CN207460060U - 一种光伏-热伏耦合发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光伏‑热伏耦合发电系统，其特征在于：包括：光伏模块、热伏模块、冷却模块、控制模块；所述光伏模块包括：光伏电池、电压电流数据采集模块；所述热伏模块包括：换热循环装置、温度数据采集模块、电压电流数据采集模块、半导体温差发电单元；所述冷却模块为换热循环装置；所述控制模块包括：基于应用软件PLC和单片机控制原理开发的主控芯片、逆变器、充放电控制器、蓄电池、电路连接用的导线。所述发电系统成本低、易实现，半导体温差发电系统得到了高效的利用。

Description

一种光伏-热伏耦合发电系统

技术领域

本实用新型涉及太阳能应用技术领域，具体为一种光伏-热伏耦合发电系统。

背景技术

能源是人类生存和文明发展的重要物质基础，我国已成为世界上最大的能源消费国。近年来，利用废热、余热来进行温差发电越来越受到人们的重视。温差发电是利用塞贝克效应，直接将热能转化为电能的一种发电手段，很小的温差就能使其产生电能。目前，市面上成熟的大多数温差发电系统的运用，多用于车辆尾气废热回收、工业锅炉余热、或者高温烟气回收系统上。目前在太阳能方面的半导体温差发电运用，也多是与光伏发电系统独立开来而倾向于半导体温差发电系统与热伏系统的结合，其更倾向于如何有效地收集太阳能辐射热能，通过半导体温差发电片，直接转换成电能的运用。

若基于光伏发电系统之上，半导体温差发电与之相结合。这不仅能提升光伏发电系统整体发电效率，更可减少温差发电部分的平台投资，基于全国甚至世界现有的庞大光伏产业群，其带来的经济效益规模不言而喻。所以对于光伏-热伏耦合的发电方式的设计与探索，也是近年来人们重视的方向。就目前而言，有关于光伏-热伏耦合发电系统的专利发明，总体思路：通过分离太阳光光谱，使波长分别适合在光伏和温差发电模块的光分离并在各模块中充分利用，提高光谱利用率。限于特殊的分离光谱的结构，其所需材料或者相关设备结构不易制备且价格昂贵，暂未得到有效的推广发展，有些还处于概念阶段。目前，也已有一些利用半导体温差发电片代替传统光伏发电系统的冷却模块的专利发明，此类系统虽然整体效率有一定增幅，但基于太阳能板工作温度属于中低温，温差发电模块的冷端若无另外的耗能的冷却装置进行降温，其产生的温差普遍较小，且发电时间仍受日出日落时间限制较大，半导体温差发电系统未达到高效利用。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种光伏-热伏耦合发电系统，所述发电系统成本低、易实现，半导体温差发电系统得到了高效的利用。

本实用新型可以通过以下技术方案来实现：

本实用新型公开了一种光伏-热伏耦合发电系统，其特征在于：包括：光伏模块、热伏模块、冷却模块、控制模块；所述光伏模块包括：光伏电池、电压电流数据采集模块；所述热伏模块包括：第一换热循环装置、温度数据采集模块、电压电流数据采集模块、半导体温差发电单元；所述冷却模块为第二换热循环装置；所述控制模块包括：基于应用软件PLC和单片机控制原理开发的主控芯片、逆变器、充放电控制器、蓄电池、电路连接用的导线；所述冷却模块中包括金属材质的第二水冷头，所述第二水冷头的一面通过高温粘合剂将冷却模块粘合在光伏模块中的光伏电池的下底面，所述第二水冷头的另一面通过高温粘合剂与热伏模块中的半导体温差发电单元的冷端面粘结。这样的结构设置中，包括：光伏模块、热伏模块、冷却模块、控制模块；光伏模块包括：光伏电池、电压电流数据采集模块；热伏模块包括：第一换热循环装置、温度数据采集模块、电压电流数据采集模块、半导体温差发电单元；冷却模块为第二换热循环装置；所述控制模块包括：基于应用软件PLC和单片机控制原理开发的主控芯片、逆变器、充放电控制器、蓄电池、电路连接用的导线；所选择使用的配件、系统等都十分简单，来源广泛，所以成本低，容易实现，整个系统中设置了控制模块，采用智能控制的方式控制整个发电系统，使用更加便捷。此外，半导体温差发电单元设置在热伏模块，而冷却模块中的第二水冷头的一面通过高温粘合剂与热伏模块中的半导体温差发电单元的冷端面粘结，半导体温差发电单元将热伏模块作为热端，将冷却模块作为冷端，以此形成稳定的温差条件，使得半导体温差发电系统得到了高效的利用。

进一步的，所述光伏电池可以是单晶硅光伏电池、多晶硅光伏电池、聚光式太阳能光伏电池中的任意一种。选择下底面为平面或者不阻碍发电系统发电的电池，并且适合现有温差发电的电池和金属材质水冷头贴紧，使得整个结构更加的紧凑、稳固。

进一步的，所述热伏模块中的第一换热循环装置与冷却模块中的第二换热循环装置原理相同，所述换热循环装置均包括：管程流体、循环结构，所述管程流体为液态水。选择液态水或者其他具有良好储热和导热性质、流动性良好的液态物质作为流体，使得换热循环装置效果达到最佳。

进一步的，所述循环装置（前面权利要求是循环结构）均包括：循环泵、金属材质水冷头、循环管道、换热器和储水容器。这样的结构设置中，流体通过循环管道从金属材质水冷头的出水口进入换热器的入水口，再从换热器的入水口进入换热器的出水口，循环泵安装在循环管道上，换热器浸于储水容器中。

进一步的，所述换热器为金属材质蛇形管，所述换热器可与翅片通过焊接形式连接。所述储水容器为不锈钢保温容器，所述不锈钢保温容器内装有待换热的水，所述不锈钢保温容器设有进水管、出水管。所述冷却模块的换热循环装置中不锈钢保温容器的进水管道与自来水管道相连，所述不锈钢保温容器的出水管道与太阳能热水器冷水入口管道相连。所述热伏模块的不锈钢保温容器的进水管道与太阳能热水器热水储箱出水管道相连，所述不锈钢保温容器的出水管道与太阳能热水器热水储箱入水管道相连。

进一步的，所述半导体温差发电单元包括：半导体温差发电芯片、电气布线，所述半导体温差发电芯片由锑化铋制成，半导体温差发电芯片的热端与热伏模块中循环结构的金属材质水冷头采用高温粘合剂紧贴安装，使得温差更加稳定，半导体温差发电系统得到更加高效的利用。

进一步的，所述控制模块的主控芯片检测用户的太阳能热水器的热水储箱水温，当水温高于工作目标值时，控制模块控制热伏模块和冷却模块中与换热器的循环管道相连的循环泵工作；控制模块的主控芯片检测热伏模块中的不锈钢保温容器水温，当水温低于工作目标值时，控制模块控制热伏模块和冷却模块中与换热器的循环管道相连的循环泵停止工作。通过这样的设置可以智能地控制半导体温差发电单元启动或者停止，使得发电系统的使用更加智能方便。

进一步的，所述光伏-热伏耦合发电系统通过电压电流数据采集模块、控制模块分别采集得到光伏模块和热伏模块输出的电压值与电流值，将各发电模块作为充放电电路二端口网络的内部电路，通过控制模块计算各发电模块实时的输出功率对电压的求导运算值，并将所述的各发电模块当前的输出功率对电压的导数值与预先设定导数值相比较：当所述的各发电模块当前的输出功率对电压的实时导数值大于预先设定导数值时，通过控制系统智能调节充放电控制器的DC/DC变换器开关的PWM占空比来增加外部电路的阻值，直到各发电模块当前的输出功率的实时导数值等于预先设定导数值时，停止调节，保证光伏-热伏耦合发电系统的功率输出最大化；当所述的各发电模块当前的输出功率对电压的实时导数值小于预先设定导数值时，通过控制系统智能调节充放电控制器的DC/DC变换器开关的PWM占空比来减小外部电路的阻值，直到各发电模块当前的输出功率的实时导数值等于预先设定导数值时，停止调节，保证光伏-热伏耦合发电系统的功率输出最大化。采用这样的系统设置可以控制和调节光伏发电与半导体温差发电，保证系统整体输出功率最大化。

本实用新型一种光伏-热伏耦合发电系统，具有如下的有益效果：

第一、成本低、易实现，结构设置中，包括：光伏模块、热伏模块、冷却模块、控制模块；光伏模块包括：光伏电池、电压电流数据采集模块；热伏模块包括：第一换热循环装置、温度数据采集模块、电压电流数据采集模块、半导体温差发电单元；冷却模块为第二换热循环装置；所述控制模块包括：基于应用软件PLC和单片机控制原理开发的主控芯片、逆变器、充放电控制器、蓄电池、电路连接用的导线；所选择使用的配件、系统等都十分简单，来源广泛，所以成本低，容易实现。

第二、半导体温差发电系统得到了高效的利用，半导体温差发电单元设置在热伏模块，而冷却模块中的第二水冷头的一面通过高温粘合剂与热伏模块中的半导体温差发电单元的冷端面粘结，半导体温差发电单元将热伏模块作为热端，将冷却模块作为冷端，以此形成稳定的温差条件，使得半导体温差发电系统得到了高效的利用；半导体温差发电芯片、电气布线，所述半导体温差发电芯片由锑化铋制成，半导体温差发电芯片的热端与热伏模块中循环结构的金属材质水冷头采用高温粘合剂紧贴安装，使得温差更加稳定，半导体温差发电系统得到更加高效的利用。

第三、使用方便，采用智能控制的方式控制整个发电系统，使用更加便捷，所述控制模块的主控芯片检测用户的太阳能热水器的热水储箱水温，当水温高于工作目标值时，控制模块控制热伏模块和冷却模块中与换热器的循环管道相连的循环泵工作；控制模块的主控芯片检测热伏模块中的不锈钢保温容器水温，当水温低于工作目标值时，控制模块控制热伏模块和冷却模块中与换热器的循环管道相连的循环泵停止工作。通过这样的设置可以智能的控制半导体温差发电单元启动或者停止，使得发电系统的使用更加智能方便，而且采用这样的系统设置可以控制和调节光伏发电与半导体温差发电，保证系统整体输出功率最大化。

附图说明

附图1本实用新型一种光伏-热伏耦合发电系统的原理图；

附图2本实用新型一种光伏-热伏耦合发电系统的光伏模块的原理图；

附图3本实用新型一种光伏-热伏耦合发电系统的热伏模块的原理图；

附图4本实用新型一种光伏-热伏耦合发电系统的热伏模块中第一换热循环装置的局部放大图；

附图5本实用新型一种光伏-热伏耦合发电系统的冷却模块的原理图；

附图6本实用新型一种光伏-热伏耦合发电系统的控制模块的原理图；

附图7本实用新型一种光伏-热伏耦合发电系统的控制模块的局部放大图；

附图中标记包括：100、光伏模块，110、光伏电池，120、电压电流数据采集模块；200、热伏模块，210、第一换热循环装置，211、循环泵、212、第一水冷头，213、循环管道、214、换热器，215、储水容器，220、温度数据采集模块，230、电压电流数据采集模块，240、半导体温差发电单元；300、冷却模块，310、第二水冷头；400、控制模块，410、主控芯片，420、逆变器，430、充放电控制器，440、蓄电池，450、电路连接用的导线。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合实施例及附图对本实用新型产品作进一步详细的说明。

如图1、2、3、4、5、6、7所示，一种光伏-热伏耦合发电系统，其特征在于：包括：光伏模块100、热伏模块200、冷却模块300、控制模块400；所述光伏模块100包括：光伏电池110、电压电流数据采集模块120；所述热伏模块200包括：第一换热循环装置210、温度数据采集模块220、电压电流数据采集模块230、半导体温差发电单元240；所述冷却模块300为第二换热循环装置；所述控制模块400包括：基于应用软件PLC和单片机控制原理开发的主控芯片410、逆变器420、充放电控制器430、蓄电池440、电路连接用的导线450；所述冷却模块300中包括金属材质的第二水冷头310，所述第二水冷头310的一面通过高温粘合剂将冷却模块300粘合在光伏模块100中的光伏电池110的下底面，所述第二水冷头310的另一面通过高温粘合剂与热伏模块200中的半导体温差发电单元240的冷端面粘结。这样的结构设置中，包括：光伏模块100、热伏模块200、冷却模块300、控制模块400；光伏模块100包括：光伏电池110、电压电流数据采集模块120；热伏模块200包括：第一换热循环装置210、温度数据采集模块220、电压电流数据采集模块230、半导体温差发电单元240；冷却模块300为第二换热循环装置310；所述控制模块400包括：基于应用软件PLC和单片机控制原理开发的主控芯片410、逆变器420、充放电控制器430、蓄电池440、电路连接用的导线450；所选择使用的配件、系统等都十分简单，来源广泛，所以成本低，容易实现，整个系统中设置了控制模块400，采用智能控制的方式控制整个发电系统，使用更加便捷。此外，半导体温差发电单元240设置在热伏模块200，而冷却模块300中的第二水冷头310的一面通过高温粘合剂与热伏模块200中的半导体温差发电单元240的冷端面粘结，半导体温差发电单元240将热伏模200块作为热端，将冷却模块300作为冷端，以此形成稳定的温差条件，使得半导体温差发电系统得到了高效的利用。

如图2所示，所述光伏电池可以是单晶硅光伏电池、多晶硅光伏电池、聚光式太阳能光伏电池中的任意一种。选择下底面为平面或者不阻碍发电系统发电的电池，并且适合现有温差发电的电池和金属材质水冷头贴紧，使得整个结构更加的紧凑、稳固。

如图3、4所示，所述热伏模块200中的第一换热循环装置210与冷却模块300中的第二换热循环装置310原理相同，所述换热循环装置包括：管程流体、循环结构，所述管程流体为液态水。选择液态水或者其他具有良好储热和导热性质、流动性良好的液态物质作为流体，使得换热循环装置效果达到最佳。

如图3、4、5所示，所述第一换热循环装置和第二换热循环装置的循环结构均包括：循环泵211、金属材质水冷头212、循环管道213、换热器214和储水容器215。这样的结构设置中，流体通过循环管道213从水冷头的出水口进入换热器214的入水口，再从换热器214的入水口进入换热器214的出水口，循环泵211安装在循环管道213上，换热器214浸于储水容器中。

如图3、4所示，所述换热器214为金属材质蛇形管，所述换热器可与翅片通过焊接形式连接。所述储水容器215为不锈钢保温容器，所述不锈钢保温容器内装有待换热的水，所述不锈钢保温容器设有进水管、出水管。所述冷却模块的换热循环装置中不锈钢保温容器的进水管道与自来水管道相连，所述不锈钢保温容器的出水管道与太阳能热水器冷水入口管道相连。所述热伏模块的不锈钢保温容器的进水管道与太阳能热水器热水储箱出水管道相连，所述不锈钢保温容器的出水管道与太阳能热水器热水储箱入水管道相连。

如图4所示，所述半导体温差发电单元240包括：半导体温差发电芯片、电气布线，所述半导体温差发电芯片由锑化铋制成，半导体温差发电芯片的热端与热伏模块200中循环结构的第一水冷头212采用高温粘合剂紧贴安装，使得温差更加稳定，半导体温差发电系统得到更加高效的利用。

如图6所示，所述控制模块的主控芯片410检测用户的太阳能热水器的热水储箱水温，当水温高于工作目标值时，控制模块400控制热伏模块200和冷却模块300中与换热器的循环管道相连的循环泵工作；控制模块400的主控芯片410检测热伏模块中的不锈钢保温容器水温，当水温低于工作目标值时，控制模块400控制热伏模块200和冷却模块300中与换热器的循环管道相连的循环泵停止工作。通过这样的设置可以智能的控制半导体温差发电单元240启动或者停止，使得发电系统的使用更加智能方便。

如图3、4、6所示，所述光伏-热伏耦合发电系统通过电压电流数据采集模块120、电压电流数据采集模块230、控制模块400分别采集得到光伏模块100和热伏模块200输出的电压值与电流值，将各发电模块作为充放电电路二端口网络的内部电路，通过控制模块400计算各发电模块实时的输出功率对电压的求导运算值，并将所述的各发电模块当前的输出功率对电压的导数值与预先设定导数值相比较：当所述的各发电模块当前的输出功率对电压的实时导数值大于预先设定导数值时，通过控制模块400智能调节充放电控制器的DC/DC变换器开关的PWM占空比来增加外部电路的阻值，直到各发电模块当前的输出功率的实时导数值等于预先设定导数值时，停止调节，保证光伏-热伏耦合发电系统的功率输出最大化；当所述的各发电模块当前的输出功率对电压的实时导数值小于预先设定导数值时，通过控制模块400智能调节充放电控制器的DC/DC变换器开关的PWM占空比来减小外部电路的阻值，直到各发电模块当前的输出功率的实时导数值等于预先设定导数值时，停止调节，保证光伏-热伏耦合发电系统的功率输出最大化。采用这样的系统设置可以控制和调节光伏发电与半导体温差发电，保证系统整体输出功率最大化。

以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本实用新型；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本实用新型技术方案范围内，可利用以上所揭示的技术内容而作出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本实用新型的等效实施例；同时，凡依据本实用新型的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本实用新型的技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光伏-热伏耦合发电系统，其特征在于：包括：光伏模块、热伏模块、冷却模块、控制模块；

所述光伏模块包括：光伏电池、电压电流数据采集模块；

所述热伏模块包括：第一换热循环装置、温度数据采集模块、电压电流数据采集模块、半导体温差发电单元；

所述冷却模块为第二换热循环装置；

所述控制模块包括：基于应用软件PLC和单片机控制原理开发的主控芯片、逆变器、充放电控制器、蓄电池、电路连接用的导线；

所述冷却模块中包括金属材质的第二水冷头，所述第二水冷头的一面通过高温粘合剂将冷却模块粘合在光伏模块中的光伏电池的下底面，所述第二水冷头的另一面通过高温粘合剂与热伏模块中的半导体温差发电单元的冷端面粘结。

2.根据权利要求1所述的一种光伏-热伏耦合发电系统，其特征在于：所述光伏电池可以是单晶硅光伏电池、多晶硅光伏电池、聚光式太阳能光伏电池中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的一种光伏-热伏耦合发电系统，其特征在于：所述热伏模块中的第一换热循环装置与冷却模块中的第二换热循环装置原理相同，所述换热循环装置均包括：管程流体、循环结构，所述管程流体为液态水；所述循环结构均包括：循环泵、金属材质水冷头、循环管道、换热器和储水容器。

4.根据权利要求3所述的一种光伏-热伏耦合发电系统，其特征在于：所述换热器为金属材质蛇形管，所述换热器可与翅片通过焊接形式连接。

5.根据权利要求3所述的一种光伏-热伏耦合发电系统，其特征在于：所述储水容器为不锈钢保温容器，所述不锈钢保温容器内装有待换热的水，所述不锈钢保温容器设有进水管、出水管。

6.根据权利要求1或5所述的一种光伏-热伏耦合发电系统，其特征在于：所述冷却模块的换热循环装置中不锈钢保温容器的进水管道与自来水管道相连，所述不锈钢保温容器的出水管道与太阳能热水器冷水入口管道相连。

7.根据权利要求3所述的一种光伏-热伏耦合发电系统，其特征在于：所述热伏模块的不锈钢保温容器的进水管道与太阳能热水器热水储箱出水管道相连，所述不锈钢保温容器的出水管道与太阳能热水器热水储箱入水管道相连。

8.根据权利要求1所述的一种光伏-热伏耦合发电系统，其特征在于：所述半导体温差发电单元包括：半导体温差发电芯片、电气布线，所述半导体温差发电芯片由锑化铋制成。

9.根据权利要求1所述的一种光伏-热伏耦合发电系统，其特征在于：所述控制模块的主控芯片检测用户的太阳能热水器的热水储箱水温，当水温高于工作目标值时，控制模块控制热伏模块和冷却模块中与换热器的循环管道相连的循环泵工作；控制模块的主控芯片检测热伏模块中的不锈钢保温容器水温，当水温低于工作目标值时，控制模块控制热伏模块和冷却模块中与换热器的循环管道相连的循环泵停止工作。

10.根据权利要求1所述的一种光伏-热伏耦合发电系统，其特征在于：所述光伏-热伏耦合发电系统通过电压电流数据采集模块，控制模块分别采集得到光伏模块和热伏模块输出的电压值与电流值，将各发电模块作为充放电电路二端口网络的内部电路，通过控制模块计算各发电模块实时的输出功率对电压的求导运算值，并将所述的各发电模块当前的输出功率对电压的导数值与预先设定导数值相比较：

当所述的各发电模块当前的输出功率对电压的实时导数值大于预先设定导数值时，通过调节充放电控制器的DC/DC变换器开关的PWM占空比来增加外部电路的阻值，直到各发电模块当前的输出功率的实时导数值等于预先设定导数值时，停止调节，保证光伏-热伏耦合发电系统的功率输出最大化；

当所述的各发电模块当前的输出功率对电压的实时导数值小于预先设定导数值时，通过调节充放电控制器的DC/DC变换器开关的PWM占空比来减小外部电路的阻值，直到各发电模块当前的输出功率的实时导数值等于预先设定导数值时，停止调节，保证光伏-热伏耦合发电系统的功率输出最大化。