CN114337477A - 一种智能热电光伏一体化热管理系统 - Google Patents

一种智能热电光伏一体化热管理系统 Download PDF

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CN114337477A CN202210010963.4A CN202210010963A CN114337477A CN 114337477 A CN114337477 A CN 114337477A CN 202210010963 A CN202210010963 A CN 202210010963A CN 114337477 A CN114337477 A CN 114337477A
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吴春瑜
李阳
杨帅飞
高科
赵嘉伟
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Abstract

本发明公开了一种智能热电光伏一体化热管理系统，所述的热管理系统包括：由上而下依次设置的采光玻璃、太阳能电池板、相变蓄热元件、温差转换层、辐射制冷层，以及光强计、温度传感器、储能模块和智能控制电路。本发明提供的热管理系统，通过结合光伏发电、相变储热、温差热电转换及辐射制冷，不仅提高了发电效率，还实现了太阳能发电模块的全天候电能输出；另外，进一步通过传感器检测和智能热管理模块，使太阳能电池板工作在最佳工作温度范围内，一方面，延长了电池板的工作年限，降低了系统的维护成本，另一方面，切实解决了极端天气造成太阳能系统发电效率低的难题，拓展了地面太阳能系统的应用区域。

Description

一种智能热电光伏一体化热管理系统
技术领域
本发明涉及光伏发电、温差热电转换及智能热管理的综合应用领域，特别涉及一种智能热电光伏一体化热管理系统。
背景技术
地球上几乎所有能源都直接或间接来自太阳能，太阳能是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，其具有资源充足、分布范围广、安全、可靠性高等优点。目前利用太阳能发电的方式主要为太阳能光发电和太阳能热发电，其中太阳能光发电是指直接将光能转变为电能的发电方式，包括光伏发电、光化学发电和光感应发电等；太阳能热发电是通过装置将太阳辐射能转换为热能，再将热能转化为电能的发电方式，包括温差发电、碱金属热电转换和聚光式太阳能热力发电等。
然而，目前太阳能的利用还不是很普及，主要制约于太阳能的分布因地而异，因时而变，受昼夜、天气、季节等影响，使得太阳能在整个综合能源体系中受到一定的限制。具体来说：当白天光源充足时，太阳能电池板能够实现发电，但无法在夜间发电。虽然现在也有全天候运行的太阳能电池板的研究，但夜间产能仍远达不到需求；冬季下雪时，采光板上的积雪层阻止光线进入光伏系统，阳光在被转换成电能之前被反射，几乎完全停止了光伏系统的发电，虽然在夏季时，光伏系统的产能大大增加，但炎热的天气又会导致太阳能电池板升温，降低发电效率的同时缩短了电池组件的寿命。
综上，本领域亟需开发一种新型的太阳能发电系统，以解决现有技术中太阳能发电系统因受昼夜、季节气候等影响造成发电效率低、不连续以及系统寿命缩短的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种智能热电光伏一体化热管理系统，可以解决现有技术中太阳能发电系统因受昼夜、季节气候等影响造成发电效率低、不连续以及系统使用年限短的问题。
基于上述，本发明提供了一种智能热电光伏一体化热管理系统，所述的热管理系统包括：
发电模块，所述的发电模块包括由上而下依次设置的采光玻璃、太阳能电池板、相变蓄热元件、温差转换层、辐射制冷层；
光强计，其安装在所述相变蓄热元件的上方；
温度传感器，其安装在所述相变蓄热元件上方和内部；以及，
储能模块和智能控制电路；
其中，所述的温差转换层由若干个第一温差转换器件组成；
所述的智能控制电路通过导线与光强计、温度传感器和储能模块连接；所述的储能模块还通过导线与所述的第一温差转换器件和太阳能电池板连接。
优选地，在所述太阳能电池板和相变蓄热元件之间，以及相变蓄热元件和第一温差转换器件之间还设有导热介质；所述的导热介质为导热硅脂或导热硅胶。
优选地，所述的若干个第一温差转换器件均匀分布，且第一温差转换器件之间填充绝热材料。
进一步地，所述的绝热材料为气凝胶、高氧硅玻璃纤维、岩棉中的一种或多种的组合。
优选地，所述的热管理系统还包括第二温差转换器件，其安装在所述相变蓄热元件的上方，且通过导线与所述的储能模块连接。
优选地，所述的储能模块为超级电容器、锂电池组和电网中的一种或多种的组合。
优选地，所述的采光玻璃由低反射高透光率材质制成。
优选地，所述相变蓄热元件的相变温度为50℃～80℃。
优选地，所述的太阳能电池板为硅太阳能电池、钙钛矿太阳能电池和砷化镓太阳能电池中的任意一种或多种的组合。
优选地，所述的第一温差转换器件和第二温差转换器件的材质为碲化铋及其合金。
相对于现有技术，本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的一种智能热电光伏一体化热管理系统，其中的发电模块结合了光伏发电、相变储热、温差热电转换及辐射制冷，不仅大大提高了发电效率，还实现了太阳能发电模块的全天候电能输出，解决了夜间太阳能发电模块失效的问题。
(2)本发明还进一步通过传感器检测和智能热管理模块，使太阳能电池板工作在最佳工作温度范围内，一方面，延长了电池板的工作年限，降低了系统的维护成本，另一方面，切实解决了极端天气造成太阳能系统发电效率低的难题，拓展了地面太阳能系统的应用区域。
(3)本发明具有结构紧凑，占地空间小等优点，可应用于地面太阳能发电系统，增加太阳能发电系统的发电时间和使用寿命，具有很好的经济效益和社会效益。
附图说明
图1为本发明一实施例热管理系统的截面结构示意图；
图2为本发明实施例1的热管理系统的使用状态示意图。
图3为本发明实施例2的热管理系统的使用状态示意图。
图4为本发明实施例3的热管理系统的使用状态示意图。
附图标识：
采光玻璃1；太阳能电池板2；光强计3；温度传感器4；相变蓄热元件5；导热介质6；绝热材料7；导线8；第一温差转换器件9；辐射制冷层10；储能系统11；智能控制电路12，第二温差转换器件13。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“若干”含义是至少两个，三个等。
术语“安装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上方”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“上方”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方。
本文所述的“由上而下”是指自采光玻璃板采光面向采光玻璃板背光面的方向。
实施例1
如图1所示，本发明提供一种智能热电光伏一体化热管理系统，该系统包括：
发电模块，所述发电模块包括由上而下依次设置的采光玻璃1、太阳能电池板2、相变蓄热元件5、温差转换层、辐射制冷层10；
光强计3，其安装在相变蓄热元件5的上方，与太阳能电池板2处于同一水平面；
温度传感器4，其安装在相变蓄热元件5的上方和内部；
以及储能模块11和智能控制电路12；
其中，所述的温差转换层由若干个第一温差转换器件9组成；所述的智能控制电路12通过导线8与光强计3、温度传感器4和储能模块11连接；所述的储能模块11还通过导线8与所述的第一温差转换器件9和太阳能电池板2连接。
一些实施例中，本发明系统还包括一个或若干个第二温差转换器件，其安装在所述相变蓄热元件的上方，且通过导线与所述的储能模块连接。
上述系统中各器件或组成的功能如下：
所述的相变蓄热元件5用于吸收、储存所述太阳能电池板2的热量，并用于释放所储存的热量；
所述的温差转换层则用于在夜间将相变蓄热元件5储存的热能转化为电能，从而实现全天候发电；
所述的辐射制冷层10用于在夜间将第一温差转换器件9冷端的热量对外辐射进行制冷，维持温差转换器件9两端的温差，增加温差转换器件9的输出功率，确保本发明系统在夜间可正常发电；
所述的光强计3和温度传感器4用于分别检测太阳能电池板2接受的光照强度，以及太阳能电池板2和相变蓄热元件5的温度；
所述的智能控制电路12中设有制冷/制热转换开关(图中未标注)，该开关用于根据温度传感器4和光强计3的实时监测情况，改变第一、第二温差转换器件的两端与储能模块11正负极之间的连接方式，控制温差转换器件中流过的电流，以实现对太阳能电池板2进行加热或冷却的控制；
所述的储能模块11用于储存太阳能电池板2和第一温差转换器件9发出的电能，还用于根据智能控制电路12的指令给第一温差转换器件9和第二温差转换器件13施加电流。
一些实施例中，本发明在所述太阳能电池板2和相变蓄热元件5之间，以及相变蓄热元件5和第一温差转换器件9之间还设有导热介质6，用于提高热传导效率；优选地，所述的导热介质6为导热硅脂或导热硅胶。
一些实施例中，所述的若干个第一温差转换器件9均匀分布，且第一温差转换器件9之间填充绝热材料7，用于维持第一温差转换器件9热端与冷端的温度梯度，最终达到温差发电的功能。
进一步地，所述的绝热材料7为气凝胶、高氧硅玻璃纤维、岩棉中的一种或多种的组合。
一些实施例中，所述的储能模块11为超级电容器、锂电池组和电网中的一种或多种的组合。
一些实施例中，所述的采光玻璃1由低反射高透光率的材质制成。
一些实施例中，所述相变蓄热元件5的相变温度为50℃～80℃。
一些实施例中，所述的太阳能电池板2为硅太阳能电池、钙钛矿太阳能电池和砷化镓太阳能电池中的一种或多种的组合。
一些实施例中，所述的第一温差转换器件9和第二温差转换器件13的材质为碲化铋及其合金。
参见附图2，本发明中发电模块的工作原理为：白天，太阳能电池板2通过采光玻璃1接收太阳辐射并将其转换为电能供于储能模块11；同时，发电过程中产生的热量用于加热相变蓄热元件5和温差转换层中第一温差转换器件9的热端，第一温差转换器件9的冷端通过辐射制冷层10的辐射制冷作用而降低温度，由此，第一温差转换器件9的两端形成温差产生电能供于储能模块11；夜间，相变蓄热元件5存储的热能通过转化释放加热第一温差转换器件9的热端，辐射制冷层10同时降低冷端温度，使得本发明在夜间也能持续放电。
结合附图和实施例，本发明提供的智能热电光伏一体化热管理系统在不同气候条件下的使用方法如下：
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图中导线8仅表示不同器件之间的电性连接，导线8上的箭头仅表示不同器件之间的电流流向关系，其实际实施时导线数量、连接方式和部位等可为需求改变。
术语“正常范围”表示发电模块正常工作的温度范围和光照强度范围，此范围因器件所用材质不同、系统应用地区不同等的影响而不同，其实际实施时，可根据实际需求设定不同的数值范围。
实施例1
如图2所示，天气晴朗时，光强计3和温度传感器4的检测数值在正常范围内，智能控制电路12判断发电模块处于正常状态，无需对发电模块进行操作。
实施例2
如图3所示，高温炎热天气时，光照强度充分，光强计3的检测数值在正常范围内，而温度传感器4的检测数值高于正常范围，因此，智能控制电路12判断发电模块处于过温状态。
于是通过现场操作或物联网远程遥控储能系统11为第一温差转换器件9和第二温差转换器件13施加电流，电流方向为从P型电偶的冷端传到P型电偶的热端，再从N型电偶的热端传到N型电偶的冷端，实现主动制冷，降低发电模块工作温度，直至温度传感器4的参数处于正常范围，使太阳能电池板2工作在最佳工作温度范围内，最终达到延长发电模块工作年限、提高发电效率的目的。
实施例3
如图4所示，低温冰雪天气时，采光玻璃上的积雪阻止光线进入发电模块，光强计3和温度传感器4的检测数值均明显低于正常范围，因此，智能控制电路12判断发电模块处于被冰雪覆盖或表面结霜的状态。
于是通过现场操作或物联网远程遥控储能系统11为第一温差转换器件9和第二温差转换器件13施加电流，电流方向为从N型电偶的冷端传到N型电偶的热端，再从P型电偶的热端传到P型电偶的冷端，实现主动制热，帮助提高发电模块温度，直至光强计3和温度传感器4的参数处于正常范围，以达到除霜融雪的目的，最终提高太阳能利用率和发电效率。
综上所述，本发明提供的一种智能热电光伏一体化热管理系统，通过结合光伏发电、相变储热、温差热电转换及辐射制冷，不仅提高了发电效率，还实现了太阳能发电模块的全天候电能输出；另外，进一步通过传感器检测和智能热管理模块，使太阳能电池板工作在最佳工作温度范围内，一方面，延长了电池板的工作年限，降低了系统的维护成本，另一方面，切实解决了极端天气造成太阳能系统发电效率低的难题，拓展了地面太阳能系统的应用区域。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种智能热电光伏一体化热管理系统，其特征在于，所述的热管理系统包括：
发电模块，所述的发电模块包括由上而下依次设置的采光玻璃、太阳能电池板、相变蓄热元件、温差转换层、辐射制冷层；
光强计，其安装在所述相变蓄热元件的上方；
温度传感器，其安装在所述相变蓄热元件的上方和内部；以及，储能模块和智能控制电路；
其中，所述的温差转换层由若干个第一温差转换器件组成；
所述的智能控制电路通过导线与所述的光强计、温度传感器和储能模块连接；所述的储能模块还通过导线与所述的第一温差转换器件和太阳能电池板连接。
2.如权利要求1所述的智能热电光伏一体化热管理系统，其特征在于，在所述太阳能电池板和相变蓄热元件之间，以及相变蓄热元件和第一温差转换器件之间还设有导热介质；所述的导热介质为导热硅脂或导热硅胶。
3.如权利要求1所述的智能热电光伏一体化热管理系统，其特征在于，所述的若干个第一温差转换器件均匀分布，且第一温差转换器件之间填充绝热材料。
4.如权利要求3所述的智能热电光伏一体化热管理系统，其特征在于，所述的绝热材料为气凝胶、高氧硅玻璃纤维、岩棉中的任意一种或多种的组合。
5.如权利要求1所述的智能热电光伏一体化热管理系统，其特征在于，所述的热管理系统还包括第二温差转换器件，其安装在所述相变蓄热元件的上方，且通过导线与所述的储能模块连接。
6.如权利要求1所述的智能热电光伏一体化热管理系统，其特征在于，所述的储能模块为超级电容器、锂电池组和电网中的一种或多种的组合。
7.如权利要求1所述的智能热电光伏一体化热管理系统，其特征在于，所述的采光玻璃由低反射高透光率材质制成。
8.如权利要求1所述的智能热电光伏一体化热管理系统，其特征在于，所述相变蓄热元件的相变温度为50℃～80℃。
9.如权利要求1所述的智能热电光伏一体化热管理系统，其特征在于，所述的太阳能电池板为硅太阳能电池、钙钛矿太阳能电池和砷化镓太阳能电池中的一种或多种的组合。
10.如权利要求5所述的智能热电光伏一体化热管理系统，其特征在于，所述的第一温差转换器件和第二温差转换器件的材质为碲化铋及其合金。
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