一种太阳能光电光热建筑一体化系统的制作方法

本发明涉及太阳能光电光热建筑一体化系统(bipv/t)，尤其是太阳能光伏/集热/地源热泵/温差发电的光电光热建筑一体化系统(即bipv/t复合系统)。

背景技术：

目前，商业化太阳能光伏电池有：光电转化效率为13％～17％的单晶硅光伏电池，光电转化效率为11％～15％的多晶硅光伏电池，光电转化效率为6％～8％的非晶硅光伏电池。对于太阳辐射总量，80％～90％的能量没有转化为电能，而是转化为热能或以电磁波形式辐射出去，使太阳能光伏电池温度升高。对于硅基太阳电池，随着温度升高，效率降低的幅度不断增大。研究表明，太阳能电池的理想工作温度为25摄氏度，每上升1℃，单晶硅太阳电池的效率降低0.3％～0.5％，多晶硅太阳电池的效率降低0.4％。同样，光伏阵列的使用寿命在较高的运行温度下也会缩短。太阳能光伏光热综合利用(pv/t)技术将太阳能光伏发电技术与太阳能集热技术有机结合。一方面，可以将太阳能转化为电能和热能，同时获得两种能量的收益，提高了系统太阳能的综合利用率；冷却流体可以将光伏电池的热量带走，从而达到对电池的冷却作用，提高其光伏发电效率和pv阵列寿命。另外，pv/t在建筑行业的应用，应该充分考虑其与建筑完美结合的可能性，兼顾节能和美观的要求。

pv/t集热器的热收集管径一般比较粗，与背板接触面小，不能有效地收集热量和降低pv板的温度；且冷热管设计不合理会产生温度梯度，造成电池板温度分布不均匀，降低了电池板的使用寿命。集热器较粗的集热管径和复杂的复合系统也造成pv/t构件过厚，质量过重，造成pv/t构件的安装施工困难，美学效果不佳，不利于实现与建筑的结合。

目前对于低品位余热的回收还相对比较欠缺，相对于髙品位能源(煤、石油、天然气等)而言,低品位余热在相同单位内包含的能量很低，利用难度大。但从能源利用的格局来看,低品位余热将作为产能和用能的关键环节，对节能减排战略的具体实施起到重要作用。如果能对收集热量进行充分回收利用，对于实现零能耗建筑有着重要的意义。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种轻薄、便于快速安装与更换的，均匀降温、高效集热、高效发电、温度可控的光电光热建筑一体化系统(即bipv/t复合系统)。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：一种太阳能光电光热建筑一体化系统，包括pv/t系统、地源热泵系统、中高温热泵系统、低温差发电系统、制冷系统、热水系统、采暖系统、除湿系统和控制系统。

优选地，pv/t系统包括pv/t组件,第一动力泵、第一膨胀阀、第一补液器和第一热交换器；

所述地源热泵系统包括室外系统、第二动力泵、第三膨胀阀、第四补液器、第三换热盘管和第一热交换器；

所述中高温热泵系统包括高温热泵、第一三通球阀、第二膨胀阀、第二补液器、第二换热盘管、第四换热盘管和第一热交换器，第二热交换器；

所述低温差发电系统包括第二热交换器、热端、冷端、冷却室、半导体热电器件、绝热层、电压变化及功率调节器和地源热泵；

所述制冷系统包括中高温热泵、第一三通球阀、第二补液器、第二膨胀阀、第七换热盘管、第四换热盘管和第二热交换器；

所述热水系统包括第八换热盘管、第二膨胀阀、冷热水管道和第二热交换器；

所述采暖系统包括第九换热盘管、第二三通球阀、第三补液器和第二热交换器；

所述除湿系统包括第二热交换器、除湿器、三通球阀、换热盘管、再生器和冷却器；

所述控制系统包括传感器、执行器，所述传感器包括温度传感器、压力传感器、监测仪、热敏电阻，所述执行器6包括第一三通球阀、第一动力泵、热泵。

优选地，所述pv/t系统、所述地源热泵系统、所述中高温热泵系统共享同一个第一热交换器；所述中高温热泵系统和所述制冷系统共享同一个中高温热泵和第二膨胀阀；所述中高温热泵、所述制冷系统、所述低温差发电系统、所述热水系统、所述采暖系统、所述除湿系统共享同一个第二热交换器。

优选地，所述冷却室包括散热翅片，与地源热泵相连的冷却盘管、泡沫金属复合相变材料，网状分布的高导热金属丝，泡沫金属复合相变材料的骨架为泡沫金属cu、ni或al，其相变材料为癸酸-月桂酸二元体系以及正己酸、苯甲酸乙酯、水杨酸甲酯、油酸、正十四烷或正十六烷及其混合物等添加剂，相变温度15℃左右。

优选地，所述pv/t组件包括电池组件、边框模块和集热模块，所述电池组件包括光伏电池片，所述边框模块包括边框，所述集热模块包括玻璃盖板、密封填充材料、导热材料、热收集毛细管、热传导液冷流管道、热传导液热流管道、热敏电阻和微型直流动力泵。

优选地，所述电池组件选择性地复合背板，电池组件复合背板时，集热模块直接与电池组件整合，电池组件没有复合背板时，电池组件背面增加电绝缘层，再与集热模块整合，整合电池组件和集热模块时，电池组件和集热模块之间涂抹导热硅胶以便排出滞留的空气。

优选地，所述集热模块包括双螺旋结构的热收集毛细管，所述双螺旋结构包括冷管、热管热传导液冷流管道、热传导液热流管道交替排布的双螺旋结构或者输入管道、输出管道交替排布的双螺旋结构。

优选地，所述热收集毛细管的输入端口、输出端口分别和热传导液冷流管道、热传导液热流管道对应连接；所述输入端口设置有微型直流动力泵，微型直流动力泵直接从电池板取电。

优选地，所述pv/t组件背面设有热敏电阻，并与微型直流动力泵连接，由所述控制系统监管和控制。

优选地，所述pv/t组件紧贴屋顶安装，由可调节的连接件实现组件与屋顶连接，所述连接件设有转动轴和分别在两个方向的第一滑槽和第二滑槽，pv/t组件通过所述转动轴实现转动调整，通过所述第一滑槽和第二滑槽实现上下左右的平移调整。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，有益效果是:

1.pv/t组件的优点：

(1)将太阳能光电与光热统一为一个整体，提高了整体的利用效率。

(2)pv/t组件分为三个模块，光伏电池组件、集热模块和边框模块。将散乱的各个零部件整合到各个模块中，减少安装程序、便于管理和增强美观效果。

(3)集热模块中的热收集毛细管呈冷热交替的双螺旋排布，实现了降温均匀，使整块电池板温度分布均匀，延长了使用寿命和提高发电效率；毛细管管径比较细，布满光伏板时，增大与其的接触面积，提高了集热效率；且管径较小的毛细管也减小了pv/t组件的厚度和质量，使pv/t组件变得轻、薄；用液体的导热材料浇注，填充热收集毛细管之间缝隙，在几乎不增加pv/t组件的厚度的情况下，提高了导热效率。轻薄型的pv/t组件能更好的实现与建筑的整合，实现pv/t与建筑的一体化。

(4)微型直流电动泵直接从电池板取电，缩短了电缆长度和减少电能损耗。可伸缩的热传导液管道连接件，保证了在生产或者安装误差下，热传导液管道也能正常连接。可调节的连接件保证了pv/t组件安装的便捷和准确性。

2.太阳能光伏/集热/地源热泵/温差发电一体化系统的优点

(1)中高温热泵制热温度高，可以提升能源品位，并具有实施简单、技术相对较成熟。得到的热量可以用于热水、温差发电、采暖和除湿等，为实现零能耗建筑提供了可能。温差发电结构紧凑、无磨损、无泄漏；清洁、无有害物质排放；无噪声污染；寿命长、可靠性高，是一种绿色环保的发电方式。交换器中热盘管第一时间把热量尽可能地交换给温度较低的盘管，保证较高的直接热交换效率；泡沫金属复合相变材料既增强导热又能储存热量，且热容大可以减小交换器的体积；高导热金属丝呈网状分布在热交换器中，加快导热的速度，增加导热效率，大大提升了交换器整体的换热效率。

(2)pv/t系统与地源热泵连接，实现了对进入太阳能电池板背板的导热液的温度的控制，使电池板在理想温度的状态下工作，提高发电效率；保证阴雨天气和晚上热利用末端(热水系统、除湿系统和温差发电系统等)能正常工作；地源热泵系统还能融化冬季太阳能电池板上的积雪，保证电池板正常工作。

(3)温差发电系统模块中热端表面为凹凸状，导热效率更高。冷端与冷却室相连，冷却室中的多孔状的散热翅片直接与冷却盘管相连，散热效率得到保证。泡沫金属复合相变材料和网状分布的高导热金属丝提高导热效率。

(4)制冷系统收集室内的热量，能再次用于热水系统、除湿系统和温差发电系统中，实现了资源的高效利用。并且与热水系统、除湿系统和温差发电系统共用一个高温热泵和膨胀阀，大大简化了线路的复杂程度，提高了系统的利用效率。

(5)整个系统的运营，由控制系统控制，更加具有精确性和实时性，能快速反馈系统的运营情况，并且对系统的运营进行精细化调整，保证系统的效率和建筑的舒适性。

综上，pv/t组件可以实现模块化生产，且此pv/t组件具有质轻、形薄的特点，更加利于生产、施工，可以紧贴屋面安装，同样适用于幕墙的应用，利于实现与建筑的一体化。由于此组件集热模块的新型结构使降温均匀，使用寿命也得到提高。

同时，具有一套完整的系统，不仅能满足热水的需求，还能满足冬季采暖，夏季制冷等等。且在满足系统的多功能的同时，尽量简化设备，提高系统的运行效率。实现精细化控制，使系统更加智能高效。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为太阳能光电光热建筑一体化系统(bipv/t复合系统)示意图；

图2a-2b为本发明中温差发电结构示意图；

图3为本发明中控制系统图；

图4为本发明中pv/t组件结构示意图；

图5为本发明中pv/t组件模块示意图；

图6a-6g为本发明中热收集毛细管结构示意图；

图7a-7d为本发明中pv/t组件连接说明图；

图8a-8b为本发明中热交换器结构示意图；

图8c为图8b中b-b方向剖视图；

图8d为热交换器中螺旋结构盘管示意图；

图9为本发明中pv/t组件与屋顶连接件构造图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

如图1所示，一种太阳能光电光热建筑一体化系统(bipv/t)，该系统包括pv/t系统、地源热泵系统、中高温热泵系统、低温差发电系统、制冷系统、热水系统、采暖系统、除湿系统和控制系统。

pv/t系统包括pv/t组件1,第一动力泵2、第一膨胀阀3、第一补液器4和第一热交换器5。

中高温热泵系统包括中高温热泵6、第一三通球阀24、第二膨胀阀26、第二补液器25、第二换热盘管8、第四换热盘管10和第一热交换器5，第二热交换器13；中高温热泵6将低温热能转变为高温热能后，更有利于利用。

结合图2所示，低温差发电系统包括第二热交换器13、热端14、冷端15、冷却室16、半导体热电器件22、绝热层23、电压变化及功率调节器和地源热泵17(41)；利用中高温热泵6提升的热量，保证热端14有较高的温度。当半导体热电器件中的温度不均匀时，温度高处的自由电子比温度低处的自由电子动能大，自由电子从温度高端向温度低端扩散，在低温端堆积起来，从而在导体内形成电场，在金属棒两端便引成一个电势差。

pv/t系统收集的热量为热端14提供热量，并且热端14与第二热交换器13内相变材料接触的表面为凹凸状，增大接触面积使导热效率更高，将p型和n型两种不同类型的热电材料(p型是富空穴材料，n型是富电子材料)一端相连形成一个pn结，热14端位于第二热交换器13中，冷端15位于冷却室16，其中，冷却室16，包括散热翅片18，与地源热泵41相连的冷却盘管19、泡沫金属复合相变材料20、网状分布的高导热金属丝21。冷却盘管19紧贴着多孔状的散热翅片18，在散热翅片18上有一些孔洞，增大散热翅片18与相变材料的接触面积。地源热泵41为冷却室16提供冷量。具体地，泡沫金属复合相变材料20的骨架为泡沫金属cu、ni或al，其相变材料为癸酸-月桂酸二元体系以及正己酸、苯甲酸乙酯、水杨酸甲酯、油酸、正十四烷或正十六烷及其混合物等添加剂，相变温度15℃左右。

制冷系统包括中高温热泵6、第一三通球阀24、第二补液器25、第二膨胀阀26、第七换热盘管27、第四换热盘管1和第二热交换器13；其与中高温热泵系统整合，使整个复合系统得到简化。制冷系统末端的第七换热盘管27收集室内的热量加以利用，同时降低室内温度。

热水系统包括第八换热盘管25、第二膨胀阀26’、冷热水管道和第二热交换器13；利用pv/t系统收集的热量，通过中高温热泵6提升温度后，用于热水的需求。

采暖系统包括第九换热盘管28、第二三通球阀29、第三补液器30和第二热交换器13；

除湿系统包括第二热交换器13、除湿器、三通球阀31、换热盘管11、再生器和冷却器16；除湿系统利用pv/t系统收集的热量通过中高温热泵6(18)升温后，对吸湿后的溶液加热，完成系统的循环。

如图3所示，控制系统包括传感器、执行器33，传感器包括温度传感器34、压力传感器35、监测仪36、热敏电阻，执行器33包括第一三通球阀24、第一动力泵2、热泵。通过安装在各处的传感器,控制系统能及时地反馈系统运行状况并通过执行器调节系统工作方式。

地源热泵系统包括室外系统(主要是地埋管、地埋管填料)、第二动力泵37、第三膨胀阀38、第四补液器39、第三换热盘管9和第一热交换器5；地源热泵系统与pv/t系统连接，可以控制太阳能电池板背板的温度；在阴雨天气和晚上太阳能电池板无法工作时，地源热泵17可以作为中高温热泵系统的热源。

pv/t系统、地源热泵系统、中高温热泵系统共享同一个第一热交换器5；中高温热泵系统和制冷系统共享同一个中高温热泵6和第二膨胀阀26；中高温热泵、制冷系统、低温差发电系统、热水系统、采暖系统、除湿系统共享同一个第二热交换器13。

pv/t系统收集pv/t组件1发电产生的热量，该热量通过热交换器5，被交换进入中高温热泵系统；携带该热量的工质，经过中高温热泵6压缩升温后变成高温高压液体，在通过第二热交换器13交换出热量释放出大量的高温热能，用于热水，温差发电、除湿和采暖等；工质完成热交换后，通过第二热交换器13再回到中高温热泵系统中，通过第二膨胀阀26释放热量膨胀后变成低温低压蒸气，通过第一三通球阀24和第二换热盘管8可实现对第一热交换器5进行降温；或者第一三通球阀24和第七换热盘管27可实现对房间进行降温，其收集的室内热量可以用来进行热水、温差发电和除湿等；再利用地源热泵系统17，可实现对第一热交换器5的温度控制，从而实现对回到pv/t系统导热液温度的控制；制冷系统27也整合到其中，满足夏季制冷需求；控制系统监控整个系统的运行状态。

结合图4和图5所示，pv/t组件1包括电池组件111、边框模块112和集热模块113，电池组件111包括光伏电池片1112，边框模块112包括边框1124，集热模块113包括玻璃盖板1131、密封填充材料1132、导热材料1133、热收集毛细管1134、热传导液冷流管道1135、热传导液热流管道1136、热敏电阻和微型直流动力泵1139。

电池组件111和集热模块113通过u型的边框1124整合为一体。电池组件111可以选择性地复合背板，电池组件111复合背板时，集热模块113直接与电池组件111整合，可以降低对背板材料的要求；电池组件111没有复合背板时，电池组件111背面增加电绝缘层23，再与集热模块113整合，这样可以对pv/t组件1的质量和厚度进行控制。整合电池组件111和集热模块113时，电池组件111和集热模块113之间涂抹导热硅胶，排出滞留的空气。电池组件111产生的电量可以直接加以利用，也可以并入电网。

集热模块113包括双螺旋结构的热收集毛细管1134，双螺旋结构为热传导液冷流管道1135、热传导液热流管道1136交替排布的双螺旋结构或者输入管道1137、输出管道1138交替排布的双螺旋结构，集热模块113包括导热系数高的材质(如纯铜、紫铜等)制成的阻力较小的圆管，实现均匀降温。集热模块113，可整合(或不整合)绝热层1140，绝热层1140(16)为eps、xps、vip、岩棉、玻璃棉或者酚醛泡沫。

如图6a-6g所示，热收集毛细管1134的螺旋结构可以有多种方式。图6a-6c由一根热收集毛细管1134循环排布为冷热管交替的同心圆螺旋结构，可以环绕成不同的形状，以适应不同形状的电池板；图6d由一根热收集毛细管1134冷热管交替并列排布；图6e由两根热收集毛细管1134并列排布，二者进水口和出水口的方向相反，以保证降温均匀；图6f在进水口处，热收集毛细管1134一分为二，并列螺旋排布，共用一个微型直流动力泵1139；图6g在与图6e不同的是，图6g中两根热收集毛细管1134分别一分为二，冷热管交替更为均匀。热收集毛细管1134的结构还可以在此基础上进行拓展，以保证均匀降温。

如图7a-7d所示，图8a展示的是在图6d中热收集毛细管1134的管道排布情况，其中的热传导液冷流管道1135、热传导液热流管道1136和热收集毛细管的输入端口1137热收集毛细管的输出端口1138被整合于边框模块112中。图8b展示的是pv/t组件1正面排布的状态，图8c是图8b的局部放大图：热传导液冷流管道1135的输入端口1125，热传导液热流管道1135的输出端口1126，热传导液热流管道的输入端口1122，热传导液热流管道的输出端口1123。电缆的接线端口1121。相邻两个组件之间的间隔空间可以安装微型逆变器1138，维修人员也可以利用这个空间进行维修。图8d是可伸缩的热传导液管道连接件，由带有螺纹的伸缩杆1240、1241垫片和1242锁紧螺母实现伸缩。

热收集毛细管1134的输入端口1137、输出端口1138分别和热传导液冷流管道1135、热传导液热流管道1136对应连接；热收集毛细管1134的输入端口1137还设置有微型直流动力泵1139，微型直流动力泵1139直接从电池板取电。

热收集毛细管1134为冷热交替的双螺旋结构，相应程度的倒角和适当增加管间距来减小导热液的循环阻力。填充毛细管缝隙的导热材料1133的熔点远远低于热收集毛细管1134的熔点，所以可以在排布好的热收集毛细管1134上直接浇注液态的导热材料1133，使二者紧密贴合。导热层下面可以复合绝热层1140，增加热收集的效率，也可以不复合绝热层1140，在热收集环路停止工作时，能通过自然通风来降低电池板背板温度。

边框模块112，整合了各种管线和接口，边框1124上设置有电缆1127的电路接触点1121和热传导液冷流管道的输入端口1122、输出端口1123，热传导液热流管道的输入端口1125、输出端口1126；电缆1127、热收集毛细管1134的输入端口1137、输出端口1138，热传导液冷流管道1135、热传导液热流管道1136和微型直流动力泵1139都整合于边框1124内；u型的边框1124还作为电池组件111和集热模块113的连接固定件。

如图8所示，第一热交换器5和第二13的构造示意，螺旋状的换热盘管排布情况如剖面图所示，其螺旋半径依次减小一个换热盘管的管径，实现紧贴排布，且接触面积较大，保证直接热交换效率；换热盘管在热交换器5从外到里的顺序是第三换热盘管9、第二换热盘管8、第一换热盘管7；换热盘管在热交换器13中从外到内的顺序中是第五换热盘管11、第四换热盘管10、第六换热盘管12。第二热交换器13和第一热交换器5中填充泡沫金属复合相变材料68，在交换器布有网状的高导热金属丝69，增强导热效率。其中，泡沫金属复合相变材料的骨架为泡沫金属cu、ni或al，其相变材料为石蜡、聚氧乙烯、结晶性脂方酸、烷烃或酯类及其混合物等，其相变温度为25℃左右。第二热交换器13与第一热交换器5的构造基本相同。

如图9所示，pv/t组件1与屋顶的连接件设有两个方向的第一滑槽60和第二滑槽61，在安装时可以实现两个方向的微调，使其与相邻组件对齐。在与屋顶的连接点上，设有转动轴62，可以实现第三个方向上的调节，使其与相邻组件平行或垂直。在转动轴62上加垫片，还可以实现第四个方向上的调节。pv/t组件1紧贴屋顶安装，由可调节的连接件实现组件与屋顶连接，保证安装的准确性。连接件设有转动轴62和两个方向的第一滑槽60和第二滑槽61，pv/t组件1可以通过转动轴实现转动调整，通过滑槽实现上下左右的平移调整。

pv/t组件1安装在幕墙上时，pv/t组件1固定于支撑钢架上。

本发明的太阳能光电光热建筑一体化系统的安装步骤：

第一步，在工厂把光伏电池组件111、边框模块112和集热模块113组装为一个整体，在光伏电池组件111背面抹上导热硅胶与集热模块113连接，再通过u型边框1124实现三者的整合。

第二步，pv/t组件1紧贴屋面安装。选定一个角安装连接件，先把连接件固定在屋顶，再把pv/t组件1半固定在连接件上。进行转动调整，使其与相邻组件平行或垂直；方向调整好后，通过滑槽60、61进行上下左右平移调整，使其与相邻组件在对齐。调整完成后，固定连接件上所有的可调节的连接点，安装其他三个角的连接件。

第三步，连接电缆和热传导液输送管道,连接预留在边框模块112上的电路接线端；可伸缩的热传导液管道连接件与pv/t组件1预留在边框上的接口1125相连，调整构件长度使其与下一个pv/t组件1的预留接口1126连接，都连接好后，拧紧自锁螺母1242，使每个连接点都固定住。将热传导液输送管道与热传导液总汇流管道连接。

第四步，把微型逆变器1138固定在pv/t组件1之间预留的空间，首先安装接线盒，将微型逆变器1138固定在支架上，进行相应的接线，将微型逆变器1138接地，最后与光伏板连接。

第五步，将pv/t组件1与集热系统相连，集热系统连接地源热泵系统和中高温热泵系统；将温差发电系统整合到系统中，分别与中高温热泵系统和地源热泵系统相连；再把热水系统、采暖系统、除湿系统和制冷系统整合到复合系统中。最后，每个系统设置相应的感应器和执行器，并将连接到控制系统，实现对整bipv/t复合系统的智能化管理和控制。

第六步，调试电路和热传导液输送线路等。打开开关，接通线路，看各个组件和系统是否能够正常运行。若发现有局部不能正常运行，检测组件是否损坏，或线路有无故障，查明原因后即可进行更换检修。

第七步，调试正常后，进行密封，防水及保护线路。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。