一种热电耦合利用太阳能系统及方法与流程

本发明涉及太阳能光伏及热泵技术，尤其涉及一种热电耦合利用太阳能系统及方法。

背景技术：

太阳能是一种储量丰富的可再生能源，提高太阳能利用对于减少化石能源的污染问题、应对全球能源危机等都具有积极意义。

当前，太阳能利用主要包括太阳能发电和太阳能热利用等形式。太阳能发电主要采用光伏和光热两种形式。其中，对于光伏太阳能发电系统而言，光电转化效率目前仅为20％左右，因此，大部分太阳能仍然是以热能和反射等形式散失掉，而没有整整得到有效利用。为了提高光伏发电系统的太阳能利用效率，近年提出了PVT系统，即光伏光热联用系统，即利用光伏板的余热作为热水的加热器，产生热水，由于受到光伏板工作温度的限制，热水的温度不会太高，其可利用程度也受到限制，而且，再气温较低的季节和夜晚时间，由于光伏板温度较低，导致产生的热水不具有可利用性。为了进一步提高热水的品位，也有研究提出将从光伏板换热所得到的低品位的热水作为热泵系统的热源，利用热泵系统产生更高温度的热水，以提高整个系统的效率以及热水品位，但这种系统结构相对复杂，并不适合单个用户使用。

因此，如何提高光伏系统太阳能的综合利用效率，同时尽量避免系统的复杂性，并且实现在无太阳条件下继续满足热能系统利用，是PVT复合用能系统发展亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述问题，提供一种热电耦合利用太阳能系统及方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种热电耦合利用太阳能系统，包括光伏板蒸发器、压缩机、冷凝换热器、节流膨胀阀、蓄热水箱、水泵；光伏板蒸发器与压缩机、冷凝换热器、节流膨胀阀顺次连接构成热泵循环回路，水泵与冷凝换热器和蓄热水箱之间顺次串联连接构成热水通路；

光伏板蒸发器包括太阳能电池板、金属底板、工质管道；金属底板与太阳能电池板紧密贴合，金属底板内部设有工质管道，工质管道的进出口分别与节流膨胀阀和压缩机相连。

所述的金属底板设有向外凸出的翅片。

使用所述热电耦合利用太阳能系统的方法：光伏板蒸发器利用太阳能电池板吸收太阳光转化成电能发电，与此同时，部分太阳能转化成热能，使得金属底板的温度升高，金属底板通过的工质管道作为蒸发器，加热经节流膨胀阀流入的液体制冷剂蒸发吸热，再经压缩机升压升温，随后与冷凝换热器换热，加热水泵输送来的补水成热水，储存到蓄热水箱中，冷凝后的制冷剂流回节流膨胀阀开始新的循环。于此同时，利用金属底板上的翅片与周围空气换热，一方面满足在辐照不足时热泵系统运行过程中工质管道蒸发器换热需要的热量；另一方面满足工质管道蒸发器换热不足时避免太阳能电池板温度快速上升。

与现有技术相比，本发明的主要优点在于：

(1)本发明利用光伏板作为热泵系统的蒸发器，一方面简化了系统的结构，另一方面由于制冷剂的蒸发温度低，提高了光伏板的余热可利用温度范围，以保证低温条件下热泵系统仍然能够获得热水。

(2)热泵系统主要以利用光伏板的余热为主，从而改善了蒸发器的冬季结霜问题。

(3)本发明在光伏板的金属底板设有向外凸出的翅片，强化了与空气之间的换热，一方面保证了光伏板温度过高时的散热，以保证光电转化效率；另一方面保证了光伏板温度过低是热泵蒸发器与空气之间的吸热换热，提高热泵的效率。

附图说明

图1是热电耦合利用太阳能系统示意图；

图2光伏板蒸发器截面示意图；

图中：光伏板蒸发器1、压缩机2、冷凝换热器3、节流膨胀阀4、蓄热水箱5、水泵6、太阳能电池板7、金属底板8、工质管道9和翅片10。

具体实施方式

如图1所示，一种热电耦合利用太阳能系统，包括光伏板蒸发器1、压缩机2、冷凝换热器3、节流膨胀阀4、蓄热水箱5、水泵6；光伏板蒸发器1与压缩机2、冷凝换热器3、节流膨胀阀4顺次连接构成热泵循环回路，水泵6与冷凝换热器3和蓄热水箱5之间顺次串联连接构成热水通路；

光伏板蒸发器1包括太阳能电池板7、金属底板8、工质管道9；金属底板8与太阳能电池板7紧密贴合，金属底板8内部设有工质管道9，工质管道9的进出口分别与节流膨胀阀4和压缩机2相连。

所述的金属底板8设有向外凸出的翅片10。

使用所述热电耦合利用太阳能系统的方法：光伏板蒸发器1利用太阳能电池板7吸收太阳光转化成电能发电，与此同时，部分太阳能转化成热能，使得金属底板8的温度升高，金属底板通过的工质管道9作为蒸发器，加热经节流膨胀阀4流入的液体制冷剂蒸发吸热，再经压缩机2升压升温，随后与冷凝换热器3换热，加热水泵6输送来的补水成热水，储存到蓄热水箱5中，冷凝后的制冷剂流回节流膨胀阀4开始新的循环。

太阳能热泵热水系统的工作过程如下：

光伏板蒸发器1的太阳能电池板7吸收太阳光将太阳能转化成电能进行发电，与此同时，部分太阳能转化成热能，使得金属底板8的温度升高，金属底板通过的工质管道9作为蒸发器，加热经节流膨胀阀4流入的液体制冷剂蒸发吸热，再经压缩机2升压升温，随后与冷凝换热器3换热，加热水泵6输送来的补水成热水，储存到蓄热水箱5中，冷凝后的制冷剂流回节流膨胀阀4开始新的循环。于此同时，利用金属底板8上的翅片10与周围空气换热，一方面满足在辐照不足时热泵系统运行过程中工质管道9蒸发器换热需要的热量；另一方面满足工质管道9蒸发器换热不足时避免太阳能电池板7温度快速上升。

当太阳光充足时，随着太阳能电池板7的持续发热，金属底板8的温度通常高于环境温度，而工质管道9内的温度最低，此时在工质管道9内工质蒸发换热与太阳能电池板7的加热以及金属底板与环境之间的传热之间相互耦合，当翅片10部分温度高于环境温度是，金属底板8通过翅片10对空气散热，以减缓太阳能电池板7的温度上升速率，进而提高光电转化效率。

当太阳光不足或者无太阳光时，金属底板8的温度低于环境温度，此时金属底板8通过翅片10对空气吸热，以保证热泵能够稳定工作。

在冬季寒冷气候条件下，由于夜晚温度降低导致翅片10结霜时，此时热泵不能工作，随着白天太阳升起，太阳能电池板7吸收太阳能发电的同时，利用余热进行化霜，此时金属底板8的温度升高，热泵工作。