CN207539997U - 一种提高光电转换效率的光伏光热系统 - Google Patents

一种提高光电转换效率的光伏光热系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种提高光电转换效率的光伏光热系统，该系统包括三个系统分别为太阳能光伏发电系统，光伏余热利用系统和余热采暖系统，太阳能光伏发电系统主要包括太阳能光伏板、逆变器、控制器、蓄电池，光伏余热利用系统主要包括集热器、水箱、集水器、分水器和土壤换热器，余热采暖系统主要包括热泵机组、散热器等。实用新型主要应用于户式或分布式的光伏光热系统，以光伏发电为主，余热利用为辅，冷却循环水及时吸收并转移光伏余热，提高了光电转换效率，同时为了实现系统的节能环保，通过水箱和土壤吸收储存余热并加以利用，提高了系统的热能利用率。

Description

一种提高光电转换效率的光伏光热系统
技术领域
本实用新型涉及太阳能光伏光热技术领域，尤其是涉及一种提高光电转换效率的光伏光热系统。
背景技术
太阳能取之不尽、用之不竭，我国太阳能资源丰富，使用太阳能光伏板能将太阳能转化为品位较高的电能，无污染，安全可靠。然而在标准状态下(AM＝1.5，I＝1000W/m2，t＝25℃) 单晶硅太阳电池的效率在16％～20％，即至少有80％的太阳能转化为热能，并且光伏电池的温度越高，光电转化效率越低，光伏电池的温度过高也会影响光伏板的使用寿命。
建立单晶硅光伏板组件的数学模型，根据某地区实际气象年逐时参数，运用MATLAB软件计算可得非采暖季(4月～10月)该地区每月典型日光伏背板温度变化曲线如图1，根据参考文献“太阳能电池的温度和光强特性研究[J]”及“太阳能光伏发电应用技术[M]”可得随着太阳能光伏电池温度的升高，光电转换效率线性降低，硅电池在25℃时转换效率为18％，通过 MATLAB软件对光伏组件数学模型作更进一步的研究，计算分析可得，转换效率与光伏板背板温度的关系，如图1所示。
由图1曲线可得光伏板背部的温度先升高后降低，11点～13点光伏板背部温度达到最大值，结合图2分析可得，光伏板背部温度与光电转换效率为负相关线性变化，转换效率随着背板温度的升高而降低，因此转换效率随着一日时间的变化先下降后升高，11点～13点光电转换效率最低，且光伏板背板温度为23℃时，光电转换效率为18％。计算可得，当要求光伏板光电转换效率至少为18％时，该地区每平米光伏板的年发电量的增量为23.5kW·h，非采暖季(4月～10月)的总余热量为1754.17kW。
申请号为：201520769953.4的实用新型专利，公开了一种自适应蓄热太阳能地源热泵装置，该装置包括太阳能集热系统、地埋管系统、热泵系统和末端系统，可以实现系统的夏季制冷冬季采暖，同时采用相变蓄热装置，根据太阳辐照量自主完成高温蓄热和低温蓄热的切换。该专利主要涉及太阳能热量的吸收与利用，能源形式单一，而且系统中土壤蓄热为间接吸收并储存太阳能热，存在一定的热损失。
而实用新型专利“一种提高光电转换效率的光伏光热系统”包括光电与余热两种能源的产出与利用，主要应用于户式或分布式的光伏光热系统，系统以光伏发电为主，余热利用为辅，冷却循环水及时吸收并转移光伏余热，提高了光电转换效率，同时为了实现系统的节能环保，通过水箱和土壤直接吸收储存余热并加以利用，提高了热能利用率。
实用新型内容
本实用新型提供一种提高光电转换效率的光伏光热系统，可用于户式或分布式的光伏光热系统。该实用新型专利中为获得更多高品位能量，在光伏板背部安装集热板，通过冷却水的循环流动及时转移光伏余热，控制并维持光伏板的温度，从而提高了光电转换效率，同时为实现系统的节能环保，提高系统热能利用率，通过水箱和土壤吸收并储存光伏余热，以满足用户的生活热水和冬季采暖。
本实用新型专利采用的技术方案如下：一种提高光电转换效率的光伏光热系统系统，该系统包括三个系统分别为太阳能光伏发电系统，光伏余热利用系统和余热采暖系统。所述太阳能光伏发电系统包括太阳能光伏板、逆变器、控制器、蓄电池等，在太阳能光伏板平行的平面安装太阳能辐射表测量太阳辐射量。
所述光伏余热利用系统包括集热器、水箱、分水器、土壤换热器、集水器、第一水泵等。通过管道将土壤换热器、第二热电偶、分水器、第五阀门、第一水泵、集热器、第一热电偶、第六阀门、集水器依次连接为循环回路，水箱内的换热盘管分别通过第一阀门和第三阀门与第一热电偶和第一水泵入口连接。
所述余热采暖系统包括热泵机组、第二水泵、第三水泵、散热器等。热泵机组的蒸发器分别通过第八阀门、第二水泵和第九阀门与分水器出口和集水器入口相连，第八阀门靠近热泵机组蒸发器，热泵机组的冷凝器、第十阀门、散热器、第十二阀门、第三水泵和第十一阀门通过管道依次连成循环回路，散热器分别通过第七阀门和第十三阀门与第二水泵出口和集水器入口相连。
所述太阳能光伏板平行平面安装有太阳能辐射表测量太阳辐射量。
所述集热器内安装第一温度传感器，实时监测集热器内的水温，并控制第一水泵的转速，改变循环流量的大小，使集热器内水温维持为23℃，使得光电转换效率持续保持18％。
所述水箱分别通过第二阀门和第四阀门与自来水进水管和生活热水的出水管相连。
所述水箱内设有第二温度传感器，实时监测水箱内的水温，并控制第二阀门的开启和关闭。
所述水箱内设有水位传感器，实时监测水箱内的水位高低，并控制第二阀门的启闭。
太阳能辐射表测得太阳辐射强度为0时，冷却水不循环。太阳能辐射表测得太阳辐射强度不为0时，工作原理为：非采暖季：水箱内的水位始终保持最高水位。4月～6月和9月～10 月：当第一温度传感器测得温度大于23℃且第一热电偶测得温度大于22℃时，第一水泵、第五阀门、第六阀门开启，其余阀门全部关闭，冷却水循环流动，通过土壤转移并储存光伏余热，第一温度传感器控制第一水泵的转速，改变循环流量，以维持集热器内的水温为23℃，即始终保证光电转换效率为18％；当第一温度传感器测得温度大于23℃且第一热电偶测得温度小于22℃时，第一阀门、第三阀门和第一水泵开启，其余阀门全部关闭，第一温度传感器控制第一水泵的转速，水箱转移并储存光伏余热，以保证光电转换效率为所需最大值；当第一温度传感器测得温度小于23℃，第一水泵及所有阀门全部关闭，冷却水停止流动。7月～8 月：当第一温度传感器测得温度小于23℃时，阀门全部关闭，冷却水不循环流动；当第一温度传感器测得温度大于23℃且第一热电偶测得温度小于22℃时：第一水泵、第一阀门、第三阀门开启，其余阀门关闭，第一温度传感器控制第一水泵的转速，通过水箱蓄热来降低并维持光伏板温度恒定，实现最大光电转换效率；当第一温度传感器测得温度大于23℃且第一热电偶测得温度大于22℃时：第一水泵、第一阀门、第三阀门、第五阀门、第六阀门开启，其余阀门关闭，第一温度传感器同时控制水箱3和集水器4出水量的混合比和第一水泵的转速，通过水箱蓄热和土壤吸热带走光伏余热，从而维持集热器内的水温为23℃，当第二温度传感器测得水箱内水温为50℃时，关闭第一阀门和第三阀门，水箱不再提供余热转移，同时可以提供生活热水。
采暖季：11月～3月：余热利用系统：确定余热转移之初水箱内的水位为最低水位，由水位传感器控制第二阀门的启闭，使水箱中的水位始终处于水位范围内。当第一温度传感器测得水温大于23℃时，第五阀门和第六阀门关闭，第一水泵、第一阀门和第三阀门开启，通过第一温度传感器控制第一水泵的转速，改变循环流量，冷却水循环流动，同时第二温度传感器控制第二阀门的启闭，通过补给自来水来控制水箱内水温为13℃；当第一温度传感器测得温度小于23℃且第二温度传感器测得水温大于5℃时，关闭第一水泵，冷却水不在循环流动；当第一温度传感器测得温度小于23℃且第二温度传感器测得水温小于5℃时，第一水泵，第一阀门、第三阀门开启，使冷却水缓慢流动，防止结冻。余热采暖系统：当第二热电偶所测温度大于35℃时，第二水泵、第七阀门和第十三阀门开启，其余阀门关闭，由土壤换热器直接采暖；当第二热电偶所测温度小于35℃时，第七阀门和第十三阀门关闭，第二水泵、第三水泵、第八阀门、第九阀门、第十阀门、第十一阀门和第十二阀门开启，由土壤源热泵为用户采暖。
综上所述，该系统在非采暖季的土壤储存的余热量等于采暖季所需的采暖量。非采暖季，该系统通过冷却水循环吸收并转移余热，提高了光电效率，并进行余热的土壤蓄热满足采暖季所需的热量，富余余热在7月～8月转移到水箱，通过水箱吸热降低光伏板温度，同时提供生活热水。
本实用新型通过冷却水的循环流动，水箱和土壤的储热及时将光伏余热进行转移，使光伏板背部温度维持恒定，保证光电转换效率为所需最大，同时为保证系统较高的热能利用率，将余热进行季节性储存利用，使非采暖季土壤蓄热量满足采暖季用户所需的供暖热量，从而提高了系统的综合效率。
附图说明
图1是4月～10月典型日光伏背板温度变化曲线图；
图2是背板温度的变化与光电转换效率之间的关系图；
图3是本实用新型的原理结构示意图；
图中标号分别为：1-太阳能光伏板、2-集热器、3-水箱、4-分水箱、5-土壤换热器、6-集水器、7-热泵机组、8-散热器、9-第一水泵、10-第二水泵、11-第三水泵、12-第一阀门、13- 第二阀门、14-第三阀门、15-第四阀门、16-第五阀门、17-第六阀门、18-第七阀门、19-第八阀门、20-第九阀门、21-第十阀门、22-第十一阀门、23-第十二阀门、24-第十三阀门、25-第一温度传感器、26-第二温度传感器、27-第一热电偶、28-第二热电偶、29-换热盘管、30-水位传感器。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例对本实用新型进行详细的描述。
如图3所示，本实用新型提供了一种提高光电转换效率的光伏光热系统。该系统包括三个系统分别为太阳能光伏发电系统，光伏余热利用系统和余热采暖系统。所述太阳能光伏发电系统包括太阳能光伏板1、逆变器、控制器、蓄电池等，在太阳能光伏板1平行的平面安装太阳能辐射表测量太阳辐射量。
所述光伏余热利用系统包括集热器2、水箱3、分水器4、土壤换热器5、集水器6、第一水泵9等。通过管道将土壤换热器5、第二热电偶28、分水器4、第五阀门16、第一水泵 9、集热器2、第一热电偶27、第六阀门17、集水器6依次连接为循环回路，水箱3内的换热盘管29分别通过第一阀门12和第三阀门14与第一热电偶27和第一水泵9入口连接。
所述余热采暖系统包括热泵机组7、第二水泵10、第三水泵11、散热器8等。热泵机组 7的蒸发器分别通过第八阀门19、第二水泵10和第九阀门20与分水器4出口和集水器6入口相连，第八阀门19靠近热泵机组7蒸发器，热泵机组7的冷凝器、第十阀门21、散热器8、第十二阀门23、第三水泵11和第十一阀门22通过管道依次连成循环回路，散热器8分别通过第七阀门18和第十三阀门24与第二水泵10出口和集水器6入口相连。
所述太阳能光伏板1平行平面安装有太阳能辐射表测量太阳辐射量。
所述集热器2内安装第一温度传感器25，实时监测集热器2内的水温，并控制第一水泵 9的转速，改变循环流量的大小，使集热器2内水温维持为23℃，使得光电转换效率持续保持18％。
所述水箱3分别通过第二阀门13和第四阀门15与自来水进水管和生活热水的出水管相连。
所述水箱3内设有第二温度传感器26，实时监测水箱3内的水温，并控制第二阀门13 的开启和关闭。
所述水箱3内设有水位传感器30，实时监测水箱内的水位高低，并控制第二阀门的启闭。
太阳能辐射表测得太阳辐射强度为0时，冷却水不循环。太阳能辐射表测得太阳辐射强度不为0时，本实用新型的不同时期的具体运行方式如下：
(1)非采暖季
水箱内的水位始终保持最高水位。
4月～6月和9月～10月：当第一温度传感器25测得温度大于23℃且第一热电偶27测得温度大于22℃时，第一水泵9、第五阀门16、第六阀门17开启，其余阀门全部关闭，通过土壤转移并储存光伏余热，第一温度传感器25控制第一水泵9的转速，改变循环流量，以维持集热器2内的水温为23℃，即始终保证光电转换效率为18％；当第一温度传感器25测得温度大于23℃且第一热电偶27测得温度小于22℃时，第一阀门12、第三阀门14和第一水泵9开启，其余阀门全部关闭，第一温度传感器25控制第一水泵9的转速，水箱转移并储存光伏余热，以保证光电转换效率为所需最大值；当第一温度传感器25测得温度小于23℃，第一水泵及所有阀门全部关闭，冷却水停止循环流动。
7月～8月：当第一温度传感器25测得温度小于23℃时，阀门全部关闭，冷却水不循环流动；当第一温度传感器25测得温度大于23℃且第一热电偶27测得温度小于22℃时：第一水泵9、第一阀门12、第三阀门14开启，其余阀门关闭，第一温度传感器25控制第一水泵 9的转速，通过水箱蓄热来降低并维持光伏板温度恒定，实现最大光电转换效率；当第一温度传感器25测得温度大于23℃且第一热电偶27测得温度大于22℃时：第一水泵9、第一阀门12、第三阀门14、第五阀门16、第六阀门17开启，其余阀门关闭，第一温度传感器25 同时控制水箱3和集水器4出水量的混合比和第一水泵9的转速，通过水箱蓄热和土壤吸热带走光伏余热，从而维持集热器2内的水温为23℃，当第二温度传感器26测得水箱3内水温为50℃时，关闭第一阀门12和第三阀门14，水箱不再提供余热转移，同时可以提供生活热水。
(2)采暖季
11月～3月：余热利用系统：确定余热转移之初水箱内的水位为最低水位，由水位传感器 30控制第二阀门13的启闭，使水箱3中的水位始终处于水位范围内。当第一温度传感器25 测得水温大于23℃时，第五阀门16和第六阀门17关闭，第一水泵9、第一阀门12和第三阀门14开启，通过第一温度传感器25控制第一水泵9的转速，改变循环流量，通过第二温度传感器26控制第二阀门13的启闭，通过补给自来水来控制水箱3内水温为13℃；当第一温度传感器25测得温度小于23℃且第二温度传感器26测得水温大于5℃时，关闭第一水泵9，冷却水不在循环流动；当第一温度传感器25测得温度小于23℃且第二温度传感器26测得水温小于5℃时，第一水泵9，第一阀门12、第三阀门13开启，使冷却水缓慢流动，防止结冻。
余热采暖系统：当第二热电偶28所测温度大于35℃时，第二水泵10、第七阀门18和第十三阀门24开启，其余阀门关闭，由土壤换热器直接采暖；当第二热电偶28所测温度小于35℃时，第七阀门18和第十三阀门24关闭，第二水泵10、第三水泵11、第八阀门19、第九阀门20、第十阀门21、第十一阀门22和第十二阀门23开启，由土壤源热泵为用户采暖。

Claims (7)

1.一种提高光电转换效率的光伏光热系统，其特征在于：包括三个系统分别为太阳能光伏发电系统，光伏余热利用系统和余热采暖系统；所述太阳能光伏发电系统包括太阳能光伏板(1)、逆变器、控制器、蓄电池等；所述光伏余热利用系统包括集热器(2)、水箱(3)、分水器(4)、土壤换热器(5)、集水器(6)、第一水泵(9)等；所述余热采暖系统包括热泵机组(7)、第二水泵(10)、第三水泵(11)、散热器(8)等；其特征在于：
所述光伏余热利用系统通过管道将土壤换热器(5)、第二热电偶(28)、分水器(4)、第五阀门(16)、第一水泵(9)、集热器(2)、第一热电偶(27)、第六阀门(17)、集水器(6)依次连接为循环回路，水箱(3)内的换热盘管(29)分别通过第一阀门(12)和第三阀门(14)与第一热电偶(27)和第一水泵(9)入口连接，水箱(3)分别通过第二阀门(13)和第四阀门(15)与自来水进水管和生活热水的出水管相连；
所述热泵机组(7)的蒸发器分别通过第八阀门(19)、第二水泵(10)和第九阀门(20)与分水器(4)出口和集水器(6)入口相连，第八阀门(19)靠近热泵机组(7)蒸发器，热泵机组(7)的冷凝器、第十阀门(21)、散热器(8)、第十二阀门(23)、第三水泵(11)和第十一阀门(22)通过管道依次连成循环回路，散热器(8)分别通过第七阀门(18)和第十三阀门(24)与第二水泵(10)出口和集水器(6)入口相连。
2.根据权利要求1所述提高光电转换效率的光伏光热系统，其特征在于：所述太阳能光伏发电系统中太阳能光伏板(1)平行平面处安装有太阳能辐射表测量太阳辐射量。
3.根据权利要求1所述提高光电转换效率的光伏光热系统，其特征在于：所述光伏余热利用系统中集热器(2)内安装第一温度传感器(25)，实时监测集热器(2)内的水温，并控制第一水泵(9)的转速，改变循环流量的大小，使集热器(2)内水温维持为23℃，使得光电转换效率持续保持18％。
4.根据权利要求1所述提高光电转换效率的光伏光热系统，其特征在于：所述光伏余热利用系统中水箱(3)内设有第二温度传感器(26)，实时监测水箱(3)内的水温，并控制第二阀门(13)的开启和关闭。
5.根据权利要求1所述提高光电转换效率的光伏光热系统，其特征在于：所述光伏余热利用系统中水箱(3)内设有水位传感器(30)，实时监测水箱内的水位高低，并控制第二阀门(13)的开启与关闭。
6.根据权利要求1所述提高光电转换效率的光伏光热系统，其特征在于：所述光伏余热利用系统中第一水泵(9)为变频泵。
7.根据权利要求1所述提高光电转换效率的光伏光热系统，其特征在于：所述光伏余热利用系统中集热器(2)为扁盒式铝合金集热板。
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