CN114499405B - 一种光伏光热一体化组件及供生活热水系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于太阳能的技术领域，具体地说，涉及到光伏光热一体化组件及供生活热水系统。一种光伏光热一体化组件，其包括：光伏电池组件、集热板、流道区和出流区。冷却流体通过流道区入口进入，经过主干管分流进入各个支管，该过程流道内流体与集热板进行换热，通过流道区出口流出后，受到重力作用进入出流区，在出流区中汇合一并从出口管道流出。本发明通过将新型结构流道安装于集热板下表面对光伏电池组件进行散热，降低光伏电池组件温度，提高组件的电效率，同时被加热的流体可以用于供生活热水系统，进一步提高太阳能的利用率。本发明具有以下特点：所述新型流道结构新颖，相比现有蛇形、螺旋形等流道，本发明使光伏电池温度分布更为均匀，流道出口压降较小，所需泵功较小，可以提高组件综合效率；所述新型光伏光热一体化组件可应用于供生活热水系统，结合控制策略对系统运行进行调控，实现能源的梯级利用，提高整个系统的能源利用率。

Description

一种光伏光热一体化组件及供生活热水系统

技术领域

本发明属于太阳能的技术领域，具体地说，涉及一种光伏光热一体化组件及供生活热水系统。

背景技术

随着人们对煤、石油等不可再生能源的过度开发和利用，已经对环境造成了严重的影响。我国承诺2030年实现“碳达峰，”2060年实现“碳中和，”故太阳能、氢能、风能、生物质能等一系列清洁能源成为研究热点。太阳能因其取之不竭、无污染等特点，各国都在大力发展太阳能技术。我国光伏发电装机容量持续增长，2020年累积光伏发电装机容量达到253GW，位居全球第一。

然而，太阳能光伏电池效率不高一直是困扰太阳能大力发展的原因之一，目前市面上光伏组件在实际工作中的光电转换效率约为10％，其余的大部分太阳能转化成热能的形式，其中有一部分太阳能通过热辐射对光伏电池进行加热，使得光伏组件自身温度升高。光伏组件温度升高导致组件的发电效率进一步下降，且长期处于高温状态会导致组件加速老化，减少使用寿命。此外，现有光伏光热组件大多数基于空冷或水冷的强制换热装置，需要使用风机或水泵，而长时间持续运行风机或水泵等动力装置使得组件综合效率更加降低。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种新型光伏光热一体化组件及供生活热水系统，通过应用新型流道结构来降低光伏组件温度，提高光伏组件温度均匀性以及光伏组件发电效率，同时结合控制策略对供生活热水系统运行进行调控，减小泵功，提高能源的综合利用率。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种光伏光热一体化组件，包括光伏组件、集热板、流道区和出流区；所述光伏组件包括玻璃盖板、第一EVA层、光伏电池阵列和第二EVA层；所述集热板上表面设置光伏组件，所述集热板上表面与所述光伏组件下表面之间通过第二EVA层粘合连接；所述流道区上表面设置集热板，所述集热板下表面与所述流道区上表面之间通过导热硅胶层连接，所述流道区包括一主干管和若干支管，一所述主干管与若干所述支管的一端互相垂直，呈“干”字型，所述主干管的两侧分别与若干所述支管互相导通，所述主干管的一端为流道区入口，若干所述支管的另一端为流道区出口，即所述流道区有一个入口和若干个出口；所述出流区包括背板、保温承台、边框和出口管道，所述背板上表面设置保温承台，所述保温承台外周设置一边框，所述背板上表面与所述集热板下表面之间的距离和所述边框高度相同，所述边框包括第一边框、第二边框、第三边框和第四边框，所述第二边框的两端分别与所述第一边框和所述第三边框连接，所述第四边框的两端分别与所述第一边框和所述第三边框连接，所述第一边框的内壁与保温承台的一端相抵，所述第二边框、第三边框和第四边框与所述保温承台之间形成一10-15mm空隙，所述第三边框外侧设置所述出口管道，所述出口管道与所述空隙相互导通，所述边框的高度与所述保温承台和所述流道区的高度之和相同，所述出流区位于所述流道区下方。

优选地，所述支管的行数应与光伏组件阵列的行数相同，确保每根支管都能覆盖到光伏组件单元。

优选地，所述支管截面积沿垂直于主干管方向逐渐减小，坡度为1％-2％。

优选地，所述支管之间存在间隙，所述间隙可填充高导热固体块，如膨胀石墨、导热硅胶等。

优选地，所述流道区出口与所述保温承台的两端保持平齐。

优选地，所述光伏组件、所述集热板、所述流道区和所述出流区通过外边框包裹并用紧固螺栓固定。

一种供生活热水系统，其特征在于，包括所述光伏光热一体化组件、保温水箱、蓄水箱、循环泵、辅助热源和控制模块；

所述保温水箱的顶部与城市给水管网连接，所述保温水箱的底部与用户端连接，所述保温水箱的一侧与所述辅助热源通过管道连接，所述保温水箱内部设置换热盘管；所述光伏光热一体化组件的出口管道与所述换热盘管的入口通过管道连接，所述换热盘管的出口与所述蓄水箱的入口通过管道连接，所述蓄水箱的出口与所述循环泵通过管道连接，所述循环泵与所述光伏光热一体化组件的流道区入口通过管道连接，使得冷却流体在本系统中构成循环；

所述控制模块包括控制器、电动阀、若干温度测点以及若干液位传感器；所述保温水箱与城市给水管网之间设置所述电动阀，所述光伏光热一体化组件中光伏组件表面设置第一温度测点，所述流道区入口处设置第二温度测点，所述出口管道处设置第三温度测点，所述保温水箱与用户端之间设置第四温度测点；所述保温水箱中1/3液位处设置第一液位传感器，所述保温水箱中满液位处设置第二液位传感器；所述辅助热源、所述电动阀、所述第一温度测点、所述第二温度测点、所述第三温度测点、所述第四温度测点、所述第一液位传感器和所述第二液位传感器与所述控制器电路连接。

优选地，管道外部包裹保温层，所述换热盘管与管道通过橡胶密封连接。

优选地，所述控制器通过所述第一温度测点获得光伏组件温度t1，所述控制器通过所述第二温度测点获得冷却流体的入口温度t2，所述控制器通过所述第三温度测点获得冷却流体的出口温度，所述控制器通过所述第四温度测点获得所述保温水箱的出口水温t4，所述控制器通过所述第一液位传感器获得第一电信号e1，所述控制器通过所述第二液位传感器获得第二电信号e2；

若t1≥50℃，启动所述循环泵；

若|t3-t2|≤5℃，关闭所述循环泵；

若t4≤45℃，开启所述辅助热源；

若t4≥50℃，关闭所述辅助热源；

若e1＝0，开启所述电动阀；

若e2＝1，关闭所述电动阀。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本光伏光热一体化组件所述流道区的主干管与支管能覆盖每个光伏电池单元，且支管间隙填充高导热固体块，可以进一步降低光伏电池的温度，提高电池效率；同时提高出口水温，强化组件热效率。

本光伏光热一体化组件所述流道区有多个支管出口，所以整体出口具有压降小的特点，使得所消耗的泵功减小，提高了组件的综合效率。

本光伏光热一体化组件所述流道区的支管为变截面形状，使得所述支管内末端流速衰减缓慢，所述流道区内流体能与所述光伏组件充分换热，有效的提高组件整体温度均匀性。

本供生活热水系统以太阳能为驱动力，结合控制模块对系统运行进行调控，实现能源的梯级利用，提高整个系统的能源利用率。

附图说明

附图1为本发明光伏光热一体化组件结构示意图。

附图2为本发明流道结构俯视图。

附图3为本发明流道工作原理图。

附图4为本发明供生活热水系统原理图。

图中：1为光伏光热一体化组件；111为玻璃盖板；112为第一EVA层；113为光伏电池阵列；114为第二EVA层；12为集热板；121为导热硅胶层；131为流道区入口；132为主干管；133为支管；134为分流四通；135为流道区出口；136为高导热固体块；141为背板；142为保温承台；143-1为第一边框；143-2为第二边框；143-3为第三边框；143-4为第四边框；144为出口管道；145为空隙；146为防水层；147为防水胶；15为外边框；16为紧固螺栓；2为保温水箱；21为换热盘管；22为自来水管；3为蓄水箱；4为循环泵；5为辅助热源；61为控制器；62为电动阀；63-1为第一温度测点；63-2为第二温度测点；63-3为第三温度测点；63-4为第四温度测点；64为液位传感器；64-1为第一液位传感器；64-2为第二液位传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-2所示，一种光伏光热一体化组件1，包括光伏组件、集热板12、流道区和出流区；所述光伏组件包括玻璃盖板111、第一EVA层112、光伏电池阵列113和第二EVA层114；所述集热板12上表面设置光伏组件，所述集热板12上表面与所述光伏组件下表面之间通过第二EVA层114粘合连接；所述流道区上表面设置集热板12，所述集热板12下表面与所述流道区上表面之间通过导热硅胶层121连接，所述流道区包括一主干管132和若干支管133，一所述主干管132与若干所述支管133的一端互相垂直，呈“干”字型，所述主干管132的两侧分别与若干所述支管133互相导通，所述主干管132的一端为流道区入口131，若干所述支管133的另一端为流道区出口135，即所述流道区有一个入口和若干个出口；所述出流区包括背板141、保温承台142、边框和出口管道144，所述背板141上表面设置保温承台142，所述保温承台142外周设置一边框，所述背板141上表面与所述集热板12下表面之间的距离和所述边框高度相同，所述边框包括第一边框143-1、第二边框143-2、第三边框143-3和第四边框143-4，所述第二边框143-2的两端分别与所述第一边框143-1和所述第三边框143-3连接，所述第四边框143-4的两端分别与所述第一边框143-1和所述第三边框143-3连接，所述第一边框143-1的内壁与保温承台142的一端相抵，所述第二边框143-2、第三边框143-3和第四边框143-4与所述保温承台142之间形成一10-15mm空隙145，所述第三边框143-3外侧设置所述出口管道144，所述出口管道144与所述空隙145相互导通，所述边框的高度与所述保温承台142和所述流道区的高度之和相同，所述出流区位于所述流道区下方。

所述流道区的材质为铜或高分子材料，所述主干管132与所述支管133之间通过分流四通134连接，连接方式为焊接；所述支管133的截面沿垂直于所述主干管132的方向逐渐缩小，坡度为1％-2％，使得所述支管133内末端流速衰减缓慢，所述流道区内流体能与所述光伏组件充分换热，有效的提高组件整体温度均匀性。

所述支管133的行数应与所述光伏电池阵列113的行数相同，本实施例中以所述支管133的行数设置为14行为例进行说明，则本实施例中所述光伏电池阵列113的行数也为14行，确保每根支管13都能覆盖到所述光伏组件阵列113，此外，相邻的支管133之间存在间隙，可填充高导热固体块136，如膨胀石墨、石蜡等，提高换热效率。

所述边框高度与所述保温承台142和所述流道区的高度之和相同，使得所述流道区出口135与所述背板141上表面之间存在高度差，防止流体倒流回所述流道区。

所述第二边框143-2、第三边框143-3和第四边框143-4与所述保温承台142之间形成一10-15mm的空隙145，所述空隙145用于汇集从所述流道区出口135流出的流体，并从所述出口管道144流出。

所述背板141上表面和所述集热板12下表面之间通过所述边框连接，起支撑作用。所述边框与所述集热板12通过焊接连接并用防水胶147粘合，所述边框与所述背板141通过焊接连接并用防水胶147粘合，避免漏水的情况发生。

所述保温承台142上表面与所述流道区下表面通过焊接连接固定，所述流道区出口135与所述保温承台142的两端保持平齐，所述保温承台142下表面与所述背板141上表面通过焊接连接固定，所述保温承台142两侧表面设置防水层146，防止所述保温承台142遇水后保温效果下降。

所述光伏组件、集热板12、流道区和出流区加装外边框15并通过紧固螺栓16进行固定封装。

如图3说明了本发明流道的工作原理，冷却流体可以且不仅限于乙二醇溶液、氯化钙溶液等，冷却流体从所述流道区入口131进入所述主干管132，经过所述分流四通134分流进入各个所述支管133，该过程所述冷却流体与所述集热板12进行换热，随后所述冷却流体通过各个所述流道区出口135流出，因所述流道区出口135与所述背板141上表面存在所述高度差，所述流体受到重力作用流入所述空隙145，并在所述空隙145中汇流，最后从所述出口管道144流出。

如图4所示，一种供生活热水系统，所述光伏光热一体化组件1、保温水箱2、蓄水箱3、循环泵4、辅助热源5和控制模块；所述保温水箱2的顶部与城市给水管网连接，所述保温水箱2的底部与用户端连接，所述保温水箱2的一端与所述辅助热源5通过管道连接，所述保温水箱2内部设置换热盘管21；所述光伏光热一体化组件1的出口管道144与所述换热盘管21的入口通过管道连接，所述换热盘管21的出口与所述蓄水箱3的入口通过管道连接，所述蓄水箱3的出口与所述循环泵4通过管道连接，所述循环泵4与所述光伏光热一体化组件1的流道区入口131通过管道连接，使得冷却流体在本系统中构成循环；所述控制模块包括控制器61、电动阀62、若干温度测点以及若干液位传感器64；所述保温水箱2与城市给水管网之间设置所述电动阀62，所述光伏光热一体化组件1中光伏组件表面设置第一温度测点63-1，所述光伏光热一体化组件1中流道区入口131设置第二温度测点63-2，所述光伏光热一体化组件1中出口管道144设置第三温度测点63-3，所述保温水箱2与用户端之间设置第四温度测点63-4；所述保温水箱2中1/3液位处设置第一液位传感器64-1，所述保温水箱2中满液位处设置第二液位传感器64-2；所述辅助热源5、所述电动阀62、所述第一温度测点63-1、所述第二温度测点63-2、所述第三温度测点63-3、所述第四温度测点63-4、所述第一液位传感器64-1和所述第二液位传感器64-2与所述控制器61电路连接。

各部件之间的连接管道外部包裹保温层，防止管内冷却流体与外界环境对流换热而影响系统整体换热效果；所述换热盘管21的材质为铜管，所述换热盘管21与管道之间通过密封橡胶连接，防止连接处漏液。

所述控制器61通过所述第一温度测点63-1获得光伏组件温度t1，所述控制器61通过所述第二温度测点63-2获得冷却流体的入口温度t2，所述控制器61通过所述第三温度63-3测点获得冷却流体的出口温度，所述控制器61通过所述第四温度测点63-4获得保温水箱的出口水温t4，所述控制器61通过所述第一液位传感器64-1获得第一电信号e1，所述控制器61通过所述第二液位传感器64-2获得第二电信号e2；

若t1≥50℃，启动所述循环泵4；

若|t3-t2|≤5℃，关闭所述循环泵4；

若t4≤45℃，开启所述辅助热源5；

若t4≥50℃，关闭所述辅助热源5；

若e1＝0，开启所述电动阀62；

若e2＝1，关闭所述电动阀62。

在供生活热水系统中，冷却流体在所述光伏光热一体化组件中流道区入口131进入后，冷却流体与所述集热板12进行换热从而温度升高，随后从所述出口管道144流出后进入所述换热盘管21，所述换热盘管21位于所述保温水箱2内部，此时冷却流体与所述保温水箱2中的自来水进行换热，使得自来水温度升高，所述保温水箱2中的自来水来自于城市给水系统，被加热的自来水通过管道连接至用户端，可供用户端作为生活热水使用，若自来水温度未达到供生活热水标准温度，则开启辅助热源5；冷却流体与自来水换热后，使得冷却流体温度下降，进入所述蓄水箱3，所述蓄水箱3中的冷却流体再经过所述循环泵4，重新进入所述光伏光热一体化组件1进行换热，从而形成一个冷却流体的循环。

本发明将通过新型流道结构安装在集热板下表面对光伏电池组件进行散热，降低光伏电池组件温度，提高组件的电效率，同时被加热的流体可以用于生活用水或供暖，进一步提高太阳能的利用率。所述新型流道结构新颖，相比现有蛇形、螺旋形等流道，本发明流道出口压力较小，所需泵功较小，光伏组件表面温度均匀性好，可以提高组件综合效率。本供生活热水系统通过太阳能为驱动力，结合控制策略对系统运行进行调控，实现能源的梯级利用，提高整个系统的能源利用率。

最后应说明的是：上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种光伏光热一体化组件，其特征在于，包括：

集热板(12)：所述集热板上表面设置光伏组件；

流道区：所述流道区上表面设置所述集热板(12)，所述流道区包括一主干管(132)和若干支管(133)；一所述主干管与若干所述支管的一端互相垂直，呈“干”字型，所述主干管的两侧分别与若干所述支管互相导通，所述主干管的一端为流道区入口(131)，若干所述支管的另一端为流道区出口(135)，即所述流道区有一个入口和若干个出口；

出流区：所述出流区位于所述流道区的下方和四周，所述出流区包括背板(141)、保温承台(142)、边框和出口管道(144)；所述背板上表面设置所述保温承台，所述保温承台外周设置所述边框，所述背板上表面与所述集热板下表面之间的距离和所述边框高度相同，所述边框包括第一边框(143-1)、第二边框(143-2)、第三边框(143-3)和第四边框(143-4)，所述第二边框的两端分别与所述第一边框和所述第三边框连接，所述第四边框的两端分别与所述第一边框和所述第三边框连接，所述第一边框的内壁与所述保温承台的一端相抵，所述第二边框、所述第三边框和所述第四边框与所述保温承台之间形成一10-15mm空隙(145)，所述第三边框外侧设置所述出口管道，所述出口管道与所述空隙相互导通，所述边框的高度与所述保温承台和所述流道区的高度之和相同；所述保温承台位于所述流道区的下方；所述流道区入口位于所述第一边框外侧。

2.根据权利要求1所述的光伏光热一体化组件，其特征在于，所述支管(133)的行数应与光伏组件阵列(113)的行数相同，确保每根支管都能覆盖到光伏组件单元。

3.根据权利要求1所述的光伏光热一体化组件，其特征在于，所述支管(133)截面积沿垂直于所述主干管(132)方向逐渐减小，坡度为1％-2％。

4.根据权利要求1所述的光伏光热一体化组件，其特征在于，所述支管(133)之间存在间隙，所述间隙可填充高导热固体块(136)，如膨胀石墨、导热硅胶等。

5.根据权利要求1所述的光伏光热一体化组件，其特征在于，所述流道区出口(135)与所述保温承台(142)的两端保持平齐。

6.根据权利要求1所述的光伏光热一体化组件，其特征在于，所述光伏组件、所述集热板(12)、所述流道区和所述出流区通过外边框(15)包裹并通过紧固螺栓(16)固定。

7.一种供生活热水系统，其特征在于，包括：权利要求1-6中任一所述光伏光热一体化组件(1)、保温水箱(2)、蓄水箱(3)、循环泵(4)、辅助热源(5)和控制模块；

所述保温水箱(2)的顶部与城市给水管网连接，所述保温水箱的底部与用户端连接，所述保温水箱的一侧与所述辅助热源(5)通过管道连接，所述保温水箱内部设置换热盘管(21)；所述光伏光热一体化组件(1)的出口管道(144)与所述换热盘管的入口通过管道连接，所述换热盘管的出口与所述蓄水箱的入口通过管道连接，所述蓄水箱的出口与所述循环泵通过管道连接，所述循环泵与所述光伏光热一体化组件的流道区入口(131)通过管道连接，使得冷却流体在本系统中构成循环；

所述控制模块包括控制器(61)、电动阀(62)、若干温度测点以及若干液位传感器(64)；所述保温水箱(2)与城市给水管网之间设置所述电动阀，所述光伏光热一体化组件(1)中光伏组件表面设置第一温度测点(63-1)，所述光伏光热一体化组件中流道区入口(131)设置第二温度测点(63-2)，所述光伏光热一体化组件中出口管道(144)设置第三温度测点(63-3)，所述保温水箱与用户端之间设置第四温度测点(63-4)；所述保温水箱中1/3液位处设置第一液位传感器(64-1)，所述保温水箱中满液位处设置第二液位传感器(64-2)；所述辅助热源、所述电动阀、所述第一温度测点、所述第二温度测点、所述第三温度测点、所述第四温度测点、所述第一液位传感器和所述第二液位传感器与所述控制器通过电路连接。

8.根据权利要求7所述的供生活热水系统，其特征在于，管道外部包裹保温层，所述换热盘管(21)与管道通过橡胶密封连接。

9.根据权利要求7所述的供生活热水系统，其特征在于，所述控制器(61)通过所述第一温度测点(63-1)获得所述光伏组件温度t1，所述控制器通过所述第二温度测点(63-2)获得冷却流体的入口温度t2，所述控制器通过所述第三温度测点(63-3)获得冷却流体的出口温度，所述控制器通过所述第四温度测点(63-4)获得所述保温水箱(2)的出口水温t4，所述控制器通过所述第一液位传感器(64-1)获得第一电信号e1，所述控制器通过所述第二液位传感器(64-2)获得第二电信号e2；

若t1≥50℃，启动所述循环泵；

若|t3-t2|≤5℃，关闭所述循环泵；

若t4≤45℃，开启所述辅助热源；

若t4≥50℃，关闭所述辅助热源；

若e1＝0，开启所述电动阀；

若e2＝1，关闭所述电动阀。