太阳能光电光热一体化组件及其太阳能热电联产系统

摘要

本发明涉及一种太阳能光电光热一体化组件及其太阳能热电联产系统，其特征是：包括一具有金属外框的光伏电池板，以及依次平行且重叠设置在光伏电池板背面的金属薄板式换热器和保温材料层；金属薄板式换热器和保温材料层通过金属固定夹快速固定在光伏电池板的金属外框内，可快速将标准的光伏电池板直接改造成光电光热一体化组件。本发明的光热光电一体化组件具有结构紧凑、效率高、压损小、重量轻巧、安装灵活、承压性高、耐腐蚀和低成本等特点。进而减少中低温太阳能热电系统的初投资和安装空间，降低系统的运行费用，适用于兼有热电需求的民用及工业场合。

说明书

技术领域

本发明涉及一种热电联产系统，特别涉及一种太阳能热电联产系统。

背景技术

冷热电联产是一种建立在能量梯级利用概念基础上，将制热（或制冷）及发电过程一体化的总能系统。其能够对不同品质的能量进行梯级利用，温度比较高的、具有较大可用能的热能用来被发电，而温度比较低的低品位热能则被用来供热或是制冷。这样做不仅提高了能源的利用效率，而且减少了碳化物和有害气体的排放，具有良好的经济效益和社会效益。

太阳能热电联产系统中采用光伏电池与太阳能热水器相结合的方式实现，其中，普通光伏电池组件的转换效率一般约为5～18%，转化率低、成本高；且当光伏电池组件的工作温度逐渐升高后，其光电转换效率降低，并影响电池堆的使用寿命；因此国内在此领域的实际使用较少，主要处于研究领域。若及时将光伏电池冷却，不仅能有效利用转换过程所产生的余热，而且可提高光电转换效率，从而提高单位面积的太阳能综合利用效率，大大降低光伏光热的成本，有利于大规模推广。

此外，目前国内外的中低温光电光热技术品种繁多，按照冷却光伏电池的方法主要可分为风冷式和液冷式两种：风冷式光电光热技术一般是通过自然对流或者辅助机械通风利用室外空气对光伏电池进行冷却。液冷式光电光热技术一般是在常规太阳能集热器的基础上，贴敷上一层光伏电池实现热电联供，其又可分为管板式、翼管式、蛇管式、扁盒式以及热管式。

虽然中低温的光电光热技术种类较多，但却有着各自的缺点：风冷式光电光热技术的热利用效率非常低，主要原因是因为空气的热力学属性较差，因此该技术只能非常有限地提升光电效率和太阳能综合利用效率；而且在某些场合该技术受限于建筑通风系统，应用范围较小。

液冷式光电光热技术的热利用效率一般相对而言比较高，这是由于液体（通常是水、丙酮、氨等作为介质）的较高热力学属性决定的。不过该技术依然存在许多的缺陷：所采用的集热结构复杂、造价高，且与光电板的接触热阻非常大，经常需要利用导热硅胶或者额外的激光焊接基板、包裹基板来解决集热结构与光电板之间的接触问题；此外通常这类集热结构的肋片效率非常较低（一般每隔一段距离铺设一段管路），并且工作介质的流动阻力（压力损失）一般较高。因此综上所述，该技术对光电效率和太阳能综合利用效率的提升能力亦有限，而且不适合大规模地工程推广。 

因此研发一种结构简单紧凑、热效率高、压损小且易于推广的太阳能热电联产系统势在必行，经检索相关文献，未发现与本发明技术方案相同的太阳能热电联产系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单紧凑、热效率高、压损小的太阳能热电联产系统，并能够方便现有太阳能热水系统的改造，降低成本，提高应用可行性。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种太阳能光电光热一体化组件，其创新点在于：包括依次重叠设置的光伏电池板、金属薄板式换热器和保温材料层；还包括一个用于安装光伏电池板、金属薄板式换热器和保温材料层的金属外框，该金属外框由侧框以及与侧框背面的背框构成；光伏电池板固定在金属外框的侧框内，并与背框之间留有用于安装金属薄板式换热器和保温材料层的间隙；金属薄板式换热器为一个与光伏电池板背面整体接触的平面金属板体，所述平面金属板体由两片平行设置的金属薄板通过全密封焊接构成，并具有一个换热介质紊流通道，以及具有至少一个与换热介质流道连通的工质进口和至少一个与换热介质流道连通的工质出口； 所述金属薄板式换热器和保温材料层通过金属固定夹与金属外框的背框配合快速固定在光伏电池板背面与金属外框之间；具体为：金属固定夹为一U形弹性金属件，保温材料层的侧边上分布有若干金属固定夹容纳腔，该U形弹性金属件内置于金属固定夹容纳腔；所述U形弹性金属件在金属薄板式换热器与保温材料层嵌入光伏电池板与背框之间后，一端抵住金属薄板式换热器，另一端抵住金属外框的背框，并通过弹性形变力将金属薄板式换热器的正面紧贴住光伏电池板的背面。

优选的，所述金属外框的侧框与背框可整体成形，也可以采用分体式，由螺栓或卡扣等连接固定。

优选的，所述金属薄板式换热器可通过连接管件依次串联或并联构成换热阵列。

优选的，所述平面金属板体的两片金属薄板中，一片为无波纹平面薄板，另一片为在内侧表面冲压成型出导流凸起或凸筋的波纹状薄板。

优选的，所述平面金属板体中的无波纹平面薄板紧贴光伏电池板背面，波纹状薄板紧贴保温材料层。

优选的，所述波纹状薄板为鼓泡式波纹，具体为：波纹状薄板的内侧面冲压成型有若干排均匀分布的导向凸起，且相邻排的导向凸起错开设置。

优选的，所述波纹状薄板为直条形波纹，具体为：波纹状薄板的内侧面自进液侧向出液侧冲压成型有若干相互平行设置的直条形导流凸筋，且所述相邻排导流凸筋的流道口错开设置。

优选的，所述波纹状薄板为人字形波纹，具体为：波纹状薄板的内侧面自进液侧向出液侧冲压成型有若干相互平行设置的人字形导流凸筋，所述相邻排导流凸筋的流道口错开设置。

优选的，在所述U形弹性金属件中抵住金属薄板式换热器的一端设置有金属薄片，该金属薄片的厚度小于U形弹性金属件的厚度，且连接有金属薄片的U形弹性金属件一端外表面与金属薄片外表面齐平。

优选的，所述U形弹性金属件中抵住金属薄板式换热器的一端，通过在该端内表面机加工切削出厚度小于弹性金属件厚度的金属薄片段。

还提供一种基于上述太阳能光电光热一体化组件的太阳能热电联产系统，其创新点在于：包括支架、太阳能光热光电一体化组件、工作介质循环系统和太阳能发电系统，太阳能光热光电一体化组件根据太阳高度角倾斜设置在支架上；其包括一具有金属外框的光伏电池板，以及依次平行且重叠设置在光伏电池板背面的金属薄板式换热器和保温材料层；太阳能发电系统包括太阳能充放电控制器、逆变器、蓄电池和并网逆变器，太阳能充放电控制器具有一个与太阳能光热光电一体化组件的光伏电池板接线端口电连接的充电接口，一个与蓄电池电连接的充放电接口，一个与并网逆变器连接的放电接口，以及一个与逆变器连接的放电接口；充电状态，由太阳能充放电控制器接通光伏电池板与蓄电池的连接，对蓄电池充电；用电状态，由太阳能充放电控制器根据光伏电池板与蓄电池的电压选用光伏电池板或蓄电池作为电源，并通过逆变器或并网逆变器放电；工作介质循环系统包括保温水箱、盘管换热器、循环泵、工质进口管路、工质出口管路，保温水箱内置一盘管换热器，盘管换热器的进液端通过工质进口管路与金属薄板式换热器的工质出口连通，盘管换热器的出液端通过工质出口管路与金属薄板式换热器的工质进口连通，工质出口管路上设置有循环泵，该循环泵由太阳能发电系统供电。

本发明的优点在于：金属薄板式换热器是由两片互相平行、一片具有不规则波纹表面的金属薄板相叠而成，板片之间形成不等截面的薄形流道，通过流通的工作介质与光伏电池背板直接进行热量交换。由于该换热器是平板式结构，可与光伏电池背板无缝贴合，完全消除了接触热阻的影响。在相同压力损失情况下，其传热系数比管板式集热结构高出3-5倍，热回收率可高达90%以上。

同时，金属固定夹采用铝合金、不锈钢等高强度金属一次压制成型的U形弹性金属件，具有良好的硬度、柔韧性、抗拉性、耐腐蚀、耐磨损等特点。该金属固定夹可将金属薄板式换热器直接扣牢在光伏电池的侧框与背板之间，实现换热结构与光伏电池背板的无缝紧密贴合，可实现现场直接将光伏电池板改造成光电光热一体化组件的目的，降低成本。整个接触过程不采用其他任何贴合材料，不仅减少了额外的热阻，亦降低了整个组件的造价。 

另外，U形弹性金属件的前端具有一个金属薄片，使其能够更好地压合金属薄板式换热器；同时，在拆卸时，能够利用金属薄片较弱的弹性形变力顺利夹取，进而方便使用工具钳等进行拆卸。 

金属外框的侧框与背框整体成形时，金属薄板式换热器略小于光伏电池板，以便顺利安装，而保温材料层于光伏电池板尺寸可一致，其可通过略微形变进行安装，组装方便、快捷；金属外框采用分体时，金属薄板式换热器、光伏电池板与保温材料层可做成一致的规格，且该分体形式有利于对现有光伏电池板进行改装。

波纹板片通常由厚度为0.5～3mm的不锈钢、铝、钛、钼等薄板冲制而成，可以任意根据光伏电池板的长宽尺寸定制。其换热系数高、压损小、高承压、耐腐蚀，且生产工艺简单，标准生产化程度高，成本低廉。通过使用各种不同形式的磨具可将金属薄板压成形状各异的波纹，并在波纹板片的两个角上开有四个角孔，作为工作介质的进出口通道。金属薄板的波纹形式主要有人字形波纹、直条波纹、横直波纹、梯形平直波纹、曲折形波纹和鼓泡型等。这些波纹设计构成了复杂的流道，使得工作介质在波纹板间流道内呈旋转三维流动，能在较低的雷诺数下产生紊流，所以该集热结构的传热系数较高。两个薄板片采用全焊接工艺密封工艺焊接而成（如氩弧焊），不采用任何非金属密封材料，因而有较高的耐温、耐压性能，可适用的工作温度和压力范围非常广泛。此外由于薄板均采用金属冲压加工而成，标准化生产程度高，大规模生产的价格比管板式约低40%-60%。

保温材料能够减少金属薄板式换热器向四周环境散失热量，以提高组件的集热效率。保温材料需要导热系数小、不吸水、有一定的硬度等特点，厚度一般为3-5厘米。常用的保温材料有聚苯乙烯、聚氨脂等。保温材料可根据工作介质不同的进出口管径进行开孔。

太阳能热电联产系统的光伏电池板输出电能，金属薄板式换热器内循环流动工作介质，完成与光伏电池交换热量并将其传递至保温水箱中储存；系统产生的部分电能被用来驱动循环泵工作，另一部分电能则用于并网或者储存至蓄电池中以满足额外的电力负载；同时，使得太阳能光伏电池板被冷却，光电效率提高、光伏电池使用寿命增加实现热点联产，大大提高资料的利用率。

附图说明

图1为本发明中太阳能光电光热一体化组件正视图。

图2为本发明中太阳能光电光热一体化组件剖面图。

图3为本发明中太阳能光电光热一体化组件后视图。

图4为本发明中太阳能光电光热一体化组件分解图。

图5为本发明中金属外框结构示意图。

图6为本发明中金属薄板式换热器、保温材料层以及金属固定夹安装金属外框内结构示意图。

图7为本发明中金属固定夹结构示意图。

图8为本发明中具有鼓泡式波纹的金属薄板式换热器三维剖视图。

图9为本发明中鼓泡型波纹状薄板正视图。

图10为本发明中具有鼓泡式波纹的金属薄板式换热器三维组装图。

图11为本发明中直条型波纹状薄板正视图。

图12为本发明中另一种实施方式的直条型波纹状薄板正视图。

图13为本发明中人字型波纹状薄板正视图。

图14为本发明中太阳能光电光热一体化组件垂直联接阵列。

图15为本发明中太阳能光电光热一体化组件水平联接阵列。

图16为基于上述太阳能光电光热一体化组件的太阳能热电联产系统原理图。

具体实施方式

实施例

请参阅图1、2、3、4，本发明揭示了一种太阳能光电光热一体化组件包括一光伏电池板20，以及依次平行且重叠设置在光伏电池板20背面的金属薄板式换热器18和保温材料层17。

还包括一个用于安装光伏电池板20、金属薄板式换热器18和保温材料层17的金属外框21，如图5所示，该金属外框21由侧框21a以及与侧框21a背面的背框21b构成。

光伏电池板20固定在金属外框21的侧框21a内，并与背框21b之间留有用于安装金属薄板式换热器18和保温材料层17的间隙。

金属薄板式换热器18为一个与光伏电池板20背面整体接触的平面金属板体，该平面金属板体由两片平行设置的金属薄板通过全密封焊接构成，并具有一个换热介质紊流通道，以及具有至少一个与换热介质流道连通的工质进口19和至少一个与换热介质流道连通的工质出口16；在太阳能光电光热一体化组件中光伏电池板20的上部还具有一个接线端口22，金属薄板式换热器18和保温材料层17的中间顶部均留空以便光伏电池板20的接线端口22接线所需。

金属薄板式换热器18和保温材料层17通过金属固定夹15与金属外框21的背框21b配合快速固定在光伏电池板20背面与金属外框21之间。

如图6所示，具体为：金属固定夹15为一U形弹性金属件，保温材料层17的侧边上分布有若干金属固定夹容纳腔，该U形弹性金属件内置于金属固定夹容纳腔； U形弹性金属件在金属薄板式换热器18与保温材料层17嵌入光伏电池板20与背框21b之间后，一端抵住金属薄板式换热器18，另一端抵住金属外框21的背框21b，并通过弹性形变力将金属薄板式换热器18的正面紧贴住光伏电池板20的背面。

作为本发明更具体的实施方式，如图7所示，在U形弹性金属件中抵住金属薄板式换热器18的一端设置有金属薄片18a，该金属薄片18a的厚度小于U形弹性金属件18的厚度，且连接有金属薄片18a的U形弹性金属件一端外表面与金属薄片18a外表面齐平。

作为本发明再更一步的实施方式，U形弹性金属件中抵住金属薄板式换热器18的一端，通过在该端内表面机加工切削出厚度小于弹性金属件厚度的金属薄片段。

另外，上述金属外框21的侧框21a与背框21b可整体成形，也可以采用分体式，由螺栓或卡扣等连接固定。整体成形时，金属薄板式换热器18略小于光伏电池板20，以便顺利安装，而保温材料层17于光伏电池板20尺寸可一致，其可通过略微形变进行安装，组装方便、快捷；金属外框21采用分体时，金属薄板式换热器18、光伏电池板20与保温材料层17可做成一致的规格，且该分体形式有利于对现有光伏电池板进行改装。

本实施例中，光伏电池板21、金属薄板式换热器18和保温材料层17为矩形，工质进口19和工质出口16分别有两个，并开在矩形的四角直角处。

为能在较低的雷诺数下产生紊流，提高金属薄板式换热器18的换热效率，金属薄板式换热器18平面金属板体的两片金属薄板中，一片为无波纹平面薄板24，另一片为在内侧表面冲压成型出导流凸起或凸筋的波纹状薄板25。本发明中的金属薄板式换热器18整体不采用任何非金属密封材料；波纹板片由厚度为0.5～3mm的不锈钢、铝、钛、钼等薄板冲制而成，可以任意根据光伏电池板的长宽尺寸定制，并通过使用不同形式的磨具压成形状各异的波纹。

为提高换热面积，平面金属板体中的无波纹平面薄板24紧贴光伏电池板21背面，波纹状薄板25紧贴保温材料层17。

如图8、9、10所示，该波纹状薄板25为鼓泡式波纹，具体为：波纹状薄板25的内侧面冲压成型有若干排均匀分布的导向凸起，且相邻排的导向凸起错开设置；无波纹平面薄板24的四周与波纹状薄板25四周全密封焊接后，形成一个在矩形内腔中分布导向凸起的换热介质紊流通道23。

本技术人员应当了解，这里波纹状薄板25的纹路仅仅是示意性的，不是局限性的。如图11、12所示，波纹状薄板为的纹路也可以是直条形波纹，具体为：波纹状薄板25的内侧面自进液侧向出液侧冲压成型有若干相互平行设置的直条形导流凸筋，且相邻排导流凸筋的流道口错开设置，这里的直条形导流凸筋可以根据安装需求平行或垂直设置。该具有垂直或平行直条形导流凸筋的波纹状薄板25与无波纹平面薄板24焊接后形成换热介质紊流通道28或换热介质紊流通道29。

另外，如图13所示，波纹状薄板25也可以为人字形波纹，具体为：波纹状薄板25的内侧面自进液侧向出液侧冲压成型有若干相互平行设置的人字形导流凸筋，相邻排导流凸筋的流道口错开设置，进而形成换热介质紊流通道30。

金属薄板式换热器可通过连接管件依次串联或者并联构成换热阵列。图14、15给出了太阳能光电光热一体化组件阵列的两种水平串联和垂直串联联接方式，其通过使用标准的管路连接件26连接构成换热矩阵。

如图16所示，本发明还公开了一种基于上述太阳能光电光热一体化组件的太阳能热电联产系统，其包括支架2、太阳能光热光电一体化组件1、工作介质循环系统和太阳能发电系统。

具体的：

太阳能光热光电一体化组件1根据太阳高度角倾斜设置在支架2上；其包括一具有金属外框21的光伏电池板20，以及依次平行且重叠设置在光伏电池板背面的金属薄板式换热器18和保温材料层17。

太阳能发电系统包括太阳能充放电控制器11、逆变器12、蓄电池13和并网逆变器14，太阳能充放电控制器11具有一个与太阳能光热光电一体化组件1的光伏电池板接线端口22电连接的充电接口，一个与蓄电池13电连接的充放电接口，一个与并网逆变器14连接的放电接口，以及一个与逆变器12连接的放电接口。

在充电状态，由太阳能充放电控制器11接通光伏电池板20与蓄电池13的连接，对蓄电池13充电；用电状态下，由太阳能充放电控制器11根据光伏电池板20与蓄电池13的电压选用光伏电池板20或蓄电池13作为电源，并通过逆变器12或并网逆变器14放电。

工作介质循环系统包括保温水箱6、盘管换热器5、循环泵3、工质进口管路4、工质出口管路9，保温水箱6内置一盘管换热器5，盘管换热器5的进液端通过工质进口管路4与金属薄板式换热器18的工质出口连通，盘管换热器5的出液端通过工质出口管路9与金属薄板式换热器19的工质进口连通，工质出口管路9上设置有循环泵3，该循环泵3由太阳能发电系统供电。另外，保温水箱6上设置补水阀门7和热水阀门8。当然，在保温水箱6内也相应设置有液位开关，以及根据液位开关信号自动控制补水阀门7启闭的控制器，此为太阳能热水器公知技术，这里不再赘述。

太阳能热电联产系统整体工作原理为：

太阳能光电光热一体化组件利用光伏电池板吸收太阳能之后产生电能，其产生的电能则通过电线10连接进入太阳能充放电控制器11，部分电能通过逆变器12转换电压供循环泵或其他负载使用，另一部分电能直接储存至蓄电池13中或者通过并网逆变器14直接输入公共电网。系统各组成部分容量按工程实际情况而定。

在吸收电能的同时，光伏电池板温度升高，温度较低的循环介质在循环泵3的作用下通过工质进口管路4进入光电光热一体化组件的金属薄板式换热器18，此时太阳能热量将由光伏电池板20传递至金属薄板式换热器18中温度较低的循环工作介质，循环介质温度上升后通过工质出口管路9返回至保温水箱6中的盘管式换热器5，与保温水箱中的低温冷水进行热交换，并将热量以热水的形式储存在保温水箱6中。将热量传递给水之后，工作介质温度降低，在循环泵3在作用下开始下一次的循环过程。当水箱水温达到用户所需水平之后，通过控制阀门8可将热水送至用户。当水箱水量消耗下降后，控制阀门7可开启进行冷水补给。