CN115603658A - 一种高效利用光能的光电热一体化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种高效利用光能的光电热一体化装置，包括安装位置相对的槽式聚光板和热管理光伏板；槽式聚光板内设有蛇型换热管，蛇型换热管与槽式聚光板内壁之间的空隙内填充有绝热材料；述热管理光伏板包括光伏电池、半导体制冷板和冷却介质换热层；光伏电池的一侧对着槽式聚光板的聚光面，半导体制冷板的制冷面紧贴光伏电池的另一侧，半导体制冷板的制热面设有冷却介质换热层；槽式聚光板与热管理光伏板通过冷却介质母管进行并联连接，冷却介质母管同时与热用户端连接。该装置通过热管理使光伏电池保持最佳温度运行，提高了光电转换效率，同时利用冷却介质分别回收槽式聚光板因聚光反射太阳光而吸收的热量和光伏电池过剩的热量，回收的热量被输送至热用户端进行利用，实现光能高效利用。
Description
技术领域
本发明属于清洁能源技术领域，具体涉及到一种高效利用光能的光电热一体化装置。
背景技术
随着全球气候变暖加剧，环境问题越来越受到关注。为了解决化石能源大量使用导致的环境问题，各国都在大力发展新能源。太阳能作为取之不尽用之不竭的清洁、绿色能源被广泛利用，受到材料和技术的限制，现有的光伏发电装置对太阳能的收集利用效率仍然较低，光伏电池板的光电转换效率也随自身受热辐射温度的升高而降低，因此，提高光伏电池板转换效率和提升太阳能收集利用效率是光伏发电技术的发展目标。
为了提升光伏电池板的光照强度，现有技术通过反光镜聚集太阳光光束并反射至光伏板上，反光镜虽然能够起到聚光作用，但因其自身受太阳光照射面积大，所吸收的热辐射量远大于光伏电池板吸收的热量，而反光镜吸收的热量并没有被回收利用，导致热量损失，太阳能的利用率低。虽然现有技术为光伏电池板配置了热回收装置，但其对光伏电池板的温度控制主要是通过控制低温流体的流量实现，不仅控制过程复杂，而且不能保证光伏电池板在最佳温度稳定运行，且会出现局部温度过高的现象，降低了光伏电池板的光电转换效率。
综上所述，本发明设计一种高效利用光能的光电热一体化装置，以解决能量回收和光伏电池板光电转换效率低的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种高效利用光能的光电热一体化装置。该装置利用槽式聚光板将太阳光聚集反射至热管理光伏板上进行光电转换，对清洁光能进行高效利用；利用热管理光伏电池光电转换效率的同时，对槽式聚光板和光伏电池吸收的热量进行回收利用，实现电热联供。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案如下：
一种高效利用光能的光电热一体化装置，包括槽式聚光板、槽式聚光板支架、热管理光伏板和热管理光伏板支架，槽式聚光板和热管理光伏板分别通过槽式聚光板支架和热管理光伏板支架安装，槽式聚光板和热管理光伏板两者的安装位置相对；
所述槽式聚光板内设有蛇型换热管，蛇型换热管与槽式聚光板内壁之间的空隙内填充有绝热材料；所述热管理光伏板包括光伏电池、半导体制冷板和冷却介质换热层；光伏电池的一侧对着槽式聚光板的聚光面，半导体制冷板的制冷面紧贴光伏电池的另一侧，半导体制冷板的制热面设有冷却介质换热层，冷却介质换热层的一端设有热管理光伏板冷却介质入口和出口；槽式聚光板与热管理光伏板通过冷却介质母管进行并联连接，冷却介质母管的一端分别与蛇型换热管的一端和热管理光伏板冷却介质入口连接，另一端分别与蛇型换热管的另一端和热管理光伏板冷却介质出口连接，通过冷却介质对热管理光伏板进行热管理，使光伏电池保持最佳温度运行；冷却介质母管同时与热用户端连接。
进一步的，所述冷却介质换热层包括壳体结构和固定折流板，壳体结构的一侧为开口状且与半导体制冷板的制热面密封连接，壳体结构内均匀布置有多个固定折流板，固定折流板的一端与壳体结构的侧壁之间存在间隙，使壳体结构内形成一体式的拱顶流道，冷却介质从拱顶流道中流过。
进一步的，冷却介质通过冷却介质母管入口分别通入蛇型换热管和冷却介质换热层内，分别与槽式聚光板和半导体制冷板的制热面进行换热，换热后的冷却介质从冷却介质母管的出口流出，并输送至热用户端，与热用户端进行换热。
进一步的，所述半导体制冷板上阵列有多个半导体制冷片，多个半导体制冷片以并联或串联方式连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.在槽式聚光板内部安装蛇型换热管，通过冷却介质回收槽式聚光板因聚光反射太阳光而吸收的热量，提高了太阳能利用率；使用半导体制冷板对光伏电池进行降温，可以通过热管理控制光伏电池的温度，确保光伏电池在发电运行过程中维持在最佳温度，提升光电转换效率，同时光伏电池过剩的热量通过半导体制冷板的制热面释放至热管理冷却介质换热层中，并通过冷却介质进行回收，热用户端对回收的热量进行再利用，使装置实现光电热一体化。
2.本发明装置高效利用太阳光能，在不增加光伏板配置量的情况下，极大地提高了光伏电池单位面积的光照强度，并通过热管理保证光伏电池在最佳温度运行，使光伏电池温度稳定，避免出现局部温度过高而导致光电转换效率降低的问题，实现光能高效利用。
附图说明
图1是本发明整体结构的正视图；
图2是本发明整体结构的左视图；
图3是本发明的槽式聚光板的剖视图；
图4为本发明的热管理光伏板的爆炸图；
图5为本发明的热管理光伏板的剖视图；
图6为本发明的对射式聚光光伏发电的原理图；
图中，1-槽式聚光板；2-蛇型换热管；3-绝热材料；4-槽式聚光板支架；5-光伏电池；6-半导体制冷板；7-热管理光伏板；8-热管理光伏板支架；9-固定折流板；10-热管理冷却介质换热层；a1-蛇型换热管冷却介质出口；b1-蛇型换热管冷却介质入口；a2-热管理光伏板冷却介质出口；b2-热管理光伏板冷却介质入口；A-冷却介质母管出口；B-冷却介质母管入口。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明，具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。
本发明提供了一种高效利用光能的光电热一体化装置(简称装置，参见图1～6)，包括槽式聚光板1、槽式聚光板支架4、热管理光伏板7和热管理光伏板支架8；槽式聚光板1和热管理光伏板7分别通过槽式聚光板支架4和热管理光伏板支架8固定，槽式聚光板1和热管理光伏板7两者的安装位置相对，利用槽式聚光板1将太阳光聚集后反射至热管理光伏板7上，提高热管理光伏板7单位面积的光照强度，进而提高光电转换效率。
所述槽式聚光板1内均匀布置有蛇型换热管2，蛇型换热管2与槽式聚光板1内壁之间的空隙内填充有绝热材料3，绝热材料3选用B1级聚氨酯发泡保温材料，导热系数不高于0.03W/(m·k)；冷却介质从蛇型换热管冷却介质入口b1进入蛇型换热管2内，与槽式聚光板1进行换热，换热后的冷却介质从蛇型换热管冷却介质出口a1流出；
所述热管理光伏板7包括光伏电池5、半导体制冷板6和冷却介质换热层10，三者作为三个独立层统一撬装，并由钢板制成的外壳封装为一个整体，钢板选用5mm厚的304不锈钢；光伏电池5的一侧对着槽式聚光板1的聚光面，半导体制冷板6的制冷面紧贴光伏电池5的另一侧，半导体制冷板6的制热面设有冷却介质换热层10，即冷却介质换热层10位于槽式聚光板1的最远端；冷却介质换热层10包括壳体结构和固定折流板9，壳体结构的一侧为开口状且与半导体制冷板6的制热面密封连接，壳体结构内均匀布置有多个固定折流板9，固定折流板9的一端与壳体结构的侧壁之间存在间隙，使壳体结构内形成一体式的拱顶流道，冷却介质从拱顶流道中流过；固定折流板9优选用10mm厚的304不锈钢制成；冷却介质换热层10的一端设有热管理光伏板冷却介质入口b2和热管理光伏板冷却介质出口a2，冷却介质通过热管理光伏板冷却介质入口b2进入冷却介质换热层10中，在拱顶流道内淌流换热，换热后的冷却介质从热管理光伏板冷却介质出口a2流出；
槽式聚光板1与热管理光伏板7通过冷却介质母管进行并联连接，冷却介质母管的一端分别与蛇型换热管冷却介质入口b1和热管理光伏板冷却介质入口b2连接，另一端分别与蛇型换热管冷却介质出口a1和热管理光伏板冷却介质出口a2连接；冷却介质一方面通过冷却介质母管入口B从蛇型换热管冷却介质入口b1进入槽式聚光板1的蛇型换热管2内，与槽式聚光板1因聚光反射太阳光而吸收的热量进行热交换，对槽式聚光板1进行冷却，换热后的冷却介质从蛇型换热管冷却介质出口a1流出；冷却介质另一方面通过冷却介质母管入口B从热管理光伏板冷却介质入口b2进入热管理光伏板7冷却介质换热层10中，在拱顶流道内淌流，与半导体制冷板6的制热面进行热交换，吸收光伏电池5过剩的热量，换热后的冷却介质从热管理光伏板冷却介质出口a2流出，与蛇型换热管冷却介质出口a1流出的换热后的冷却介质汇集，并从冷却介质母管出口A流出；冷却介质母管同时与热用户端连接，因此换热后的冷却介质可以直接对热用户放热，将回收的热量传递至热用户端，实现热量的回收利用。可以根据热用户端的热负荷需求进行装置的数量配置，将多个装置的冷却介质母管并联后与热用户端连接即可使用。冷却介质母管的外壁上包覆有由保温材料制成的保温层，保温材料的导热系数不高于0.04W/(m·k)。
所述半导体制冷板6上阵列有多个半导体制冷片，多个半导体制冷片优选并联方式进行连接，半导体制冷片的型号可以选用TEC1-12708，在此种型号下，半导体制冷板6制冷面的制冷效率为输入电功率的50～60％，制热面的制热效率为120～140％，制冷、制热效率与两个面的温度差大小呈正比，温度差越大，效率越高。半导体制冷片型号可依据布置数量、串并联形式和温度控制范围不同进行选取；半导体制冷板6可以通过多点温度监测以单片机为核心控制单元的形式对光伏电池的温度进行热管理。半导体制冷板6的电源供应可以直接利用光伏电池5产生的电力进行自给自足，需依据半导体制冷板6的用电需求配置一个小型变压器，以匹配半导体制冷板6的电压电流需求；也可以使用外供电源进行电力直供。
槽式聚光板支架4和热管理光伏板支架8的材料可根据装置使用地域进行选择，可以选用但不限于不锈钢方管。槽式聚光板1和热管理光伏板7的安装角度可根据使用地区的太阳光照射方向进行确定，例如在北京地区，槽式聚光板1优先正南方向铺设，建议安装角度为53°。
本发明的使用对射式聚光光伏发电形式，太阳光线通过槽式聚光板1进行光束聚集后反射至热管理光伏板7上进行高效发电，提高了热管理光伏板7单位面积的光照强度，相较于增大光伏板铺设面积的方式，使用价格相对低廉的槽式聚光板节省了投资成本，增大光电转换效率，单位面积发电量可提升2.3-3.5倍。冷却介质可以使用但不限于导热油或水等，可以依据装置的使用温度进行冷却介质的选择，也可与热用户端的换热介质保持一致，可节省一套额外的换热装置。
实施例1
本实施例的高效利用光能的光电热一体化装置，具体参数如下：
冷却介质采用导热油，设安装300m2热管理光伏板及配套约750m2槽式聚光板，通过热管理使得光伏电池的光电转换效率提升了25％左右；参照北京地区太阳光辐射量参数，年平均日辐射量约为17MJ/m2，照射时长约为6小时，则该装置的平均日发电量约为710kW·h，平均日回收热量约为6.8GJ。而未设置热管理的对射式聚光光伏发电装置的光伏电池的光电转换效率约为19％，相同安装条件下平均日发电量约为225kW·h，且未回收热量。
实施例2
本实施例的高效利用光能的光电热一体化装置，具体参数如下：
冷却介质采用导热油，设安装560m2热管理光伏板及配套约1400m2槽式聚光板，通过热管理使得光伏电池的光电转换效率提升了25％左右，参照北京地区太阳光辐射量参数，年平均日辐射量约为17MJ/m2，照射时长约为6小时，则该装置平均日发电量约为1322kW·h，平均日回收热量约为12.6GJ。而未设置热管理的对射式聚光光伏发电装置的光伏电池的光电转换效率约为19％，相同安装条件下平均日发电量约为510kW·h，且未回收热量。
通过上述两个实施例对比可知，装置在运行发电过程中，通过槽式聚光板和热管理光伏板将光能转换的热能分段收集，通过冷却介质对热量进行回收，将光能进行充分回收再利用，实现装置的热电联供，可以在提高装置的光电转换效率的同时，提高热能的热能使用效率，提高效益。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (4)
1.一种高效利用光能的光电热一体化装置，包括槽式聚光板、槽式聚光板支架、热管理光伏板和热管理光伏板支架，槽式聚光板和热管理光伏板分别通过槽式聚光板支架和热管理光伏板支架安装，槽式聚光板和热管理光伏板两者的安装位置相对；其特征在于，
所述槽式聚光板内设有蛇型换热管，蛇型换热管与槽式聚光板内壁之间的空隙内填充有绝热材料；所述热管理光伏板包括光伏电池、半导体制冷板和冷却介质换热层；光伏电池的一侧对着槽式聚光板的聚光面，半导体制冷板的制冷面紧贴光伏电池的另一侧，半导体制冷板的制热面设有冷却介质换热层，冷却介质换热层的一端设有热管理光伏板冷却介质入口和出口；槽式聚光板与热管理光伏板通过冷却介质母管进行并联连接，冷却介质母管的一端分别与蛇型换热管的一端和热管理光伏板冷却介质入口连接，另一端分别与蛇型换热管的另一端和热管理光伏板冷却介质出口连接，通过冷却介质对热管理光伏板进行热管理，使光伏电池保持最佳温度运行；冷却介质母管同时与热用户端连接。
2.根据权利要求1所述的高效利用光能的光电热一体化装置，其特征在于，所述冷却介质换热层包括壳体结构和固定折流板，壳体结构的一侧为开口状且与半导体制冷板的制热面密封连接，壳体结构内均匀布置有多个固定折流板，固定折流板的一端与壳体结构的侧壁之间存在间隙，使壳体结构内形成一体式的拱顶流道，冷却介质从拱顶流道中流过。
3.根据权利要求1或2所述的高效利用光能的光电热一体化装置，其特征在于，冷却介质通过冷却介质母管入口分别通入蛇型换热管和冷却介质换热层内，分别与槽式聚光板和半导体制冷板的制热面进行换热，换热后的冷却介质从冷却介质母管的出口流出，并输送至热用户端，与热用户端进行换热。
4.根据权利要求1所述的高效利用光能的光电热一体化装置，其特征在于，所述半导体制冷板上阵列有多个半导体制冷片，多个半导体制冷片以并联或串联方式连接。
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