靜態聚光光伏屋頂熱電聯產系統的製作方法

2023-05-22 10:17:21

專利名稱：靜態聚光光伏屋頂熱電聯產系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及太陽能利用的建築一體化領域，尤指一種兼具太陽能光電和光 熱利用的屋頂熱電聯產系統。
背景技術：
近年來，隨著全球化石能源的緊缺和環境汙染的日益嚴重，太陽能光伏發 電技術得到了廣泛的應用。太陽能光伏發電技術能夠將太陽能轉化成清潔的電 能，而不會造成環境汙染。太陽能光伏發電推廣利用的最佳形式就是與公共電 網併網並且與建築結合，即光伏建築一體化，這也符合國家可再生能源發展規 劃中光伏發電的發展方向。
在我國，太陽能光伏發電技術與屋頂的結合技術已經有了相當的發展，例 如，合肥工業大學開發的屋頂太陽能光伏供電的建築內照明標誌系統(申請號
為03259134.9)，上海風光能源有限公司的一種光伏建築一體化屋頂(申請 號為200810202039.6)，以及武漢日新科技有限公司的一種太陽能光伏屋頂 系統(申請號分別為200710052996.0和200720086530.8)和一種新型太陽能 光伏屋頂系統(申請號為200710052997.5)等。
同樣，太陽能集熱技術與屋頂一體化技術的研究己經取得了一定的成果， 例如， 一種太陽能熱水器屋頂(申請號為200720069595.1)，浙江大學開發 的橫向聚光太陽能集熱屋面(申請號為200610050335.X)和太陽能縱向聚光 集熱式屋面構件(申請號為200610049846.X)等。上述技術僅是光電或光熱技術的單一應用，沒有經過集成設計，只能單一 地提供熱水或者電能；同時光伏電池的冷卻方式採用了空冷，冷卻效果不夠。
光伏光熱一體化技術的研究也已經有了成果，太陽能建築光電和光熱複合 裝置(ZL專利號為02111582.6)為我們提供了一種新型的複合屋頂，能夠同
時為用戶提供熱水和供電，中國科學技術大學開發的複合光伏熱水建築一體化
構件及其製作工藝(申請號為200610114391.5)可以直接與建築牆體結合， 作為牆體或屋頂，並且能同時產生熱水和電能，但是上述兩種技術均有一定的 局限性前者的太陽能熱水系統與光伏系統是相互獨立的，只有空氣對光伏電
池板進行冷卻，對光伏電池板的性能有一定的影響，並沒有實現真正意義上的
光伏熱水集成化設計；後者雖然集成設計了光伏熱水建築一體化系統，但是並 沒有採用聚光技術，光伏電池板工作在單倍的太陽輻射下。目前光伏電池板的 價格依然很高，這對降低光伏組件的使用成本和光伏建築一體化的推廣應用顯 然是不利的。

發明內容
本發明的目的在於提供一種靜態聚光光伏屋頂熱電聯產系統，以克服上 述現有技術的結構及功能缺陷，使得太陽能利用建築一體化中的屋頂部分藉由 水冷技術提高光伏電池的轉換效率，同時產生電能和熱水，提高太陽能的總利 用率；並能代替普通屋面板，直接與建築牆體結合。
本發明的目的得以實現的技術解決方案是
靜態聚光光伏屋頂熱電聯產系統，它包括靜態聚光光伏屋頂構件，其中所 述的靜態聚光光伏屋頂構件上集成有一體化的聚光光伏、光熱裝置，其包括有
5與屋頂斜面形狀吻合背板、在背板表層覆蓋的保溫隔熱層、縱向並間隔嵌設在 保溫隔熱層內的集熱層、設於集熱層表面的光伏組件和靜態聚光器、背板四周 的支撐框架和覆蓋在支撐框架上的玻璃蓋板，光伏組件通過供電線路與逆變器 電信號連接；設於集熱層內的集熱管，與集熱管聯通的水冷卻裝置。
進一歩的，前述的靜態聚光光伏屋頂熱電聯產系統，其中所述集熱管中的 冷卻介質為水，水冷卻裝置包括上聯箱、下聯箱及熱水下降管，集熱管上、下 端分別與上、下聯箱相連通，以及相對於集熱管位於背板另一側且與上、下聯 箱相連的熱水下降管，上聯箱通過熱水管路與熱水箱及出水口相連，下聯箱接 設有補水管路，集熱管與上聯箱、下聯箱、熱水下降管構成自然水循環迴路。
進一步的，前述的靜態聚光光伏屋頂熱電聯產系統，其中所述靜態聚光器 的反光面為複合式拋物面結構，複合式拋物面結構分別安裝於集熱層表面的光 伏組件兩側。
進一歩的，前述的靜態聚光光伏屋頂熱電聯產系統，其中所述集熱層包含 至少一根集熱管，以及包覆其外的導熱膠層，導熱膠層與保溫隔熱層觸接。
進一步的，前述的靜態聚光光伏屋頂熱電聯產系統，其中所述集熱層內的 集熱管為兩根及兩根以上時，所述集熱管在集熱層內為間隔布置，集熱管之間 及集熱管與集熱層間均設有導熱膠層。
進一步的，前述的靜態聚光光伏屋頂熱電聯產系統，其中所述每個靜態聚 光器空間範圍內的光伏組件包含光伏電池，以及粘貼在光伏電池上下表層的兩 層絕緣材料層。
進一步的，前述的靜態聚光光伏屋頂熱電聯產系統，其中所述上聯箱、下聯箱、熱水下降管、熱水管路、熱水箱均設有保溫、過濾機構。
更近一步地，前述靜態聚光光伏屋頂熱電聯產系統結構，其中該光伏電池 為片狀整體長矩形、片狀連續接合而成的長矩形、片狀離散接合而成的填充形 狀。且離散接合情況下，片狀光伏電池的俯視投影面為規則或非規則形狀。
進一步的，前述的靜態聚光光伏屋頂熱電聯產系統，其中所述靜態聚光光 伏屋頂構件直接作為屋頂，與建築牆體結合。
較之於現有技術，本發明靜電聚光光伏屋頂熱電聯產系統的優點在於
(1) 、在光伏建築一體化中引入了靜態聚光技術，既減少了光伏電池板 的使用面積，也無須使用複雜的跟蹤系統，降低了成本；
(2) 、該系統實現了熱電聯產。太陽光照射到光伏電池表面，光伏電池 將一小部分太陽能轉化為電能，另外大部分熱量被底部的集熱管中的水吸收， 可以同時發電和提供熱水，提高了太陽能總利用率；
(3) 、該靜態聚光光伏屋頂實現了模塊化，能夠根據施工要求隨意變換 大小，且便於安裝和維護，實現了代替普通屋頂瓦片，具有隔熱保溫、防水防 潮和電氣絕緣等功能；
(4) 、通過集熱管中的水對光伏電池進行冷卻，提高了發電效率；
(5) 、該熱電聯產系統中的水循環為自然循環，不會消耗額外的電能。 以下結合本發明一較佳實施例及其附圖，對該靜態聚光光伏屋頂熱電聯產
系統的結構特徵、工作方式及有益效果作進一步地詳細說明。


圖1為本發明靜態聚光光伏屋頂構件的結構示意7圖2為圖1的A-A剖視結構示意圖3為本發明靜態聚光光伏屋頂構件在屋頂陽面上使用示意圖； 圖4為本發明屋頂熱電聯產系統建築一體化後的結構示意圖。
具體實施例方式
本發明靜態聚光光伏屋頂熱電聯產系統，是在屋頂結構上集成有一體化的 聚光光伏、光熱裝置，其特別之處為該靜態聚光光伏屋頂熱電聯產系統從功 能上劃分主要包括聚光功能、光伏轉換功能、自然水冷循環功能三個部分，其 中聚光功能主要用於提升太陽輻照強度，為光伏轉換提供轉換的能源，而自然 水冷循環功能主要用於吸收照射到光伏電池表面未轉換成電能而變為熱能的那 部分太陽能，同時對光伏轉換進行水冷。
如圖1和圖2所示本發明屋頂熱電聯產系統光伏集熱系統的結構示意圖及 其A-A剖視圖可見該裝置包括玻璃蓋板1、光伏組件2、靜態聚光器3、
集熱層4、保溫隔熱層5、支撐框架6和背板7。其中背板7是沿屋頂斜面方向 設置的，其上面覆蓋著保溫隔熱層5;而在該保溫隔熱層5上呈縱向並間隔嵌 設有集熱層4和光伏組件2;再根據建築施工的需要構建屋頂的主體形狀、大 小，並用支撐框架6固定，最後在其上整體裝配玻璃蓋板1。該集熱層4本身 由至少一根集熱管8和導熱膠層9組成，本實施例中每個靜態聚光器空間範圍 內的集熱管8為兩根，並通過導熱膠層9與保溫隔熱層5接觸。
該靜態聚光器3採用複合式拋物面分別安裝在光伏組件2的兩側，且靠近 光伏組件2的一端與集熱層4接觸或直接深埋其中。通過聚光技術，照射在光 伏電池上的太陽輻照強度將可以提升至原來的2 3倍。此外，該光伏組件2 包含光伏電池，以及粘貼在光伏電池上下表層的絕緣材料。通過供電線路14與逆變器13相連，對室內電器15供電(請參閱圖4所示)，從形狀上來看，
該光伏電池為片狀整體長矩形、由許多片狀小矩形連續接合而成的長矩形、由 許多片狀不限形狀且離散接合而成的填充形狀，或其他片狀任意形狀，只要能 以填充方式布滿整個屋頂面即可。離散接合情況下，該片狀光伏電池的俯視投 影面為常規的幾何規則形狀或其它非規則形狀。
如圖3和圖4所示本發明通過將集熱管8設在屋頂的向陽坡面上，同時將 熱水下降管12設在背板7相對於集熱管8的另一側，形成一個自然動力的水 冷循環系統。集熱管8內的水被加熱，且緩緩上升至上聯箱IO，與此同時，上 聯箱10內的水通過熱水下降管12流至下聯箱11，由此形成一個熱水逐漸朝向 上聯箱10積聚並不斷升溫的水循環系統。為生活使用需要，該上聯箱10還通 過熱水管路17與熱水箱16及出水口 18相連，其中該熱水箱16用於存儲達到 一定使用水溫標準的熱水，並且該出水口 18可以對應各種類型的水龍頭或噴 淋使用；且作為使用消耗的補充，該下聯箱11還接設有補水管路19，冷水可 以源源不斷地得以補充，從而保證整個管路中有足夠的循環水。
上述屋頂熱電聯產系統實際工作時，屋頂面直接接受太陽輻照的照射。其 中一部分太陽能經光伏組件2轉化為直流電，然後通過逆變器13轉換成供電 器使用的交流電，經供電線路14向室內電器15或電網供電。由於採用了聚光 技術，能夠使得光伏組件2轉換所得的電能增大。另外，大部分太陽能被鋪設 在光伏組件2下部的集熱管8中的水吸收，從而降低了光伏電池板的溫度，提 高了光電轉換效率；熱水經集熱管8上升到上聯箱10，上聯箱10中的熱水經 由熱水下降管12進入下聯箱11，從而達到自然循環的目的，無需耗費額外的 驅動能源。此外，為減少能量損失及提高水質，對上聯箱10、下聯箱11、熱水下降管12、熱水管路17、熱水箱16等水循環需要流經的裝置均採用保溫性
能較佳的外購保溫材質製成(如鋁及其製品或各種化學合成聚酯)，而對補水
管路19的進水口 (未圖示)及熱水管路17的出水口 18通過水質過濾器或直 接使用水質過濾管替換靠近進、出水口的原有管路進行出水質量的改善，使其 能滿足生活用水的潔淨標準。
由上述結構及工作方式的介紹，不難發現，本發明靜態聚光光伏屋頂熱電 聯產系統在光伏建築一體化中引入了靜態聚光技術，既減少了光伏電池板的使 用面積，也無須使用複雜的跟蹤系統，降低了成本；而且通過水循環冷卻光伏 電池實現了熱電聯產，提高太陽能總利用率達60%左右，有效做到了減少環境 汙染，改善人居環境，切實提高了人們的生活質量。
權利要求
1.靜態聚光光伏屋頂熱電聯產系統，它包括靜態聚光光伏屋頂構件，其特徵在於所述靜態聚光光伏屋頂構件上集成有一體化的聚光光伏、光熱裝置，其包括有與屋頂斜面形狀吻合背板、在背板表層覆蓋的保溫隔熱層、縱向並間隔嵌設在保溫隔熱層內的集熱層、設於集熱層表面的光伏組件和靜態聚光器、背板四周的支撐框架和覆蓋在支撐框架上的玻璃蓋板，光伏組件通過供電線路與逆變器電信號連接；設於集熱層內的集熱管，與集熱管聯通的水冷卻裝置。
2. 根據權利要求1所述的靜態聚光光伏屋頂熱電聯產系統，其特徵在 於所述集熱管中的冷卻介質為水，水冷卻裝置包括上聯箱、下聯箱及熱水下 降管，集熱管上、下端分別與上、下聯箱相連通，以及相對於集熱管位於背板 另一側且與上、下聯箱相連的熱水下降管，上聯箱通過熱水管路與熱水箱及出 水口相連，下聯箱接設有補水管路，集熱管與上聯箱、下聯箱、熱水下降管構 成自然水循環迴路。
3. 根據權利要求1所述的靜態聚光光伏屋頂熱電聯產系統，其特徵在於所述靜態聚光器的反光面為複合式拋物面結構，複合式拋物面結構分別安 裝於集熱層表面的光伏組件兩側。
4. 根據權利要求1或2所述的靜態聚光光伏屋頂熱電聯產系統，其特徵 在於所述集熱層包含至少一根集熱管，以及包覆其外的導熱膠層，導熱膠層 與保溫隔熱層觸接。
5. 根據權利要求1或2所述的靜態聚光光伏屋頂熱電聯產系統，其特徵 在於所述集熱層內的集熱管為兩根及兩根以上時，所述集熱管在集熱層內為間隔布置，集熱管之間及集熱管與集熱層間均設有導熱膠層。
6. 根據權利要求1所述的靜態聚光光伏屋頂熱電聯產系統，其特徵在 於所述每個靜態聚光器空間範圍內的光伏組件包含光伏電池，以及粘貼在光 伏電池t下表層的兩層絕緣材料層。
7. 根據權利要求6所述的靜態聚光光伏屋頂熱電聯產系統，其特徵在於其中該光伏電池為片狀整體長矩形、片狀連續接合而成的長矩形、片狀離 散接合而成的填充形狀，且離散接合情況下，片狀光伏電池的俯視投影面為規 則或非規則形狀。
8. 根據權利要求1所述的靜態聚光光伏屋頂熱電聯產系統，其特徵在於所述上聯箱、下聯箱、熱水下降管、熱水管路、熱水箱均設有保溫、過濾機構。
9. 根據權利要求1所述的靜態聚光光伏屋頂熱電聯產系統，其特徵在於所述靜態聚光光伏屋頂構件直接作為屋頂，與建築牆體結合。
全文摘要
本發明揭示了一種靜態聚光光伏屋頂熱電聯產系統。它包括靜態聚光光伏屋頂構件，其特徵在於所述的靜態聚光光伏屋頂構件上集成有一體化的聚光光伏、光熱裝置，其包括有與屋頂斜面形狀吻合背板、在背板表層覆蓋的保溫隔熱層、縱向並間隔嵌設在保溫隔熱層內的集熱層、設於集熱層表面的光伏組件和靜態聚光器、背板四周的支撐框架和覆蓋在支撐框架上的玻璃蓋板，光伏組件通過供電線路與逆變器電信號連接；設於集熱層內的集熱管，與集熱管聯通的水冷卻裝置。該屋頂熱電聯產系統藉由水冷技術能提高光伏電池的轉換效率，並能同時產生電能和熱水，提高了太陽能的總利用率；此外通過聚光技術減少了光伏電池的使用面積，並能代替普通屋面板，直接與建築牆體結合。
文檔編號F24J2/46GK101557178SQ200910026680
公開日2009年10月14日 申請日期2009年5月11日 優先權日2009年5月11日
發明者懿 萬, 潔 傅, 劉亞雷, 駿 莊, 紅 張, 歐陽平凱, 輝 許 申請人:南京工業大學