專利名稱：太陽能熱泵制熱與光伏發(fā)電一體化裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明將熱泵熱水裝置與太陽能光伏發(fā)電組件結合為一體，利用太陽能同時高效地輸出電能和熱能，涉及太陽能光伏發(fā)電技術、太陽能熱利用技術與熱泵技術。
背景技術：
在能源危機和環(huán)保的雙重制約下，建筑節(jié)能問題得到世界各國政府的重視。太陽能是一種安全環(huán)保的可再生能源，其光電、光熱的全方位綜合應用來構筑生態(tài)建筑是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。熱泵在獲得較低品味的熱量如生活熱水，建筑供熱以及低溫干燥等方面有著較高的效率和獨特的優(yōu)勢，正在越來越廣泛的應用于工業(yè)和民用等領域。將太陽能光電、光熱利用與熱泵技術結合起來，可以最大限度地提高太陽能系統(tǒng)的利用效率和穩(wěn)定性，滿足建筑的能源供應和健康舒適環(huán)境的需求。
太陽能光伏發(fā)電在我國，尤其是太陽能資源豐富的西部偏遠地區(qū)，具有廣闊的發(fā)展前景。目前，太陽能光伏系統(tǒng)主要存在光電轉(zhuǎn)換效率較低和發(fā)電成本相對較高的問題。實際應用中，光伏電池工作時，只有6～15％左右的太陽能轉(zhuǎn)換為電能輸出，而剩下的85％以上都轉(zhuǎn)換為熱能。一方面，不及時帶走這部分熱量會使光伏電池的溫度升高，導致光電轉(zhuǎn)換效率下降。研究表明，溫度每升高1℃，轉(zhuǎn)換效率平均下降0.4～0.5％。目前普遍采用的散熱方式是以空氣或水作為冷卻介質(zhì)，其效果并不十分顯著。因此，研究高效率的散熱系統(tǒng)對光伏發(fā)電系統(tǒng)整體效率的提高具有重要作用。另一方面，我們生活中需要大量的低品位的熱能，如供暖、洗浴用熱水等，如果將光伏電板產(chǎn)生的這部分熱量有效地利用到建筑物的熱需求中，避免使用電加熱和燃料燃燒等方式，既節(jié)省了大量的高品位能源，又減少排放，保護了環(huán)境。
在太陽能熱利用方面，其技術已日趨成熟，太陽能熱水器在我國已形成產(chǎn)業(yè)化。但是，由于太陽能熱流密度低，受季節(jié)和天氣影響較大，在陰雨天和冬季，太陽能熱水器常常需要電輔助加熱。在建筑物的供熱方面，傳統(tǒng)的太陽能系統(tǒng)更是難以滿足全天候供熱，而且較大的采暖熱負荷使得系統(tǒng)體積龐大。這都使太陽能直接熱利用系統(tǒng)在應用上受到一定的限制。熱泵技術利用少量高品位的電能作為驅(qū)動能源，從低溫熱源高效吸取低品位熱能，并將其傳輸給高溫熱源，從而轉(zhuǎn)能質(zhì)系數(shù)低的能源為能質(zhì)系數(shù)高的能源。因此，將太陽能熱利用與熱泵技術有機結合起來，以太陽能作為熱泵系統(tǒng)的低溫熱源，既能提高系統(tǒng)的整體能源利用效率，又能有效克服太陽能的稀薄性和間歇性的缺點，同時可以減小集熱組件的尺寸和體積。

發(fā)明內(nèi)容
技術問題本發(fā)明的目的是提供一種太陽能熱泵制熱與光伏發(fā)電一體化裝置，該裝置的制熱效率遠高于電熱水器和燃氣熱水器，短時間內(nèi)加熱的能力較高，同時能有效提高光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
技術方案本發(fā)明的方法是使制冷劑流體直接在太陽能光伏電板中蒸發(fā)吸熱，同時經(jīng)過熱泵循環(huán)，在高溫冷凝側釋放熱量，將太陽能高效地轉(zhuǎn)化為電能和熱能。
本發(fā)明是直接膨脹式太陽能熱泵熱水裝置與太陽能光伏組件有機結合的一體化裝置。目的是使光伏電池在制冷劑相變冷卻方式下獲取更高的光電轉(zhuǎn)換效率；同時，經(jīng)過高效的熱泵循環(huán)將太陽能光伏/集熱板的熱量進行溫度提升，進行建筑物供暖、供熱水等熱量需求，實現(xiàn)太陽能光電光熱多層次的高效利用。
該一體化裝置由壓縮機、冷凝器、儲液器、熱力膨脹閥、太陽能光伏/集熱板、水泵、水箱以及連接管道組成；太陽能光伏/集熱板的正面為光伏電池，太陽能光伏/集熱板上設有蒸發(fā)盤管，壓縮機的吸氣口與太陽能光伏/集熱板內(nèi)蒸發(fā)盤管的制冷劑出口相連，壓縮機的排氣口與冷凝器的制冷劑入口相連，冷凝器的制冷劑出口經(jīng)儲液器與熱力膨脹閥連接，熱力膨脹閥的另一端連接太陽能光伏/集熱板中蒸發(fā)盤管的制冷劑入口；冷凝器的水入口和出口分別與水箱連接。
使用太陽能光伏/集熱板作為熱泵的蒸發(fā)器，光伏電池層壓在太陽能光伏/集熱板的正面，蒸發(fā)盤管設在太陽能光伏/集熱板的夾層中。
工作過程如下太陽能光伏/集熱板表面的光伏電池將一部分太陽能轉(zhuǎn)換為電能輸出；同時，制冷劑液體在光伏/集熱板內(nèi)的蒸發(fā)盤管中吸取太陽輻射能而汽化，制冷劑氣體進入壓縮機，升溫升壓后進入冷凝器中放熱冷凝為高溫高壓的液體，放出的熱量被水吸收，水的溫度升高后進入水箱中，經(jīng)過冷凝器冷凝后的高溫高壓液體制冷劑流經(jīng)儲液器，再進入膨脹閥降溫降壓后變?yōu)榈蜏氐蛪阂后w進入太陽能光伏/集熱板，這樣完成一個循環(huán)。
本發(fā)明太陽能熱泵制熱與光伏發(fā)電一體化裝置中，太陽能光伏/集熱板也作為熱泵的蒸發(fā)器。光伏/集熱板表面壓的光伏電池將一部分太陽能轉(zhuǎn)換為電能輸出；同時，制冷劑直接在光伏電板夾層的蒸發(fā)盤管中吸收太陽能熱量而蒸發(fā)，然后通過壓縮機升溫升壓后，進入水冷冷凝器釋放熱量來加熱熱水，最后經(jīng)過膨脹閥降溫降壓后回到光伏/集熱蒸發(fā)器，形成一個熱泵循環(huán)。獲取的熱水可用于建筑物供暖和生活熱水的供應。
有益效果1、將熱泵熱水裝置與太陽能光伏組件有機結合，既充分利用太陽能輸出高品位的電能，也有效地利用其轉(zhuǎn)換的熱能，實現(xiàn)了太陽能光電、光熱的多梯度的綜合利用。同時，一體化的裝置提高了設備利用率，降低系統(tǒng)初投資。
2、制冷劑直接在太陽能光伏/集熱板中吸收熱量蒸發(fā)，大大降低了光伏電池的工作溫度，提高了光伏電池的效率。這與傳統(tǒng)的用水或空氣來冷卻相比，具有更好的冷卻效果。
3、利用制冷劑在低溫下蒸發(fā)吸收太陽輻射能，通過壓縮機升溫升壓后在冷凝器中放出熱量，獲取熱水。該熱水裝置的效率遠高于電熱水器和燃氣熱水器，而且短時間內(nèi)加熱的能力較高，可以連續(xù)提供熱水。


圖1是本發(fā)明的總體結構示意圖。其中有壓縮機1，冷凝器2，儲液器3，熱力膨脹閥4，太陽能光伏/集熱板5，水泵6，水箱7。
圖2是圖1中A-A-向的剖面圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的一體化裝置由壓縮機1、冷凝器2、儲液器3、熱力膨脹閥4、太陽能光伏/集熱板5、水泵6、水箱7以及連接管道組成；太陽能光伏/集熱板5的正面為光伏電池9，太陽能光伏/集熱板5上設有蒸發(fā)盤管8，壓縮機1的吸氣口與太陽能光伏/集熱板5內(nèi)蒸發(fā)盤管8的制冷劑出口相連，壓縮機1的排氣口與冷凝器2的制冷劑入口相連，冷凝器2的制冷劑出口經(jīng)儲液器3與熱力膨脹閥4連接，熱力膨脹閥4的另一端連接太陽能光伏/集熱板5中蒸發(fā)盤管8的制冷劑入口；冷凝器2的水入口和出口分別與水箱7連接。
使用太陽能光伏/集熱板5作為熱泵的蒸發(fā)器，光伏電池9層壓在太陽能光伏/集熱板5的正面，蒸發(fā)盤管8設在太陽能光伏/集熱板5的夾層中。冷凝器2使用高效的逆流套管換熱器，實現(xiàn)高的換熱效率。太陽能光伏/集熱板5類似于冰箱蒸發(fā)器的結構形式，即鋁片夾銅管。不同的是，正面層壓有單晶硅或多晶硅的光伏電池9，以接受太陽輻射高效地轉(zhuǎn)換為電能輸出。光伏/集熱板夾層設有的銅管作為熱泵的蒸發(fā)盤管8，同時鋁板的表面有增強太陽輻射吸收的涂層，從而使流經(jīng)蒸發(fā)盤管的制冷劑可以高效率地吸收太陽輻射能。
太陽能光伏/集熱板5采用無玻璃蓋板和無隔熱層的結構型式，系統(tǒng)的造價降低。制冷劑直接在太陽能光伏/集熱板中蒸發(fā)，可以使太陽能光伏/集熱板的溫度降低到環(huán)境溫度以下，因而即使不使用玻璃蓋板和隔熱層，也可以獲得較高的光電轉(zhuǎn)換效率和集熱效率。在太陽能輻射不是很強時，制冷劑甚至可以通過對流從空氣中獲取一部分熱量。
該裝置的光伏系統(tǒng)中，輸出的直流電可通過逆變電源轉(zhuǎn)換為交流電，供交流負荷使用。并且可設置控制器和蓄電池，一方面對所發(fā)的電能進行調(diào)節(jié)和控制，另一方面把多余的電能送往蓄電池組儲存，以便在夜間或陰雨天保證負載用電。
該裝置熱泵系統(tǒng)中壓縮機1，冷凝器2，太陽能光伏/集熱板5，水泵6設置在室外，即運轉(zhuǎn)部分設置在室外，只將水箱7設置在室內(nèi)。熱泵裝置全部在工廠組裝，調(diào)試完畢，安裝時室內(nèi)與室外只有水管的連接，對安裝的技術要求降低。消除運轉(zhuǎn)時的噪音。
權利要求
1.一種太陽能熱泵制熱與光伏發(fā)電一體化裝置，其特征在于該裝置由壓縮機(1)、冷凝器(2)、儲液器(3)、熱力膨脹閥(4)、太陽能光伏/集熱板(5)、水泵(6)、水箱(7)以及連接管道組成；太陽能光伏/集熱板(5)的正面為光伏電池(9)，太陽能光伏/集熱板(5)上設有蒸發(fā)盤管(8)，壓縮機(1)的吸氣口與太陽能光伏/集熱板(5)內(nèi)蒸發(fā)盤管(8)的制冷劑出口相連，壓縮機(1)的排氣口與冷凝器(2)的制冷劑入口相連，冷凝器(2)的制冷劑出口經(jīng)儲液器(3)與熱力膨脹閥(4)連接，熱力膨脹閥(4)的另一端連接太陽能光伏/集熱板(5)中蒸發(fā)盤管(8)的制冷劑入口；冷凝器(2)的水入口和出口分別與水箱(7)連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的太陽能熱泵制熱與光伏發(fā)電一體化裝置，其特征在于使用太陽能光伏/集熱板(5)作為熱泵的蒸發(fā)器，光伏電池(9)層壓在太陽能光伏/集熱板(5)的正面，蒸發(fā)盤管(8)設在太陽能光伏/集熱板(5)的夾層中。
全文摘要
太陽能熱泵制熱與光伏發(fā)電一體化裝置涉及太陽能光伏發(fā)電技術、熱泵技術。目的在于使太陽能光伏組件獲取更高的光電轉(zhuǎn)換效率的同時，通過熱泵裝置有效地利用太陽輻射能進行建筑物供暖、供熱水等熱量需求，實現(xiàn)太陽能光電光熱多梯度的高效利用。該一體化裝置的太陽能光伏/集熱板(5)的正面為光伏電池(9)，太陽能光伏/集熱板上設有蒸發(fā)盤管(8)，壓縮機(1)的吸氣口與太陽能光伏/集熱板內(nèi)蒸發(fā)盤管的制冷劑出口相連，壓縮機的排氣口與冷凝器(2)的制冷劑入口相連，冷凝器的制冷劑出口經(jīng)儲液器(3)與熱力膨脹閥(4)連接，熱力膨脹閥的另一端連接太陽能光伏/集熱板中蒸發(fā)盤管的制冷劑入口；冷凝器的水入口和出口分別與水箱(7)連接。
文檔編號H01L31/058GK1862148SQ200610085449
公開日2006年11月15日 申請日期2006年6月16日 優(yōu)先權日2006年6月16日
發(fā)明者徐國英, 張小松 申請人:東南大學