CN1862148A - 太阳能热泵制热与光伏发电一体化装置 - Google Patents

Abstract

太阳能热泵制热与光伏发电一体化装置涉及太阳能光伏发电技术、热泵技术。目的在于使太阳能光伏组件获取更高的光电转换效率的同时，通过热泵装置有效地利用太阳辐射能进行建筑物供暖、供热水等热量需求，实现太阳能光电光热多梯度的高效利用。该一体化装置的太阳能光伏/集热板(5)的正面为光伏电池(9)，太阳能光伏/集热板上设有蒸发盘管(8)，压缩机(1)的吸气口与太阳能光伏/集热板内蒸发盘管的制冷剂出口相连，压缩机的排气口与冷凝器(2)的制冷剂入口相连，冷凝器的制冷剂出口经储液器(3)与热力膨胀阀(4)连接，热力膨胀阀的另一端连接太阳能光伏/集热板中蒸发盘管的制冷剂入口；冷凝器的水入口和出口分别与水箱(7)连接。

Description

太阳能热泵制热与光伏发电一体化装置

技术领域

本发明将热泵热水装置与太阳能光伏发电组件结合为一体，利用太阳能同时高效地输出电能和热能，涉及太阳能光伏发电技术、太阳能热利用技术与热泵技术。

背景技术

在能源危机和环保的双重制约下，建筑节能问题得到世界各国政府的重视。太阳能是一种安全环保的可再生能源，其光电、光热的全方位综合应用来构筑生态建筑是实现可持续发展的重要途径之一。热泵在获得较低品味的热量如生活热水，建筑供热以及低温干燥等方面有着较高的效率和独特的优势，正在越来越广泛的应用于工业和民用等领域。将太阳能光电、光热利用与热泵技术结合起来，可以最大限度地提高太阳能系统的利用效率和稳定性，满足建筑的能源供应和健康舒适环境的需求。

太阳能光伏发电在我国，尤其是太阳能资源丰富的西部偏远地区，具有广阔的发展前景。目前，太阳能光伏系统主要存在光电转换效率较低和发电成本相对较高的问题。实际应用中，光伏电池工作时，只有6～15％左右的太阳能转换为电能输出，而剩下的85％以上都转换为热能。一方面，不及时带走这部分热量会使光伏电池的温度升高，导致光电转换效率下降。研究表明，温度每升高1℃，转换效率平均下降0.4～0.5％。目前普遍采用的散热方式是以空气或水作为冷却介质，其效果并不十分显著。因此，研究高效率的散热系统对光伏发电系统整体效率的提高具有重要作用。另一方面，我们生活中需要大量的低品位的热能，如供暖、洗浴用热水等，如果将光伏电板产生的这部分热量有效地利用到建筑物的热需求中，避免使用电加热和燃料燃烧等方式，既节省了大量的高品位能源，又减少排放，保护了环境。

在太阳能热利用方面，其技术已日趋成熟，太阳能热水器在我国已形成产业化。但是，由于太阳能热流密度低，受季节和天气影响较大，在阴雨天和冬季，太阳能热水器常常需要电辅助加热。在建筑物的供热方面，传统的太阳能系统更是难以满足全天候供热，而且较大的采暖热负荷使得系统体积庞大。这都使太阳能直接热利用系统在应用上受到一定的限制。热泵技术利用少量高品位的电能作为驱动能源，从低温热源高效吸取低品位热能，并将其传输给高温热源，从而转能质系数低的能源为能质系数高的能源。因此，将太阳能热利用与热泵技术有机结合起来，以太阳能作为热泵系统的低温热源，既能提高系统的整体能源利用效率，又能有效克服太阳能的稀薄性和间歇性的缺点，同时可以减小集热组件的尺寸和体积。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种太阳能热泵制热与光伏发电一体化装置，该装置的制热效率远高于电热水器和燃气热水器，短时间内加热的能力较高，同时能有效提高光伏电池的光电转换效率。

技术方案：本发明的方法是使制冷剂流体直接在太阳能光伏电板中蒸发吸热，同时经过热泵循环，在高温冷凝侧释放热量，将太阳能高效地转化为电能和热能。

本发明是直接膨胀式太阳能热泵热水装置与太阳能光伏组件有机结合的一体化装置。目的是使光伏电池在制冷剂相变冷却方式下获取更高的光电转换效率；同时，经过高效的热泵循环将太阳能光伏/集热板的热量进行温度提升，进行建筑物供暖、供热水等热量需求，实现太阳能光电光热多层次的高效利用。

该一体化装置由压缩机、冷凝器、储液器、热力膨胀阀、太阳能光伏/集热板、水泵、水箱以及连接管道组成；太阳能光伏/集热板的正面为光伏电池，太阳能光伏/集热板上设有蒸发盘管，压缩机的吸气口与太阳能光伏/集热板内蒸发盘管的制冷剂出口相连，压缩机的排气口与冷凝器的制冷剂入口相连，冷凝器的制冷剂出口经储液器与热力膨胀阀连接，热力膨胀阀的另一端连接太阳能光伏/集热板中蒸发盘管的制冷剂入口；冷凝器的水入口和出口分别与水箱连接。

使用太阳能光伏/集热板作为热泵的蒸发器，光伏电池层压在太阳能光伏/集热板的正面，蒸发盘管设在太阳能光伏/集热板的夹层中。

工作过程如下：太阳能光伏/集热板表面的光伏电池将一部分太阳能转换为电能输出；同时，制冷剂液体在光伏/集热板内的蒸发盘管中吸取太阳辐射能而汽化，制冷剂气体进入压缩机，升温升压后进入冷凝器中放热冷凝为高温高压的液体，放出的热量被水吸收，水的温度升高后进入水箱中，经过冷凝器冷凝后的高温高压液体制冷剂流经储液器，再进入膨胀阀降温降压后变为低温低压液体进入太阳能光伏/集热板，这样完成一个循环。

本发明太阳能热泵制热与光伏发电一体化装置中，太阳能光伏/集热板也作为热泵的蒸发器。光伏/集热板表面压的光伏电池将一部分太阳能转换为电能输出；同时，制冷剂直接在光伏电板夹层的蒸发盘管中吸收太阳能热量而蒸发，然后通过压缩机升温升压后，进入水冷冷凝器释放热量来加热热水，最后经过膨胀阀降温降压后回到光伏/集热蒸发器，形成一个热泵循环。获取的热水可用于建筑物供暖和生活热水的供应。

有益效果：

1、将热泵热水装置与太阳能光伏组件有机结合，既充分利用太阳能输出高品位的电能，也有效地利用其转换的热能，实现了太阳能光电、光热的多梯度的综合利用。同时，一体化的装置提高了设备利用率，降低系统初投资。

2、制冷剂直接在太阳能光伏/集热板中吸收热量蒸发，大大降低了光伏电池的工作温度，提高了光伏电池的效率。这与传统的用水或空气来冷却相比，具有更好的冷却效果。

3、利用制冷剂在低温下蒸发吸收太阳辐射能，通过压缩机升温升压后在冷凝器中放出热量，获取热水。该热水装置的效率远高于电热水器和燃气热水器，而且短时间内加热的能力较高，可以连续提供热水。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图。其中有：压缩机1，冷凝器2，储液器3，热力膨胀阀4，太阳能光伏/集热板5，水泵6，水箱7。

图2是图1中A-A-向的剖面图。

具体实施方式

本发明的一体化装置由压缩机1、冷凝器2、储液器3、热力膨胀阀4、太阳能光伏/集热板5、水泵6、水箱7以及连接管道组成；太阳能光伏/集热板5的正面为光伏电池9，太阳能光伏/集热板5上设有蒸发盘管8，压缩机1的吸气口与太阳能光伏/集热板5内蒸发盘管8的制冷剂出口相连，压缩机1的排气口与冷凝器2的制冷剂入口相连，冷凝器2的制冷剂出口经储液器3与热力膨胀阀4连接，热力膨胀阀4的另一端连接太阳能光伏/集热板5中蒸发盘管8的制冷剂入口；冷凝器2的水入口和出口分别与水箱7连接。

使用太阳能光伏/集热板5作为热泵的蒸发器，光伏电池9层压在太阳能光伏/集热板5的正面，蒸发盘管8设在太阳能光伏/集热板5的夹层中。冷凝器2使用高效的逆流套管换热器，实现高的换热效率。太阳能光伏/集热板5类似于冰箱蒸发器的结构形式，即铝片夹铜管。不同的是，正面层压有单晶硅或多晶硅的光伏电池9，以接受太阳辐射高效地转换为电能输出。光伏/集热板夹层设有的铜管作为热泵的蒸发盘管8，同时铝板的表面有增强太阳辐射吸收的涂层，从而使流经蒸发盘管的制冷剂可以高效率地吸收太阳辐射能。

太阳能光伏/集热板5采用无玻璃盖板和无隔热层的结构型式，系统的造价降低。制冷剂直接在太阳能光伏/集热板中蒸发，可以使太阳能光伏/集热板的温度降低到环境温度以下，因而即使不使用玻璃盖板和隔热层，也可以获得较高的光电转换效率和集热效率。在太阳能辐射不是很强时，制冷剂甚至可以通过对流从空气中获取一部分热量。

该装置的光伏系统中，输出的直流电可通过逆变电源转换为交流电，供交流负荷使用。并且可设置控制器和蓄电池，一方面对所发的电能进行调节和控制，另一方面把多余的电能送往蓄电池组储存，以便在夜间或阴雨天保证负载用电。

该装置热泵系统中压缩机1，冷凝器2，太阳能光伏/集热板5，水泵6设置在室外，即运转部分设置在室外，只将水箱7设置在室内。热泵装置全部在工厂组装，调试完毕，安装时室内与室外只有水管的连接，对安装的技术要求降低。消除运转时的噪音。

Claims (2)

1、一种太阳能热泵制热与光伏发电一体化装置，其特征在于该装置由压缩机(1)、冷凝器(2)、储液器(3)、热力膨胀阀(4)、太阳能光伏/集热板(5)、水泵(6)、水箱(7)以及连接管道组成；太阳能光伏/集热板(5)的正面为光伏电池(9)，太阳能光伏/集热板(5)上设有蒸发盘管(8)，压缩机(1)的吸气口与太阳能光伏/集热板(5)内蒸发盘管(8)的制冷剂出口相连，压缩机(1)的排气口与冷凝器(2)的制冷剂入口相连，冷凝器(2)的制冷剂出口经储液器(3)与热力膨胀阀(4)连接，热力膨胀阀(4)的另一端连接太阳能光伏/集热板(5)中蒸发盘管(8)的制冷剂入口；冷凝器(2)的水入口和出口分别与水箱(7)连接。

2、根据权利要求1所述的太阳能热泵制热与光伏发电一体化装置，其特征在于使用太阳能光伏/集热板(5)作为热泵的蒸发器，光伏电池(9)层压在太阳能光伏/集热板(5)的正面，蒸发盘管(8)设在太阳能光伏/集热板(5)的夹层中。

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