CN111953233A

CN111953233A - 一种结合菲涅尔聚光光伏和温差发电片的直膨式热泵系统

Info

Publication number: CN111953233A
Application number: CN202010961728.6A
Authority: CN
Inventors: 季杰; 宋智莹; 蔡靖雍; 李照萌; 韩可东; 罗坤
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2020-01-09
Filing date: 2020-09-14
Publication date: 2020-11-17

Abstract

本发明涉及一种结合菲涅尔聚光光伏和温差发电片的直膨式热泵系统，属于能源利用技术领域。包括冷凝水箱、毛细管、菲涅尔聚光光伏温差发电蒸发机构、储液罐、压缩机、逆变器和蓄电池；所述毛细管、菲涅尔聚光光伏温差发电蒸发机构中的蒸发管道、储液罐、压缩机和冷凝水箱依次连接构成闭合回路，闭合回路中设有制冷工质；菲涅尔聚光光伏温差发电蒸发机构中的温差发电片和逆变器、蓄电池电连接。本发明不仅通过FPV实现了太阳能到电能的高效转化，还将TEG插入到高温FPV和低温蒸发器之间，温差发电片能够将聚光光伏上的太阳热直接转化为电能，利用大温差将FPV上的热量二次转化成电能，将太阳能的光电转化效率提高至30%，提高了整个直膨式热泵系统的性能。

Description

一种结合菲涅尔聚光光伏和温差发电片的直膨式热泵系统

技术领域

本发明属于能源利用技术领域，具体涉及太阳能发电、热电材料、太阳能集热和直膨式热泵系统。

背景技术

光伏直膨式热泵系统，将PV电池和直膨式热泵相结合，具有较好的光电效率和综合性能。PV电池吸收太阳能，只有小部分转化为了电能，绝大多数转化成了热能，热能的积累会使PV电池温度升高，降低PV电池的转化效率，而直膨式热泵系统中的蒸发器吸收大量热量，能够提供较低的温度，将PV电池和蒸发器结合在一起，蒸发器可以吸收PV电池上的废热，降低PV电池的温度，有效提高PV的转化效率。但是现有的研究集中在非聚光光伏热泵系统，系统中的光电效率并不高，且少有人将温差发电片应用到热泵系统中。

聚光光伏一般具有光电转化效率高、温度影响系数小和耐高温等优点，其中砷化镓电池是目前商业化较好的一种聚光光伏，市场上的砷化镓电池发电效率远远高于传统的硅电池。

发明内容

为了提高直膨式热泵系统的光电效率和综合性能，本发明提供一种结合菲涅尔聚光光伏和温差发电片的直膨式热泵系统。

一种结合菲涅尔聚光光伏和温差发电片的直膨式热泵系统包括冷凝水箱8、毛细管1、菲涅尔聚光光伏温差发电蒸发机构5、储液罐4、压缩机3、逆变器6和蓄电池7；

所述菲涅尔聚光光伏温差发电蒸发机构5包括两个以上的单元和蒸发管道53，每个单元包括六个以上的菲涅尔式聚光光伏模块52、温差发电片54和吸热板51；两个以上的单元固定设于蒸发管道53上；

所述毛细管1、菲涅尔聚光光伏温差发电蒸发机构5中的蒸发管道53、储液罐4、压缩机3和冷凝水箱8中的冷凝管道2依次连接构成闭合回路，闭合回路中设有制冷工质；

菲涅尔式聚光光伏模块52中的光伏电池521与温差发电片54和逆变器6、蓄电池7电连接；

菲涅尔式聚光光伏模块52中的光伏电池521吸收太阳能，一部分转化成电能，另一部分转化成热能，所述热能一部分通过温差发电片54被转化成电能，另一部分热能被蒸发管道53中制冷工质吸收；制冷工质进入储液罐4，储液罐4排出气相制冷工质进入压缩机3，压缩机3将低温低压气相制冷工质压缩成高温高压过热制冷工质，经过压缩的制冷工质在冷凝水箱8中流经冷凝管道2时释放热量，加热冷凝水箱8的水，最后经过冷凝的制冷工质进入毛细管1进行节流，再回到蒸发管道53，完成热泵循环；菲涅尔式聚光光伏模块52中的光伏电池521和温差发电片54产生的电能通过逆变器6存储到蓄电池7中。

进一步地：

六个以上的菲涅尔式聚光光伏模块52水平均布设于温差发电片54上，温差发电片54固定设于吸热板51上构成单元，两个以上的单元的吸热板51的底部焊接在蒸发管道53上，构成菲涅尔聚光光伏温差发电蒸发机构5。

所述菲涅尔式聚光光伏模块52中的光伏电池521为GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池。

所述吸热板51为铜板、铝板或不锈钢板。

所述冷凝水箱8内设有冷凝管道2，冷凝管道2串联在压缩机3的出口和毛细管1的入口之间。

所述储液罐4内充有制冷工质，用于调节热泵循环中的工质流量。

所述制冷工质为R22。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.目前存在的光伏直膨式热泵系统，通过降低光伏电池的温度，虽然能够在一定程度上提高光伏电池的转化效率，但系统的光电效率依旧不超过20%。而本发明系统创新性的将菲涅尔聚光光伏应用在直膨式热泵系统中，光伏电池采用三结GaInP/GaAs/Ge电池，该电池是砷化镓电池的一种，利用其高转化效率、耐高温、温度影响系数小等优点，有效提高了光伏热泵系统的光电性能。本发明聚光直膨式热泵系统的光电转化效率高达30%，在光电转化效率方面具有明显优势。

2.本发明还创新性的将温差发电片应用在高温聚光光伏和低温蒸发器之间，开创性的提供了新的热泵复合方式。菲涅尔聚光光伏温度较高，而直膨式热泵系统中蒸发器的蒸发温度较低还能够吸收大量热量，将温差发电片安插到高温FPV和低温蒸发器之间，在高温差下，温差发电片能够将聚光光伏上的太阳热直接转化为电能，实现太阳能到电能的二次转化；温差发电片以塞贝克效应为工作原理，当高温端和低温端产生温差，其中的热电材料会产生电动势，形成回路就能够产出电能，可以直接将热能转化成电能，温差越高，发电功率越大。直膨式热泵的蒸发管道能够吸收大量热量，有效冷却上方的TEG冷端和PV，并吸收剩余热量，参与热泵循环，在冷凝端制取热水，充分利用太阳能，显著提升了系统的光电效率和综合性能；在砷化镓电池高光电转化效率的基础上，更进一步的提高了热泵系统的光电效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为菲涅尔聚光光伏温差发电蒸发机构的结构示意图。

图3为菲涅尔聚光光伏温差发电蒸发机构一个单元的截面图。

图中序号：毛细管1、冷凝管道2、压缩机3、储液罐4、菲涅尔聚光光伏温差发电蒸发机构5、逆变器6、蓄电池7、冷凝水箱8、吸热板51、菲涅尔式聚光光伏模块52、蒸发管道53、温差发电片54、光伏电池521。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的，技术方案换热优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下或所得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

参见图1，一种结合菲涅尔聚光光伏和温差发电片的直膨式热泵系统包括冷凝水箱8、毛细管1、菲涅尔聚光光伏温差发电蒸发机构5、储液罐4、压缩机3、逆变器6和蓄电池7。

参见图2，菲涅尔聚光光伏温差发电蒸发机构5包括四个单元和蒸发管道53。参见图3，每个单元包括九个菲涅尔式聚光光伏模块52、温差发电片54和吸热板51；九个菲涅尔式聚光光伏模块52水平均布固定安装于温差发电片54上，温差发电片54的型号为TGM127-1.4-1.5；温差发电片54固定安装于吸热板51上，吸热板51为铝板。四个单元的吸热板51底部固定焊接安装在蒸发管道53上。

由图1可见，毛细管1、菲涅尔聚光光伏温差发电蒸发机构5中的蒸发管道53、储液罐4、压缩机3和冷凝水箱8中的冷凝管道2依次连接构成闭合回路，闭合回路中设有制冷工质；制冷工质为R22。冷凝水箱8的容积为300L；毛细管1的直径1.2mm、长度2m；压缩机3型号日立SD145CV-H6AU。

菲涅尔式聚光光伏模块52中的光伏电池521与温差发电片54、逆变器6和蓄电池7电连接。光伏电池521为GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池，尺寸为40×40mm²。逆变器6采用阳光电源公司生产的SN4K28C型逆变器。蓄电池采用Buddy公司生产的伐控密封式铅酸蓄电池，型号FM12-200，12V-200AH/20HR。

储液罐4为可承压的密封结构储液罐；储液罐4内充有气相制冷剂，用于调节热泵循环中的工质流量。

菲涅尔式聚光光伏模块52将太阳光进行聚集，在光伏电池521中，太阳能被吸收，一部分转化为电能经过逆变器6存储到蓄电池7中，大部分转化成热能；热能传导到温差发电片54的高温端，热量从温差发电片54高温端传到低温端的过程中有一部分被转化为电能经过逆变器6存储到蓄电池7中，剩余的热量被吸热板51吸收，传导到蒸发管道53被制冷工质吸收参与热泵循环。

菲涅尔聚光光伏温差发电蒸发机构5吸收太阳能一部分转化成电能，一部分转化成热能被制冷工质吸收，制冷工质进入储液罐4，储液罐4排出气相制冷工质进入压缩机3，压缩机3将低温低压气相制冷工质压缩成高温高压过热制冷工质，经过压缩的制冷工质在冷凝水箱8中流经冷凝管道2时释放热量，加热冷凝水箱8中的水，最后经过冷凝的制冷工质进入毛细管1进行节流。以上是一个完整的热泵循环。而光伏电池521和温差发电片54产生的电能会通过逆变器6存储到蓄电池7中。

当冷凝水箱8中的水温为30℃、环境温度为10℃、环境风速3m/s、800W/m²辐照条件下，温差发电片54产电43.77W、光伏电池521产电766.50W、总发电量810.28W、发电效率分别为1.4%、24.44%和25.84%，证明温差发电片54可以将热能进行二次转化产生额外电能，进一步提高系统的发电效率。此外本发明将菲涅尔聚光光伏模块52和热泵系统相结合进一步的提高了PVT平板的热效率，在所述环境条件下，系统热效率可达60.26%，利用传统火电厂的发电效率0.38，将电能转化成等效热能，获得综合光电光热效率为126.54%，明显高于现有的菲涅尔聚光光伏热水系统。此时压缩机功率631.04W，热泵系统的COP为7.33。

实施例2

当冷凝水箱8中的水温为30℃、环境温度为10℃、300W/m²的低辐照条件下，系统的综合发电效率可高达28.11%，而光热效率可达126.11%，综合效率可达200.39%。在上述水温和环境温度下，系统的火用效率随着辐照强度的增加先上升后下降，在辐照为500W/m²时达到最大值为28.09%。当太阳辐照为800W/m²，环境温度和冷凝水箱8中水温分别为15℃和25℃时，压缩机功率为593.55W，系统的COP为7.90。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替换、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种结合菲涅尔聚光光伏和温差发电片的直膨式热泵系统，其特征在于：包括冷凝水箱（8）、毛细管（1）、菲涅尔聚光光伏温差发电蒸发机构（5）、储液罐（4）、压缩机（3）、逆变器（6）和蓄电池（7）；

所述菲涅尔聚光光伏温差发电蒸发机构（5）包括两个以上的单元和蒸发管道（53），每个单元包括六个以上的菲涅尔式聚光光伏模块（52）、温差发电片（54）和吸热板（51）；两个以上的单元固定设于蒸发管道（53）上；

所述毛细管（1）、菲涅尔聚光光伏温差发电蒸发机构（5）中的蒸发管道（53）、储液罐（4）、压缩机（3）和冷凝水箱（8）中的冷凝管道（2）依次连接构成闭合回路，闭合回路中设有制冷工质；

菲涅尔式聚光光伏模块（52）中的光伏电池（521）与温差发电片（54）和逆变器（6）、蓄电池（7）电连接；

菲涅尔式聚光光伏模块（52）中的光伏电池（521）吸收太阳能，一部分转化成电能，另一部分转化成热能，所述热能一部分通过温差发电片（54）被转化成电能，另一部分热能被蒸发管道（53）中制冷工质吸收；制冷工质进入储液罐（4），储液罐（4）排出气相制冷工质进入压缩机（3），压缩机（3）将低温低压气相制冷工质压缩成高温高压过热制冷工质，经过压缩的制冷工质在冷凝水箱（8）中流经冷凝管道（2）时释放热量，加热冷凝水箱（8）的水，最后经过冷凝的制冷工质进入毛细管（1）进行节流，再回到蒸发管道（53），完成热泵循环；菲涅尔式聚光光伏模块（52）中的光伏电池（521）和温差发电片（54）产生的电能通过逆变器（6）存储到蓄电池（7）中。

2.根据权利要求1所述的一种结合菲涅尔聚光光伏和温差发电片的直膨式热泵系统，其特征在于：六个以上的菲涅尔式聚光光伏模块（52）水平均布设于温差发电片（54）上，温差发电片（54）固定设于吸热板（51）上构成单元，两个以上的单元的吸热板（51）的底部焊接于蒸发管道（53）上，构成菲涅尔聚光光伏温差发电蒸发机构（5）。

3.根据权利要求2所述的一种结合菲涅尔聚光光伏和温差发电片的直膨式热泵系统，其特征在于：所述菲涅尔式聚光光伏模块（52）中的光伏电池（521）为GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池。

4.根据权利要求1所述的一种结合菲涅尔聚光光伏和温差发电片的直膨式热泵系统，其特征在于：所述吸热板（51）为铜板、铝板或不锈钢板。

5.根据权利要求1所述的一种结合菲涅尔聚光光伏和温差发电片的直膨式热泵系统，其特征在于：所述冷凝水箱（8）内设有冷凝管道（2），冷凝管道（2）串联在压缩机（3）的出口和毛细管（1）的入口之间。

6.根据权利要求1所述的一种结合菲涅尔聚光光伏和温差发电片的直膨式热泵系统，其特征在于：所述制冷工质为R22。