，流体通道105焊接于集热板103背侧，保温材料104置于集热板103背侧，并将流体通道105包覆在其内；
柔性薄膜101和光伏电池组件102所包围的封闭空间由气管107连接气泵2，气泵2由管路连接储气罐3；
光伏光热一体化集热器1出水口由管路通过第一阀门14连接供热终端8进水口；供热终端8出水口由管路通过第一水泵10连接光伏光热一体化集热器1进水口；
光伏光热一体化集热器1出水口由管路通过第二阀门15连接蓄冷水箱5的进水口506；蓄冷水箱5的出水口505由管路通过第三阀门16连接在第一水泵10的上游管段上；
光伏光热一体化集热器1出水口由管路通过第四阀门17连接吸收式制冷机4的热水端进水口；吸收式制冷机4的热水端出水口由管路连接在第一水泵10的上游管段上；
吸收式制冷机4的冷冻水端出水口由管路连接蓄冷水箱5的进水口501；蓄冷水箱5的出水口502由管路经第二水泵11连接吸收式制冷机4的冷冻水端进水口；
蓄冷水箱5的出水口503由管路经第三水泵12连接蒸气压缩式制冷机6的冷却水端进水口；蒸气压缩式制冷机6的冷却水端出水口由管路连接蓄冷水箱5的进水口504；
蒸气压缩式制冷机6的冷冻水端出水口由管路经第四水泵13连接供冷终端7进水口；供冷终端7出水口由管路连接蒸气压缩式制冷机6冷冻水端进水口；
光伏光热一体化集热器1与供电终端9电连接。
柔性薄膜101的材料为聚四氟乙烯(PTFE)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、氟化乙烯丙稀共聚物(FEP)或过氟烷基化物(PFA)。
光伏光热一体化集热器1上设有第一温度传感器18、第二温度传感器19和太阳辐照度传感器20；蓄冷水箱5上设有第三温度传感器21。
太阳能集热与被动式冷却协同的冷热电联产系统还包括第一控制器22和第二控制器23；
第一控制器22分别信号连接气泵2和太阳辐照度传感器20；
第二控制器23分别信号连接第一温度传感器18、第二温度传感器19、第三温度传感器21和第一水泵10。
第一温度传感器18安装在光伏光热一体化集热器1的进水口处，第二温度传感器19安装在光伏光热一体化集热器1的出水口处，第三温度传感器21安装在蓄冷水箱5的顶部。
吸收式制冷机4为溴化锂吸收式制冷机。
流体通道105为圆形剖面通道、椭圆剖面通道或矩形剖面通道。
太阳能集热与被动式冷却协同的冷热电联产系统，其运行方法包括如下步骤：
一.太阳能光伏光热利用步骤
在日间，光伏光热一体化集热器1将太阳能吸收并转化成电能，输送到供电终端9；
在日间，第二阀门15和第三阀门16保持关闭，第一阀门14和第四阀门17保持开启；
当太阳辐照度检测值高于设定值50W/m2～100W/m2，则开启气泵2，向光伏光热一体化集热器1的柔性薄膜101和光伏电池组件102所包围的封闭空间充注一定质量且压强高于大气压的气体，以增大光伏电池组件102与环境之间传热热阻、降低从光伏电池组件102到环境的热损失；
当光伏光热一体化集热器1出水口温度检测值高于55℃～60℃，则启动第一水泵10，随后水流进入光伏光热一体化集热器1，获得热量后被输送至供热终端8和吸收式制冷机4的热水端；当光伏光热一体化集热器1出水口温度检测值低于进水口温度检测值，则关闭第一水泵10；
在第二水泵11驱动下，水流进入吸收式制冷机4的冷冻水端，获得冷量后被输送至蓄冷水箱5。
二.夜间被动式冷却步骤
在夜间，第二阀门15和第三阀门16保持开启，第一阀门14和第四阀门17保持关闭；
在夜间，蓄冷水箱5的温度通常超过30℃，且夜间环境温度多处于20～30℃。当太阳辐照度检测值低于设定值10～50W/m2，则开启气泵2，抽除柔性薄膜101和光伏电池组件102之间的气体，柔性薄膜101和光伏电池组件102紧密贴合且两者之间不再具有明显的充气空间，以减小光伏电池组件102与环境之间的传热热阻，利用光伏电池组件102分别与天空的辐射换热及与环境的传热，加强对其自身的冷却；
当光伏光热一体化集热器1出水口温度检测值比蓄冷水箱5顶部水温检测值低1～5℃，则启动第一水泵10，随后水流进入光伏光热一体化集热器1，被天空与环境冷却而降温的水输送至蓄冷水箱5；当光伏光热一体化集热器1出水口温度检测值高于进水口温度检测值，则关闭第一水泵10；
三.供冷步骤
在第三水泵12驱动下，蓄冷水箱5的冷量传递至蒸气压缩式制冷机6的冷凝器或过冷器，降低蒸气压缩式制冷机6的制冷剂冷凝温度或提高制冷剂的过冷度，从而蒸气压缩式制冷机6的制冷输出增加；
在第四水泵13驱动下，蒸气压缩式制冷机6的制冷量传递至供冷终端7。
太阳辐照度传感器20将实时太阳辐照度信号传递给第一控制器22，第一控制器22根据其预设太阳辐照度与实时太阳辐照度进行对比，当实时太阳辐照度达到预设太阳辐照度时，第一控制器22作出启动气泵2充气或抽气的动作；
第一温度传感器18、第二温度传感器19和第三温度传感器21将实时温度信号传递给第二控制器23，第二控制器23根据其预设温度与实时温度进行对比，当实时温度达到预设温度时，第二控制器23作出开启或关闭第一水泵10的动作。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.太阳能集热与被动式冷却协同的冷热电联产系统，包括光伏光热一体化集热器(1)及其运行系统；其特征在于，光伏光热一体化集热器(1)包括：柔性薄膜(101)、光伏电池组件(102)、集热板(103)、流体通道(105)；
柔性薄膜(101)包覆于光伏电池组件(102)上，光伏电池组件(102)贴附于集热板(103)前侧，流体通道(105)焊接于集热板(103)背侧；
柔性薄膜(101)和光伏电池组件(102)所包围的封闭空间连接有气管(107)。
2.根据权利要求1所述太阳能集热与被动式冷却协同的冷热电联产系统，其特征在于，所述光伏光热一体化集热器(1)还包括一外壳(106)；外壳(106)具有一开口，柔性薄膜(101)通过该开口将光伏电池组件(102)上表面包覆在其内。
3.根据权利要求2所述太阳能集热与被动式冷却协同的冷热电联产系统，其特征在于，所述集热板(103)背侧还设置有保温材料(104)。
4.根据权利要求2所述太阳能集热与被动式冷却协同的冷热电联产系统，其特征在于，所述运行系统包括
气泵(2)、储气罐(3)、吸收式制冷机(4)、蓄冷水箱(5)、蒸气压缩式制冷机(6)；
柔性薄膜(101)和光伏电池组件(102)所包围的封闭空间，由气管(107)连接气泵(2)，气泵(2)由管路连接储气罐(3)；
光伏光热一体化集热器(1)出水口由管路通过第一阀门(14)连接供热终端(8)进水口；供热终端(8)出水口由管路通过第一水泵(10)连接光伏光热一体化集热器(1)进水口；
光伏光热一体化集热器(1)出水口由管路通过第二阀门(15)连接蓄冷水箱(5)的进水口(506)；蓄冷水箱(5)的出水口(505)由管路通过第三阀门(16)连接在第一水泵(10)的上游管段上；
光伏光热一体化集热器(1)出水口由管路通过第四阀门(17)连接吸收式制冷机(4)的热水端进水口；吸收式制冷机(4)的热水端出水口由管路连接在第一水泵(10)的上游管段上；
吸收式制冷机(4)的冷冻水端出水口由管路连接蓄冷水箱(5)的进水口(501)；蓄冷水箱(5)的出水口(502)由管路经第二水泵(11)连接吸收式制冷机(4)的冷冻水端进水口；
蓄冷水箱(5)的出水口(503)由管路经第三水泵(12)连接蒸气压缩式制冷机(6)的冷却水端进水口；蒸气压缩式制冷机(6)的冷却水端出水口由管路连接蓄冷水箱(5)的进水口(504)；
蒸气压缩式制冷机(6)的冷冻水端出水口由管路经第四水泵(13)连接供冷终端(7)进水口；供冷终端(7)出水口由管路连接蒸气压缩式制冷机(6)冷冻水端进水口；
光伏光热一体化集热器(1)与供电终端(9)电连接。
5.根据权利要求2所述太阳能集热与被动式冷却协同的冷热电联产系统，其特征在于：柔性薄膜(101)的材料为聚四氟乙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物、氟化乙烯丙稀共聚物或过氟烷基化物。
6.根据权利要求5所述太阳能集热与被动式冷却协同的冷热电联产系统，其特征在于：光伏光热一体化集热器(1)上设有第一温度传感器(18)、第二温度传感器(19)和太阳辐照度传感器(20)；蓄冷水箱(5)上设有第三温度传感器(21)。
7.根据权利要求6所述太阳能集热与被动式冷却协同的冷热电联产系统，其特征在于：
太阳能集热与被动式冷却协同的冷热电联产系统还包括第一控制器(22)和第二控制器(23)；
第一控制器(22)分别信号连接气泵(2)和太阳辐照度传感器(20)；
第二控制器(23)分别信号连接第一温度传感器(18)、第二温度传感器(19)、第三温度传感器(21)和第一水泵(10)。
8.根据权利要求7所述太阳能集热与被动式冷却协同的冷热电联产系统，其特征在于：第一温度传感器(18)安装在光伏光热一体化集热器(1)的进水口处，第二温度传感器(19)安装在光伏光热一体化集热器(1)的出水口处，第三温度传感器(21)安装在蓄冷水箱(5)的顶部；
吸收式制冷机(4)为溴化锂吸收式制冷机；
流体通道(105)为圆形剖面通道、椭圆剖面通道或矩形剖面通道。
9.根据权利要求1-8中任一项所述太阳能集热与被动式冷却协同的冷热电联产系统的运行方法，其特征在于包括如下步骤：
太阳能光伏光热利用步骤
在日间，光伏光热一体化集热器(1)将太阳能吸收并转化成电能，输送到供电终端(9)；
第二阀门(15)和第三阀门(16)保持关闭，第一阀门(14)和第四阀门(17)保持开启；
当太阳辐照度检测值高于设定值50W/m2～150W/m2，则开启气泵(2)，向光伏光热一体化集热器(1)的柔性薄膜(101)和光伏电池组件(102)所包围的封闭空间充注压强高于大气压的气体，以增大光伏电池组件(102)与环境之间传热热阻、降低从光伏电池组件(102)到环境的热损失；
当光伏光热一体化集热器(1)出水口温度检测值高于55℃～65℃，则启动第一水泵(10)，随后水流进入光伏光热一体化集热器(1)，获得热量后被输送至供热终端(8)和吸收式制冷机(4)的热水端；当光伏光热一体化集热器(1)出水口温度检测值低于进水口温度检测值，则关闭第一水泵(10)；
在第二水泵(11)驱动下，水流进入吸收式制冷机(4)的冷冻水端，获得冷量后被输送至蓄冷水箱(5)；
夜间被动式冷却步骤
在夜间，第二阀门(15)和第三阀门(16)保持开启，第一阀门(14)和第四阀门(17)保持关闭；
蓄冷水箱(5)的温度通常超过30℃，且夜间环境温度多处于20～30℃；当太阳辐照度检测值低于设定值10W/m2～50W/m2，则开启气泵(2)，排除柔性薄膜(101)和光伏电池组件(102)之间的气体，柔性薄膜(101)和光伏电池组件(102)紧密贴合且两者之间不再具有明显的充气空间，以减小光伏电池组件(102)与环境之间的传热热阻，利用光伏电池组件(102)分别与天空的辐射换热及与环境的传热，加强对其自身的冷却；
当光伏光热一体化集热器(1)出水口温度检测值比蓄冷水箱(5)顶部水温检测值低1℃～5℃，则启动第一水泵(10)，随后水流进入光伏光热一体化集热器(1)，经天空和环境冷却而降温的水被输送至蓄冷水箱(5)；当光伏光热一体化集热器(1)出水口温度检测值高于进水口温度检测值，则关闭第一水泵(10)；
供冷步骤
在第三水泵(12)驱动下，蓄冷水箱(5)的冷量传递至蒸气压缩式制冷机(6)的冷凝器或过冷器，降低蒸气压缩式制冷机(6)的制冷剂冷凝温度或提高制冷剂的过冷度，从而蒸气压缩式制冷机(6)的制冷输出增加；
在第四水泵(13)驱动下，蒸气压缩式制冷机(6)的制冷量传递至供冷终端(7)。
10.根据权利要求9所述太阳能集热与被动式冷却协同的冷热电联产系统的运行方法，其特征在于：
太阳辐照度传感器(20)将实时太阳辐照度信号传递给第一控制器(22)，第一控制器(22)根据其预设太阳辐照度与实时太阳辐照度进行对比，当实时太阳辐照度达到预设太阳辐照度时，第一控制器(22)作出启动气泵(2)充气或抽气的动作；
第一温度传感器(18)、第二温度传感器(19)和第三温度传感器(21)将实时温度信号传递给第二控制器(23)，第二控制器(23)根据其预设温度与实时温度进行对比，当实时温度达到预设温度时，第二控制器(23)作出开启或关闭第一水泵(10)的动作。
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