專利名稱：一種與熱電片結(jié)合的熱管式光伏熱水復合系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種與熱電片結(jié)合的熱管式光伏熱水復合系統(tǒng)，屬于太陽能光伏光熱綜合利用裝置，用于太陽能利用領域。
背景技術：
太陽能是一種清潔、高效和永不衰竭的新能源，所以各國政府都將太陽能資源利用作為國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。太陽能光電光熱綜合利用技術作為克服單一利用方式的缺點、提高太陽能利用效率的有效手段，正朝多元化方向發(fā)展。通常光伏電池效率不到15%，其余太陽能被轉(zhuǎn)換成熱量放出，導致光伏電池溫度升高會引起光電轉(zhuǎn)換效率下降； 太陽能熱水器效率較高但得到的能量品質(zhì)較低。目前較好的作法是冷卻介質(zhì)冷卻光伏電池，即降低了光伏電池溫度提高了光電轉(zhuǎn)換效率，又得到了溫度較高的液體介意供生活或生產(chǎn)使用。如PV-Trombe墻可以得到電力的熱空氣輸出，光伏熱水模塊(PV/T)可以得到電力和熱水輸出。常規(guī)光伏熱水模塊在太陽輻照較低時集熱效率大幅下降，水溫難以達到通常的應用標準。直接電加熱法可以提高水溫但經(jīng)濟性不高。從節(jié)能環(huán)保的角度出發(fā)，因熱泵的熱效率總是大于1，用熱泵加熱方式效果好于電加熱方式。壓縮式熱泵效果較好但由于啟動頻繁，瞬時功率大，對系統(tǒng)的電路控制、蓄電池要求都很高，且通常消耗功率較高，不適宜小型系統(tǒng)使用。CN101908573A公開了一種一體式太陽能光伏光熱板，CN201498524U公開了一種太陽能光伏光熱一體化構件，這兩種方法都將光伏電池與集熱器件分開布置，傳熱效果受到影響。CN195i^99A公開了一種光伏太陽能熱泵多功能一體化系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用壓縮式熱泵，壓縮機不工作時無法生產(chǎn)熱水。因此現(xiàn)有的光伏熱水系統(tǒng)在太陽輻照較低的條件下效率較低，目前尚未見可調(diào)節(jié)電力與熱水產(chǎn)量關系的太陽能綜合利用方面的專利。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術解決問題克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種與熱電片結(jié)合的熱管式光伏熱水復合系統(tǒng)，該系統(tǒng)在提高光電轉(zhuǎn)換效率和熱水溫度同時，提高了太陽能利用效率; 輻照正常時可以提高熱水溫度或熱水產(chǎn)量。本發(fā)明的技術解決方案一種與熱電片結(jié)合的熱管式光伏熱水復合系統(tǒng)，包括 光伏熱水模塊、半導體雙層換熱聯(lián)箱、光伏及電力控制系統(tǒng)、水箱；所述光伏熱水模塊由封裝光伏電池片、重力式熱管、隔熱層、玻璃蓋板和鋁合金框架組成；重力式熱管焊接于封裝光伏電池片背部，隔熱層置于封裝光伏電池片下方，封裝光伏電池片周圍由玻璃蓋板和鋁合金框架固定和支撐；光伏熱水模塊產(chǎn)生的電能通過光伏及電力控制系統(tǒng)供半導體雙層換熱聯(lián)箱中的熱電片使用或用于用電設備，光伏熱水模塊產(chǎn)生的熱量加熱水箱中的水供生活使用；所述的半導體雙層換熱聯(lián)箱為可切換流通路徑的雙層結(jié)構，它包括三通閥、換熱
4聯(lián)箱隔熱層、直接換熱層、第一散熱片、熱電片、中間隔熱層、第二散熱片和半導體加熱層； 換熱聯(lián)箱隔熱層為半導體雙層換熱聯(lián)箱的外部隔熱殼體；三通閥位于半導體雙層換熱聯(lián)箱的進水口，控制水流流向直接換熱層或者半導體加熱層；直接換熱層和半導體加熱層被中間隔熱層隔開，中間隔熱層開有與熱電片尺寸相當?shù)目?，熱電片嵌入孔中，熱電片兩邊分別覆蓋有第一散熱片和第二散熱片用于強化傳熱，第二散熱片位于熱電片的上面并與熱電片相連，第一散熱片位于熱電片的下面并與熱電片相連；水箱中的水通過聯(lián)箱入水管路進入雙層換熱聯(lián)箱中，首先通過三通閥控制水經(jīng)過直接換熱層或半導體加熱層流出；當天氣晴好時，三通閥使水流從直接換熱層和半導體加熱層同時通過，此時重力式熱管帶入雙層換熱聯(lián)箱中的熱量一部分通過第一散熱片傳遞給通過直接換熱層的水，另一部分通過熱電片和第二散熱片傳遞給通過半導體加熱層的水，第一散熱片和第二散熱片同時向水中散熱，增大了換熱面積，強化了換熱效果，經(jīng)過加熱的水經(jīng)聯(lián)箱出水管路流回水箱，水箱中的水溫升高，同時重力式熱管被冷卻使封裝光伏電池片溫度降低，光伏轉(zhuǎn)化效率被提高；當天氣陰沉時，三通閥使水流僅從半導體加熱層通過，熱電片通電工作，與第一散熱片接觸的端面吸熱而與第二散熱片接觸的端面放熱，形成熱泵效應，熱泵效應使重力式熱管帶入半導體雙層換熱聯(lián)箱的熱量被迅速吸收，重力式熱管被冷卻，使封裝光伏電池片溫度降低，光伏效率提高；熱電片將吸收的熱量和電轉(zhuǎn)化而來的熱量傳遞給第二散熱片，水流經(jīng)過第二散熱片時被加熱，經(jīng)聯(lián)箱出水管路流回水箱。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于(1)本發(fā)明采用半導體雙層換熱聯(lián)箱，半導體雙層換熱聯(lián)箱為雙層水流通道結(jié)構， 熱電片置于兩加熱層中間，其兩個端面分別與第一散熱片和第二散熱片緊密接觸。其不工作時，換熱聯(lián)箱與常規(guī)整板式光伏熱水模塊作用相同，可提高太陽能光電及光熱轉(zhuǎn)換效率， 提高太陽能綜合利用效率；當其工作時，通過其熱泵效應使熱水溫度更高，熱管溫度更低， 光電轉(zhuǎn)換效率更高；(2)本發(fā)明可通過三通閥門與熱電片供電開關調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作狀態(tài)，調(diào)節(jié)電力輸出與熱水的產(chǎn)量關系；當輸出全部為熱水時，熱水產(chǎn)量高于常規(guī)光伏熱水模塊或平板集熱器 (相同光照面積條件下)。(3)本發(fā)明特別設計的兩個散熱片，解決了隔熱層厚而熱電片薄而引起的匹配問題；將熱管直接插入散熱片中，使熱管直接和散熱片充分接觸，傳熱更為迅速，熱電片工作時，便于將熱量集中向其傳遞，熱電片不工作時，熱量從散熱肋片直接傳遞給水，保持與常規(guī)光伏熱水模塊所用換熱聯(lián)箱同等的性能；此外，散熱片翅片和凸起結(jié)構可根據(jù)工作狀態(tài)分別向直接換熱層水流和熱電片傳熱，進一步強化傳熱效果。(4)電力分配與供應靈活。整板式光伏熱水模塊輸出的電力可直接供熱電片使用， 也可以儲存或轉(zhuǎn)化后供其它設備使用；熱電片可用整板式光伏熱水模塊供電，也可用常規(guī)電源供電。當使用整板式光伏熱水模塊供電時，不需要交直流轉(zhuǎn)換，供電模塊結(jié)構簡單，效率高。在電力供應不充分的地區(qū)使用優(yōu)勢明顯，擴大了系統(tǒng)的應用范圍。(5)光伏及電力控制系統(tǒng)可根據(jù)天氣、熱電片表面溫度、熱水需求等情況控制熱電片工作狀態(tài)，調(diào)節(jié)電力和熱水產(chǎn)量關系。(6)本發(fā)明熱電片體積小，熱慣性小，啟動速度快，沒有最低功率限制，因此系統(tǒng)可以小型化，可以與建筑不同部位結(jié)合使建筑一體化。


圖1為本發(fā)明的剖面結(jié)構示意圖；圖2為本發(fā)明的平面結(jié)構示意圖；圖3為本發(fā)明中整板式光伏熱水模塊結(jié)構剖面示意圖；圖4為本發(fā)明中半導體雙層換熱聯(lián)箱縱切剖面示意圖；圖5為本發(fā)明中半導體雙層換熱聯(lián)箱橫切剖面示意圖；圖6為本發(fā)明中第一散熱片示意圖，其中a為縱切剖面示意圖，b為橫切剖面示意圖，c為三維立體圖。
具體實施例方式本發(fā)明所采用的熱電片是利用珀爾貼效應實現(xiàn)的。電荷載體在導體中運動形成電流。由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級，當它從高能級向低能級運動時，便釋放出多余的能量；相反，從低能級向高能級運動時，從外界吸收能量。能量在兩種材料的交界面處以熱的形式吸收或放出。電流流過兩種不同導體的界面時，因直流電通入的方向不同， 將在界面相交處產(chǎn)生吸熱和放熱現(xiàn)象，稱這種現(xiàn)象為珀爾帖效應。利用珀爾帖效應做的加熱器(熱泵)，因其能效比(COP)總是大于1的，因此用熱電片做加熱器是很有利的。本發(fā)明中利用珀爾帖效應對熱管進行冷卻以降低熱管溫度，提高光伏熱水模塊的光電和光熱轉(zhuǎn)化效率；釋放的熱量用于制取生活熱水。如圖1、2、3所示，本發(fā)明的與熱電片結(jié)合的熱管式光伏熱水復合系統(tǒng)包括整板式光伏熱水模塊1、半導體雙層換熱聯(lián)箱2、光伏及電力控制系統(tǒng)3和水箱41組成。整板式光伏熱水模塊1主要部件為封裝光伏電池片12和焊接于其背面的重力式熱管13。封裝光伏電池片12由光伏電池片、透明復合氟塑料膜(TPT)、乙烯-醋酸乙烯酯 (EVA)、吸熱鋁板通過層壓而成。重力式熱管13平行焊接于封裝光伏電池片12背面，一端伸出整板式光伏熱水模塊1插入到雙層換熱聯(lián)箱2中。重力式熱管13下層是由絕熱保溫材料制成的隔熱層14。整板式光伏熱水模塊1的周圍由玻璃蓋板11和鋁合金框架15固定和支撐。整板式光伏熱水模塊1的作用是為半導體雙層換熱聯(lián)箱2提供電力和熱源。如圖1、2、4、5所示，半導體雙層換熱聯(lián)箱2是本發(fā)明的主要創(chuàng)新部分，主要由三通閥21、換熱聯(lián)箱隔熱層22、直接換熱層23、第一散熱片M、熱電片25、中間隔熱層沈、第二散熱片27和半導體加熱層觀組成。水箱中的水通過聯(lián)箱入水管路42進入以換熱聯(lián)箱隔熱層22作為殼體的雙層換熱聯(lián)箱2中，首先通過三通閥21控制其流向直接換熱層23或半導體加熱層觀。當天氣晴好時，三通閥21使水流從直接換熱層23和半導體加熱層觀同時通過，此時重力式熱管13 —部分通過第一散熱片M給直接換熱層23傳遞熱量，另一部分通過熱電片25和第二散熱片27給半導體加熱層觀傳遞熱量。第一散熱片M和第二散熱片27同時向水中散熱，增大了換熱面積，強化了換熱效果。經(jīng)過加熱的水通過聯(lián)箱出水管路43流回水箱41，水箱41中的水溫度升高，同時熱管被冷卻使封裝光伏電池片12溫度降低，光伏轉(zhuǎn)化效率被提高。當天氣陰沉時，三通閥21使水流僅從半導體加熱層觀通過。熱電片25通電工作，與第一散熱片M接觸的端面吸熱而與第二散熱片27接觸的端面放熱，形成熱泵效應。熱泵效應使重力式熱管13帶入半導體雙層換熱聯(lián)箱2的熱量被迅速吸收， 重力式熱管13被冷卻，系統(tǒng)光伏效率提高；熱電片％將吸收的熱量和電轉(zhuǎn)化而來的熱量傳遞給第二散熱片27。水流經(jīng)過第二散熱片27時被加熱，經(jīng)聯(lián)箱出水管路43流回水箱41。 與同時流經(jīng)直接換熱層23和半導體加熱層觀的工作模式相比，經(jīng)過半導體加熱層觀的水流通過熱泵效應獲得更多的熱量，可將水溫升高更多。而天氣陰沉時，常規(guī)太陽能光伏熱水模塊因溫升較低，熱管與水之間溫差較小，熱效率很低。經(jīng)過熱電片的熱泵效應放大后的溫差使傳熱得到強化，因此水溫與太陽能光熱轉(zhuǎn)換效率都會升高。當天氣晴好而熱水需求也很高時，可使系統(tǒng)工作于半導體加熱模式，獲得比直接電加熱更高的水溫和熱效率。如圖6所示，第一散熱片M的結(jié)構由散熱片翅片Ml、散熱片基體M2、熱管插孔 243和凸起結(jié)構244組成。散熱片基體M2由實心金屬塊制成，散熱片基體242中間被掏空形成熱管插孔對3，散熱片基體242周圍與熱管插孔243截面平行方向裝有散熱片翅片 241 ；熱管插孔243大小與重力式熱管13端部尺寸相同，重力式熱管13通過熱管插孔243 緊密連接，傳熱充分。凸起結(jié)構244為散熱片基體M2的一部分并與散熱片翅片241各位于散熱片基體M2的一端，其截面尺寸大小與熱電片25相同且同時嵌入中間隔熱層沈的孔中與熱電片25相連，凸起結(jié)構244與熱電片25厚度之和等于中間隔熱層沈的厚度，即保證了第一散熱片M或第二散熱片27與熱電片25緊密接觸以強化傳熱效果，又保證了中間隔熱層26的厚度以確保其隔熱效果。如圖2所示，光伏及電力控制系統(tǒng)3由控制逆變一體機31、半導體電源控制器32 和蓄電池33組成。整板式光伏熱水模塊1生產(chǎn)的電力輸送到控制逆變一體機31，控制逆變一體機31控制電力經(jīng)逆變后輸出，或輸送至蓄電池33供儲存或供直流電器使用，或通過半導體電源控制器32供熱電片25使用。半導體電源控制器3可通過調(diào)節(jié)熱電片25兩端電壓控制其工作狀態(tài)通常情況下控制熱電片25工作于最佳效率狀態(tài)，當需要快速得到熱水時，可使熱電片25工作于最大產(chǎn)冷量狀態(tài)。上述詳細闡述了本發(fā)明的實現(xiàn)過程。對于未詳細闡述的部分應屬于本領域公知技術，本領域技術人員可以很容易實現(xiàn)。
權利要求
1.一種與熱電片(又稱半導體制冷片或熱電制冷片)結(jié)合的熱管式光伏熱水復合系統(tǒng)，其特征在于包括光伏熱水模塊(1)、半導體雙層換熱聯(lián)箱O)、光伏及電力控制系統(tǒng) (3)、水箱；所述光伏熱水模塊⑴由封裝光伏電池片(12)、重力式熱管(13)、隔熱層 (14)、玻璃蓋板(11)和鋁合金框架(1 組成；重力式熱管(1 焊接于封裝光伏電池片 (12)背部，隔熱層(14)置于封裝光伏電池片(12)下方，封裝光伏電池片(12)周圍由玻璃蓋板(11)和鋁合金框架(1 固定和支撐；光伏熱水模塊(1)產(chǎn)生的電能通過光伏及電力控制系統(tǒng)(3)供半導體雙層換熱聯(lián)箱O)中的熱電片05)使用或用于用電設備，光伏熱水模塊(1)產(chǎn)生的熱量加熱水箱Gl)中的水供生活使用；所述的半導體雙層換熱聯(lián)箱O)為可切換流通路徑的雙層結(jié)構，它包括三通閥(21)、 換熱聯(lián)箱隔熱層(22)、直接換熱層(23)、第一散熱片(M)、熱電片(25)、中間隔熱層(沈)、 第二散熱片(XT)和半導體加熱層08)；換熱聯(lián)箱隔熱層0 為半導體雙層換熱聯(lián)箱(2) 的外部隔熱殼體；三通閥位于半導體雙層換熱聯(lián)箱⑵的進水口，控制水流流向直接換熱層或者半導體加熱層08)；直接換熱層和半導體加熱層08)被中間隔熱層(26)隔開，中間隔熱層06)開有與熱電片05)尺寸相當?shù)目祝瑹犭娖?5)嵌入孔中， 熱電片0 兩邊分別覆蓋有第一散熱片04)和第二散熱片(XT)用于強化傳熱，第二散熱片(27)位于熱電片05)的上面并與熱電片05)相連，第一散熱片04)位于熱電片05) 的下面并與熱電片05)相連；水箱Gl)中的水通過聯(lián)箱入水管路0 進入雙層換熱聯(lián)箱中，首先通過三通閥 (21)控制水由直接換熱層或半導體加熱層08)流出；當天氣晴好時，三通閥使水流從直接換熱層和半導體加熱層08)同時通過，此時重力式熱管(13)帶入雙層換熱聯(lián)箱中的熱量一部分通過第一散熱片04)傳遞給通過直接換熱層的水，另一部分通過熱電片0 和第二散熱片(XT)傳遞給通過半導體加熱層08)的水，第一散熱片04)和第二散熱片(XT)同時向水中散熱，增大了換熱面積，強化了換熱效果，經(jīng)過加熱的水經(jīng)聯(lián)箱出水管路流回水箱(41)，水箱中的水溫升高，同時重力式熱管(1 被冷卻使封裝光伏電池片(1 溫度降低，光伏轉(zhuǎn)化效率被提高；當天氣陰沉時，三通閥使水流僅從半導體加熱層08)通過，熱電片0 通電工作，與第一散熱片04)接觸的端面吸熱而與第二散熱片(XT)接觸的端面放熱，形成熱泵效應，熱泵效應使重力式熱管(1 帶入半導體雙層換熱聯(lián)箱的熱量被迅速吸收，重力式熱管(13)被冷卻，使封裝光伏電池片(12)溫度降低，光伏效率提高；熱電片05)將吸收的熱量和電轉(zhuǎn)化而來的熱量傳遞給第二散熱片(27)，水流經(jīng)過第二散熱片(XT)時被加熱，經(jīng)聯(lián)箱出水管路G3)流回水箱01)。
2.根據(jù)權利要求1所述的與熱電片結(jié)合的熱管式光伏熱水復合系統(tǒng)，其特征在于 所述第一散熱片04)由散熱片翅片041)、散熱片基體042)、熱管插孔( 和凸起結(jié)構(M4)組成；散熱片基體042)由實心金屬塊制成，散熱片基體042)中間被掏空形成熱管插孔043)，散熱片基體( 周圍與熱管插孔( 截面平行方向裝有散熱片翅片 (241)；熱管插孔( 大小與重力式熱管(1 端部尺寸相同，重力式熱管(1 通過熱管插孔(M3)緊密連接，傳熱充分；凸起結(jié)構(M4)為散熱片基體(M2)的一部分并與散熱片翅片(Ml)各位于散熱片基體042)的一端，凸起結(jié)構(M4)即保證了第一散熱片04)與熱電片0 緊密接觸，又保證了中間隔熱層06)的厚度以確保其隔熱效果；所述第二散熱片、2Τ)結(jié)構為翅片方向平行的常規(guī)散熱片。
3.根據(jù)權利要求1所述的與熱電片結(jié)合的熱管式光伏熱水復合系統(tǒng)，其特征在于所述光伏及電力控制系統(tǒng)(3)由控制逆變一體機(31)、半導體電源控制器(32)、蓄電池(33) 組成；整板式光伏熱水模塊(1)生產(chǎn)的電力輸送到控制逆變一體機(31)，控制逆變一體機 (31)控制電力經(jīng)逆變后輸出，或輸送至蓄電池(3 供儲存或供直流電器使用，或通過半導體電源控制器(3 供熱電片0 使用；半導體電源控制器(3 可通過調(diào)節(jié)熱電片05) 兩端電壓控制其工作狀態(tài)通常情況下控制熱電片05)工作于最佳效率狀態(tài)，當需要快速得到熱水時，可使熱電片05)工作于最大產(chǎn)冷量狀態(tài)。
全文摘要
一種與熱電片結(jié)合的熱管式光伏熱水復合系統(tǒng)，包括整板式光伏熱水模塊、半導體雙層換熱聯(lián)箱、光伏及電力控制系統(tǒng)和水箱。雙層換熱聯(lián)箱分為兩層直接換熱層和半導體加熱層。天氣晴好時，循環(huán)水從直接換熱層和半導體加熱層通過，生產(chǎn)熱水并降低光伏電池溫度、提高光電轉(zhuǎn)換效率；天氣陰沉時，循環(huán)水只從半導體加熱層通過，熱電片工作，其熱泵效應使水溫明顯提高，熱水產(chǎn)量相比于普通PV/T系統(tǒng)大幅提高，同時光伏電池溫度更低，光電轉(zhuǎn)換效率更高。本發(fā)明具有可小型化的特點，可根據(jù)天氣及需要調(diào)節(jié)電力與熱水產(chǎn)量關系，提高太陽能利用效率和質(zhì)量，同時減少對外界電力供應的依賴，擴大了系統(tǒng)應用范圍。
文檔編號H01L31/058GK102244133SQ20111012260
公開日2011年11月16日 申請日期2011年5月12日 優(yōu)先權日2011年5月12日
發(fā)明者何偉, 侯景鑫, 周錦志 申請人:中國科學技術大學