CN101557178A - 静态聚光光伏屋顶热电联产系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种静态聚光光伏屋顶热电联产系统。它包括静态聚光光伏屋顶构件，其特征在于：所述的静态聚光光伏屋顶构件上集成有一体化的聚光光伏、光热装置，其包括有与屋顶斜面形状吻合背板、在背板表层覆盖的保温隔热层、纵向并间隔嵌设在保温隔热层内的集热层、设于集热层表面的光伏组件和静态聚光器、背板四周的支撑框架和覆盖在支撑框架上的玻璃盖板，光伏组件通过供电线路与逆变器电信号连接；设于集热层内的集热管，与集热管联通的水冷却装置。该屋顶热电联产系统藉由水冷技术能提高光伏电池的转换效率，并能同时产生电能和热水，提高了太阳能的总利用率；此外通过聚光技术减少了光伏电池的使用面积，并能代替普通屋面板，直接与建筑墙体结合。

Description

静态聚光光伏屋顶热电联产系统

技术领域

本发明涉及太阳能利用的建筑一体化领域，尤指一种兼具太阳能光电和光热利用的屋顶热电联产系统。

背景技术

近年来，随着全球化石能源的紧缺和环境污染的日益严重，太阳能光伏发电技术得到了广泛的应用。太阳能光伏发电技术能够将太阳能转化成清洁的电能，而不会造成环境污染。太阳能光伏发电推广利用的最佳形式就是与公共电网并网并且与建筑结合，即光伏建筑一体化，这也符合国家可再生能源发展规划中光伏发电的发展方向。

在我国，太阳能光伏发电技术与屋顶的结合技术已经有了相当的发展，例如，合肥工业大学开发的屋顶太阳能光伏供电的建筑内照明标志系统(申请号为：03259134.9)，上海风光能源有限公司的一种光伏建筑一体化屋顶(申请号为：200810202039.6)，以及武汉日新科技有限公司的一种太阳能光伏屋顶系统(申请号分别为：200710052996.0和200720086530.8)和一种新型太阳能光伏屋顶系统(申请号为：200710052997.5)等。

同样，太阳能集热技术与屋顶一体化技术的研究已经取得了一定的成果，例如，一种太阳能热水器屋顶(申请号为：200720069595.1)，浙江大学开发的横向聚光太阳能集热屋面(申请号为：200610050335.X)和太阳能纵向聚光集热式屋面构件(申请号为：200610049846.X)等。

上述技术仅是光电或光热技术的单一应用，没有经过集成设计，只能单一地提供热水或者电能；同时光伏电池的冷却方式采用了空冷，冷却效果不够。

光伏光热一体化技术的研究也已经有了成果，太阳能建筑光电和光热复合装置(ZL专利号为：02111582.6)为我们提供了一种新型的复合屋顶，能够同时为用户提供热水和供电，中国科学技术大学开发的复合光伏热水建筑一体化构件及其制作工艺(申请号为：200610114391.5)可以直接与建筑墙体结合，作为墙体或屋顶，并且能同时产生热水和电能，但是上述两种技术均有一定的局限性：前者的太阳能热水系统与光伏系统是相互独立的，只有空气对光伏电池板进行冷却，对光伏电池板的性能有一定的影响，并没有实现真正意义上的光伏热水集成化设计；后者虽然集成设计了光伏热水建筑一体化系统，但是并没有采用聚光技术，光伏电池板工作在单倍的太阳辐射下。目前光伏电池板的价格依然很高，这对降低光伏组件的使用成本和光伏建筑一体化的推广应用显然是不利的。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种静态聚光光伏屋顶热电联产系统，以克服上述现有技术的结构及功能缺陷，使得太阳能利用建筑一体化中的屋顶部分藉由水冷技术提高光伏电池的转换效率，同时产生电能和热水，提高太阳能的总利用率；并能代替普通屋面板，直接与建筑墙体结合。

本发明的目的得以实现的技术解决方案是：

静态聚光光伏屋顶热电联产系统，它包括静态聚光光伏屋顶构件，其中所述的静态聚光光伏屋顶构件上集成有一体化的聚光光伏、光热装置，其包括有与屋顶斜面形状吻合背板、在背板表层覆盖的保温隔热层、纵向并间隔嵌设在保温隔热层内的集热层、设于集热层表面的光伏组件和静态聚光器、背板四周的支撑框架和覆盖在支撑框架上的玻璃盖板，光伏组件通过供电线路与逆变器电信号连接；设于集热层内的集热管，与集热管联通的水冷却装置。

进一步的，前述的静态聚光光伏屋顶热电联产系统，其中所述集热管中的冷却介质为水，水冷却装置包括上联箱、下联箱及热水下降管，集热管上、下端分别与上、下联箱相连通，以及相对于集热管位于背板另一侧且与上、下联箱相连的热水下降管，上联箱通过热水管路与热水箱及出水口相连，下联箱接设有补水管路，集热管与上联箱、下联箱、热水下降管构成自然水循环回路。

进一步的，前述的静态聚光光伏屋顶热电联产系统，其中所述静态聚光器的反光面为复合式抛物面结构，复合式抛物面结构分别安装于集热层表面的光伏组件两侧。

进一步的，前述的静态聚光光伏屋顶热电联产系统，其中所述集热层包含至少一根集热管，以及包覆其外的导热胶层，导热胶层与保温隔热层触接。

进一步的，前述的静态聚光光伏屋顶热电联产系统，其中所述集热层内的集热管为两根及两根以上时，所述集热管在集热层内为间隔布置，集热管之间及集热管与集热层间均设有导热胶层。

进一步的，前述的静态聚光光伏屋顶热电联产系统，其中所述每个静态聚光器空间范围内的光伏组件包含光伏电池，以及粘贴在光伏电池上下表层的两层绝缘材料层。

进一步的，前述的静态聚光光伏屋顶热电联产系统，其中所述上联箱、下联箱、热水下降管、热水管路、热水箱均设有保温、过滤机构。

更近一步地，前述静态聚光光伏屋顶热电联产系统结构，其中该光伏电池为片状整体长矩形、片状连续接合而成的长矩形、片状离散接合而成的填充形状。且离散接合情况下，片状光伏电池的俯视投影面为规则或非规则形状。

进一步的，前述的静态聚光光伏屋顶热电联产系统，其中所述静态聚光光伏屋顶构件直接作为屋顶，与建筑墙体结合。

较之于现有技术，本发明静电聚光光伏屋顶热电联产系统的优点在于：

(1)、在光伏建筑一体化中引入了静态聚光技术，既减少了光伏电池板的使用面积，也无须使用复杂的跟踪系统，降低了成本；

(2)、该系统实现了热电联产。太阳光照射到光伏电池表面，光伏电池将一小部分太阳能转化为电能，另外大部分热量被底部的集热管中的水吸收，可以同时发电和提供热水，提高了太阳能总利用率；

(3)、该静态聚光光伏屋顶实现了模块化，能够根据施工要求随意变换大小，且便于安装和维护，实现了代替普通屋顶瓦片，具有隔热保温、防水防潮和电气绝缘等功能；

(4)、通过集热管中的水对光伏电池进行冷却，提高了发电效率；

(5)、该热电联产系统中的水循环为自然循环，不会消耗额外的电能。

以下结合本发明一较佳实施例及其附图，对该静态聚光光伏屋顶热电联产系统的结构特征、工作方式及有益效果作进一步地详细说明。

附图说明

图1为本发明静态聚光光伏屋顶构件的结构示意图；

图2为图1的A-A剖视结构示意图；

图3为本发明静态聚光光伏屋顶构件在屋顶阳面上使用示意图；

图4为本发明屋顶热电联产系统建筑一体化后的结构示意图。

具体实施方式

本发明静态聚光光伏屋顶热电联产系统，是在屋顶结构上集成有一体化的聚光光伏、光热装置，其特别之处为：该静态聚光光伏屋顶热电联产系统从功能上划分主要包括聚光功能、光伏转换功能、自然水冷循环功能三个部分，其中聚光功能主要用于提升太阳辐照强度，为光伏转换提供转换的能源，而自然水冷循环功能主要用于吸收照射到光伏电池表面未转换成电能而变为热能的那部分太阳能，同时对光伏转换进行水冷。

如图1和图2所示本发明屋顶热电联产系统光伏集热系统的结构示意图及其A-A剖视图可见：该装置包括：玻璃盖板1、光伏组件2、静态聚光器3、集热层4、保温隔热层5、支撑框架6和背板7。其中背板7是沿屋顶斜面方向设置的，其上面覆盖着保温隔热层5；而在该保温隔热层5上呈纵向并间隔嵌设有集热层4和光伏组件2；再根据建筑施工的需要构建屋顶的主体形状、大小，并用支撑框架6固定，最后在其上整体装配玻璃盖板1。该集热层4本身由至少一根集热管8和导热胶层9组成，本实施例中每个静态聚光器空间范围内的集热管8为两根，并通过导热胶层9与保温隔热层5接触。

该静态聚光器3采用复合式抛物面分别安装在光伏组件2的两侧，且靠近光伏组件2的一端与集热层4接触或直接深埋其中。通过聚光技术，照射在光伏电池上的太阳辐照强度将可以提升至原来的2～3倍。此外，该光伏组件2包含光伏电池，以及粘贴在光伏电池上下表层的绝缘材料。通过供电线路14与逆变器13相连，对室内电器15供电(请参阅图4所示)，从形状上来看，该光伏电池为片状整体长矩形、由许多片状小矩形连续接合而成的长矩形、由许多片状不限形状且离散接合而成的填充形状，或其他片状任意形状，只要能以填充方式布满整个屋顶面即可。离散接合情况下，该片状光伏电池的俯视投影面为常规的几何规则形状或其它非规则形状。

如图3和图4所示本发明通过将集热管8设在屋顶的向阳坡面上，同时将热水下降管12设在背板7相对于集热管8的另一侧，形成一个自然动力的水冷循环系统。集热管8内的水被加热，且缓缓上升至上联箱10，与此同时，上联箱10内的水通过热水下降管12流至下联箱11，由此形成一个热水逐渐朝向上联箱10积聚并不断升温的水循环系统。为生活使用需要，该上联箱10还通过热水管路17与热水箱16及出水口18相连，其中该热水箱16用于存储达到一定使用水温标准的热水，并且该出水口18可以对应各种类型的水龙头或喷淋使用；且作为使用消耗的补充，该下联箱11还接设有补水管路19，冷水可以源源不断地得以补充，从而保证整个管路中有足够的循环水。

上述屋顶热电联产系统实际工作时，屋顶面直接接受太阳辐照的照射。其中一部分太阳能经光伏组件2转化为直流电，然后通过逆变器13转换成供电器使用的交流电，经供电线路14向室内电器15或电网供电。由于采用了聚光技术，能够使得光伏组件2转换所得的电能增大。另外，大部分太阳能被铺设在光伏组件2下部的集热管8中的水吸收，从而降低了光伏电池板的温度，提高了光电转换效率；热水经集热管8上升到上联箱10，上联箱10中的热水经由热水下降管12进入下联箱11，从而达到自然循环的目的，无需耗费额外的驱动能源。此外，为减少能量损失及提高水质，对上联箱10、下联箱11、热水下降管12、热水管路17、热水箱16等水循环需要流经的装置均采用保温性能较佳的外购保温材质制成(如铝及其制品或各种化学合成聚酯)，而对补水管路19的进水口(未图示)及热水管路17的出水口18通过水质过滤器或直接使用水质过滤管替换靠近进、出水口的原有管路进行出水质量的改善，使其能满足生活用水的洁净标准。

由上述结构及工作方式的介绍，不难发现，本发明静态聚光光伏屋顶热电联产系统在光伏建筑一体化中引入了静态聚光技术，既减少了光伏电池板的使用面积，也无须使用复杂的跟踪系统，降低了成本；而且通过水循环冷却光伏电池实现了热电联产，提高太阳能总利用率达60％左右，有效做到了减少环境污染，改善人居环境，切实提高了人们的生活质量。

Claims (9)

1.静态聚光光伏屋顶热电联产系统，它包括静态聚光光伏屋顶构件，其特征在于：所述静态聚光光伏屋顶构件上集成有一体化的聚光光伏、光热装置，其包括有与屋顶斜面形状吻合背板、在背板表层覆盖的保温隔热层、纵向并间隔嵌设在保温隔热层内的集热层、设于集热层表面的光伏组件和静态聚光器、背板四周的支撑框架和覆盖在支撑框架上的玻璃盖板，光伏组件通过供电线路与逆变器电信号连接；设于集热层内的集热管，与集热管联通的水冷却装置。

2.根据权利要求1所述的静态聚光光伏屋顶热电联产系统，其特征在于：所述集热管中的冷却介质为水，水冷却装置包括上联箱、下联箱及热水下降管，集热管上、下端分别与上、下联箱相连通，以及相对于集热管位于背板另一侧且与上、下联箱相连的热水下降管，上联箱通过热水管路与热水箱及出水口相连，下联箱接设有补水管路，集热管与上联箱、下联箱、热水下降管构成自然水循环回路。

3.根据权利要求1所述的静态聚光光伏屋顶热电联产系统，其特征在于：所述静态聚光器的反光面为复合式抛物面结构，复合式抛物面结构分别安装于集热层表面的光伏组件两侧。

4.根据权利要求1或2所述的静态聚光光伏屋顶热电联产系统，其特征在于：所述集热层包含至少一根集热管，以及包覆其外的导热胶层，导热胶层与保温隔热层触接。

5.根据权利要求1或2所述的静态聚光光伏屋顶热电联产系统，其特征在于：所述集热层内的集热管为两根及两根以上时，所述集热管在集热层内为间隔布置，集热管之间及集热管与集热层间均设有导热胶层。

6.根据权利要求1所述的静态聚光光伏屋顶热电联产系统，其特征在于：所述每个静态聚光器空间范围内的光伏组件包含光伏电池，以及粘贴在光伏电池上下表层的两层绝缘材料层。

7.根据权利要求6所述的静态聚光光伏屋顶热电联产系统，其特征在于：其中该光伏电池为片状整体长矩形、片状连续接合而成的长矩形、片状离散接合而成的填充形状，且离散接合情况下，片状光伏电池的俯视投影面为规则或非规则形状。

8.根据权利要求1所述的静态聚光光伏屋顶热电联产系统，其特征在于：所述上联箱、下联箱、热水下降管、热水管路、热水箱均设有保温、过滤机构。

9.根据权利要求1所述的静态聚光光伏屋顶热电联产系统，其特征在于：所述静态聚光光伏屋顶构件直接作为屋顶，与建筑墙体结合。

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