一種太陽能電池冷卻液防凍與熱利用裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種太陽能電池冷卻液防凍與熱利用裝置及方法，該裝置包括太陽能電池（1）、太陽能電池冷卻器（2）、溫度探頭（7）、輻射末端（6）、鍋爐（5）、工質泵（4）以及儲液罐（3），通過設置閥門控制該裝置在低品位熱利用模式、補熱模式和太陽能電池冷卻液防凍模式下進行工作，在不利用防凍液的前提下，當室外溫度低于冷卻液凝固點時，控制系統(tǒng)會切斷通入太陽能電池冷卻器中的冷卻液，防止冷卻液結凍。該裝置有效的利用光電板產生的低品位熱能，降低光電板的溫度，提高光電板的發(fā)電效率。同時解決了在沒有防凍液的前提下，低溫情況光電板冷卻器中冷卻液結凍問題。
【專利說明】一種太陽能電池冷卻液防凍與熱利用裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及太陽能電池及暖通空調領域，具體涉及一種太陽能電池冷卻液防凍與 熱利用裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 太陽能熱電聯(lián)產系統(tǒng)中采用光伏電池和太陽能熱水器相結合的方式實現(xiàn)，其中， 普通光伏電池組件的轉換效率一般約為5 -18%，剩下的太陽輻射能則轉化成熱能散失到環(huán) 境中；且當光伏電池組件的工作溫度逐漸升高后，其光電轉換效率降低，并且影響電池堆的 使用壽命；若及時將光伏電池冷卻，不僅能有效利用轉換過程所產生的余熱，而且可提高光 電轉換效率，從而提高單位面積的太陽能綜合利用效率。
[0003] 目前國內外的中低溫光電光熱技術品種繁多，按照冷卻光伏電池的方法主要可分 為風冷式和液冷式兩種：風冷式光電光熱技術一般是通過自然對流或者輔助機械通風利用 室外空氣對光伏電池進行冷卻；液冷式光電光熱技術一般是在常規(guī)太陽能集熱器的基礎 上，貼敷上一層光伏電池實現(xiàn)熱電聯(lián)供。
[0004] 針對液冷式光電光熱技術，也有學者采用在太陽能電池板背部設置高效換熱器的 方法。但這種方法得到換熱器的出口溫度較低，屬于低品位熱能，再加上太陽能是一種不連 續(xù)、不穩(wěn)定的能源。因此對這部分低品位熱能的利用是個難題。
[0005] 無論采用何種形式的液冷式光電光熱技術，都避免不了使用液體工質作為傳熱工 質。在極端氣候的條件下，一些液體工質，例如水，會面臨結凍的危險，嚴重時可能破壞太陽 能電池板背部的冷卻裝置。為了防止結凍，大多數的做法是添加防凍液。這種做法雖然解 決了結凍的問題，但是增加了產品的成本，而且還需要經常檢查防凍液是否足量。
[0006] 因此研發(fā)一種在不利用防凍液的前提下，通過改造系統(tǒng)結構的方法來防止太陽能 電池板冷卻器中冷卻液結凍和持續(xù)穩(wěn)定地利用太陽能電池背部換熱器中低品位熱量的裝 置勢在必行，經檢索相關文獻，未發(fā)現(xiàn)與本發(fā)明技術方案相同的太陽能電池冷卻液防凍與 熱利用裝置。
【發(fā)明內容】
[0007] 針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供了一種太陽能電池冷卻液防凍與熱利用裝置及 方法，解決了在極端天氣情況下以及不利用防凍液的前提下，太陽能電池冷卻液結凍問題； 并能夠對太陽能電池背部換熱器中低品位熱能持續(xù)、穩(wěn)定的利用。
[0008] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是： 本發(fā)明太陽能電池冷卻液防凍與熱利用裝置包括太陽能電池、太陽能電池冷卻器、溫 度探頭、輻射末端、鍋爐、工質泵以及儲液罐；其特征在于：所述的太陽能電池冷卻器位于 所述太陽能電池的背面；所述溫度探頭設置于所述太陽能電池冷卻器出口 2b處；所述太陽 能電池冷卻器出口 2b與所述輻射末端的入口 6a連接，所述輻射末端的出口 6b與所述鍋爐 入口 5b連接；所述鍋爐出口 5a與工質泵的入口連接，所述工質泵的出口與儲液罐的3b端 連接；所述儲液罐的3a端與所述太陽能電池冷卻器的入口 2a連接。
[0009] 在儲液罐的頂部設置排氣管，且在排氣管上設置有排氣閥V-4 ;在所述溫度探頭 與所述輻射末端的入口 6a之間依次設置有排氣閥V-5和電動閥門V-2 ;在所述工質泵的出 口與儲液罐的3b端之間設置有電動閥門V-1 ;在電動閥門V-2與輻射末端的入口 6a間取 任一點m，在電動閥門V-1與工質泵出口間取任一點n，在點m和η之間設置管道，并在管道 上設置電動閥門V-3 ;所述儲液罐的高度小于太陽能電池的高度。
[0010] 當溫度探頭采集到太陽能電池冷卻器中的溫度大于等于輻射末端溫度值時，電動 閥門V-2、電動閥門V-1開啟，電動閥門V-3、排氣閥V-4、排氣閥V-5關閉，鍋爐不進行工作； 當溫度探頭檢測到太陽能電池冷卻器中的溫度大于冷卻液凝固臨界值a且小于輻射末端 溫度值時，電動閥門V-2、電動閥門V-1開啟，電動閥門V-3、排氣閥V-4、排氣閥V-5關閉， 鍋爐進行工作；當溫度探頭感受到太陽能電池冷卻器中的溫度小于等于冷卻液凝固臨界值 a時，電動閥門V-2、電動閥門V-1關閉，電動閥門V-3、排氣閥V-4、排氣閥V-5開啟，鍋爐進 行工作。
[0011] 進一步地，裝置中使用的冷卻液為水或有機溶液。
[0012] 進一步地，其特征在于：太陽能電池板為晶硅太陽能電池或者薄膜太陽能電池。
[0013] 具體的，本發(fā)明太陽能電池冷卻液防凍與熱利用方法包括： 當溫度探頭感受到太陽能電池冷卻器中的溫度大于等于供熱溫度值時，電動閥門V-2、 電動閥門V-1開啟，電動閥門V-3、排氣閥V-4、排氣閥V-5關閉，鍋爐不進行工作，太陽能電 池冷卻器中的熱量單獨進行循環(huán)供熱形成低品位熱利用模式。若當溫度探頭檢測到的溫度 高于太陽能電池發(fā)電效率臨界值b時，增加工質泵的轉速，裝置中循環(huán)工質的流量增加，使 太陽能電池冷卻器出口的溫度降低。
[0014] 當溫度探頭檢測到太陽能電池冷卻器中的溫度大于冷卻液凝固臨界值a且小于 供熱溫度值時，電動閥門V-2、電動閥門V-1開啟，電動閥門V-3、排氣閥V-4、排氣閥V-5關 閉，鍋爐進行工作，使鍋爐的熱量和太陽能電池冷卻器的熱量進行聯(lián)合循環(huán)供熱形成補熱 模式。
[0015] 當溫度探頭感受到太陽能電池冷卻器中的溫度小于等于冷卻液凝固臨界值a時， 電動閥門V-2、電動閥門V-1關閉，電動閥門V-3、排氣閥V-4、排氣閥V-5開啟，鍋爐進行工 作，鍋爐的熱量單獨進行室內供熱；同時，太陽能電池冷卻器中的冷卻液流入儲液罐中，避 免冷卻液結凍形成太陽能電池冷卻液防凍模式。
[0016] 其中，太陽能電池發(fā)電效率臨界值b根據太陽能電池冷卻器的換熱性能確定，一 般情況可以取30°c到35°C ;冷卻液凝固臨界值a根據冷卻液的種類進行選擇，一般要比冷 卻液的凝固點高1°C到2°C。例如：用水作冷卻液，臨界值a可以取1°C。
[0017] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明達到的有益效果是： 1) 、在當室外溫度過低時，太陽能冷卻器中的冷卻液有結凍的危險，這時把太陽能冷 卻器中的冷卻液收集到室內的儲液罐中，這樣不但解決了太陽能冷卻器中冷卻液的結凍問 題，而且沒有使用防凍劑，整套系統(tǒng)也不是很復雜，節(jié)約了成本； 2) 、太陽能電池冷卻器收集的太陽能電池發(fā)熱量通過毛細輻射末端向室內供熱，當太 陽能冷卻器集熱量不足時可以利用鍋爐進行補熱。這樣實現(xiàn)了對低品位熱能的充分利用， 而且供熱量持續(xù)穩(wěn)定，節(jié)約了能源； 3)、通過收集太陽能電池的發(fā)熱量對建筑進行供熱，約建筑供暖成本，減少二氧化碳的 排放量。
[0018] 4)、這種熱電聯(lián)產的供熱模式，即解決了建筑的供電需求同時充分利用低品位熱 能，降低了建筑的能耗。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明裝置的結構示意圖。
[0020] 圖中：1、太陽能電池，2、太陽能電池冷卻器，3、儲液罐，4、工質泵，5、鍋爐，6、輻射 末端，7、溫度探頭。
【具體實施方式】
[0021] 下面結合附圖1，通過【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步描述。
[0022] 本發(fā)明太陽能電池冷卻液防凍與熱利用裝置包括太陽能電池1、太陽能電池冷卻 器2、溫度探頭7、輻射末端6、鍋爐5、工質泵4以及儲液罐3 ;所述的太陽能電池冷卻器2位 于所述太陽能電池1的背面；所述溫度探頭7設置于所述太陽能電池冷卻器2出口 2b處； 所述太陽能電池冷卻器2出口 2b與所述輻射末端6的入口 6a連接，所述輻射末端6的出 口 6b與所述鍋爐5入口 5b連接；所述鍋爐5出口 5a與工質泵4的入口連接，所述工質泵 4的出口與儲液罐3的3b端連接；所述儲液罐3的3a端與所述太陽能電池冷卻器2的入 口 2a連接； 在儲液罐3的頂部設置排氣管，且在排氣管上設置有排氣閥V-4 ;在所述溫度探頭7與 所述輻射末端6的入口 6a之間依次設置有排氣閥V-5和電動閥門V-2 ;在所述工質泵4的 出口與儲液罐3的3b端之間設置有電動閥門V-1 ;在電動閥門V-2與輻射末端6的入口 6a 間取任一點m，在電動閥門V-1與工質泵4出口間取任一點n，在點m和η之間設置管道，并 在管道上設置電動閥門V-3 ;所述儲液罐3的高度小于太陽能電池1的高度。
[0023] 當溫度探頭7采集到太陽能電池冷卻器2中的溫度大于等于輻射末端6溫度值 時，電動閥門V-2、電動閥門V-1開啟，電動閥門V-3、排氣閥V-4、排氣閥V-5關閉，鍋爐5不 進行工作；當溫度探頭7檢測到太陽能電池冷卻器2中的溫度大于冷卻液凝固臨界值a且 小于輻射末端6溫度值時，電動閥門V-2、電動閥門V-1開啟，電動閥門V-3、排氣閥V-4、排 氣閥V-5關閉，鍋爐5進行工作；當溫度探頭7感受到太陽能電池冷卻器2中的溫度小于等 于冷卻液凝固臨界值a時，電動閥門V-2、電動閥門V-1關閉，電動閥門V-3、排氣閥V-4、排 氣閥V-5開啟，鍋爐5進行工作。
[0024] 裝置中使用的冷卻液為水或有機溶液，例如乙酸乙酯、二氯甲烷等。
[0025] 太陽能電池板1為晶硅太陽能電池或者薄膜太陽能電池，例如砷化鎵薄膜電池、 銅銦硒薄膜電池、碲化鎘薄膜電池等。
[0026] 儲液罐3進行保溫。儲液罐3置于室內，鍋爐的補熱量以滿足室內溫度的需求。具 體地，本發(fā)明太陽能電池冷卻液防凍與熱利用方法包括： 當溫度探頭7感受到太陽能電池冷卻器2中的溫度大于等于供熱溫度值時，電動閥門 V-2、電動閥門V-1開啟，電動閥門V-3、排氣閥V-4、排氣閥V-5關閉，鍋爐5不進行工作，太 陽能電池冷卻器2中的熱量單獨進行循環(huán)供熱形成低品位熱利用模式。若當溫度探頭7檢 測到的溫度高于太陽能電池發(fā)電效率臨界值b時，增加工質泵4的轉速，裝置中循環(huán)工質的 流量增加，使太陽能電池冷卻器2出口的溫度降低。
[0027] 當溫度探頭7檢測到太陽能電池冷卻器2中的溫度大于冷卻液凝固臨界值a且小 于供熱溫度值時，電動閥門V-2、電動閥門V-1開啟，電動閥門V-3、排氣閥V-4、排氣閥V-5 關閉，鍋爐5進行工作，使鍋爐5的熱量和太陽能電池冷卻器2的熱量進行聯(lián)合循環(huán)供熱形 成補熱模式。鍋爐5的加熱量確保從太陽能電池冷卻器2出口溫度，即溫度探頭7的溫度 值，不能大于供熱溫度設定值。這樣既保證太陽能電池1的發(fā)電效率不會降低，又滿足供熱 溫度的需求。
[0028] 當溫度探頭7感受到太陽能電池冷卻器2中的溫度小于等于冷卻液凝固臨界值a 時，電動閥門V-2、電動閥門V-1關閉，電動閥門V-3、排氣閥V-4、排氣閥V-5開啟，鍋爐5進 行工作，鍋爐5的熱量單獨進行室內供熱；同時，太陽能電池冷卻器2中的冷卻液流入儲液 罐3中，避免冷卻液結凍形成太陽能電池冷卻液防凍模式。此時的鍋爐5進行工作，鍋爐5 的加熱量根據室內溫度的需求由用戶進行設定。
[0029] 其中，太陽能電池發(fā)電效率臨界值b據太陽能電池冷卻器的換熱性能確定，一般 情況其范圍為30°C -35°C;冷卻液凝固臨界值a根據冷卻液的種類進行選擇，一般要比冷卻 液的凝固點高1°C到2°C ;供熱溫度值根據用戶自行調節(jié)，一般情況不高于30°C。例如：用 水作冷卻液，臨界值a可以取1°C。
[0030] 實施例1 以水作為冷卻液為例，進一步說明： 當溫度探頭7感受到太陽能電池冷卻器2中的溫度為32°C大于等于供熱溫度值26°C 時由用戶自行設定，電動閥門V-2、電動閥門V-1開啟，電動閥門V-3、排氣閥V-4、排氣閥 V-5關閉，鍋爐5不進行工作，太陽能電池冷卻器2中的熱量單獨進行循環(huán)供熱形成低品位 熱利用模式。若當溫度探頭7檢測到的溫度高于太陽能電池發(fā)電效率臨界值35°C時，增加 工質泵4的轉速，裝置中循環(huán)工質水的流量增加，使太陽能電池冷卻器2出口的溫度降低； 當溫度探頭7檢測到太陽能電池冷卻器2中的溫度為18°C大于水的凝固臨界值1°C且 小于供熱溫度值26°C時由用戶自行設定，電動閥門V-2、電動閥門V-1開啟，電動閥門V-3、 排氣閥V-4、排氣閥V-5關閉，鍋爐5進行工作，使鍋爐5的熱量和太陽能電池冷卻器2的熱 量進行聯(lián)合循環(huán)供熱形成補熱模式。這樣既保證太陽能電池1的發(fā)電效率不會降低，又滿 足供熱溫度的需求。
[0031] 當溫度探頭7感受到太陽能電池冷卻器2中的溫度等于水的凝固臨界值1°C時，電 動閥門V-2、電動閥門V-1關閉，電動閥門V-3、排氣閥V-4、排氣閥V-5開啟，鍋爐5進行工 作，鍋爐5的熱量單獨進行室內供熱；同時，由于儲液罐3的標高低于太陽能電池1的標高， 所以太陽能電池冷卻器2中的水會在重力的作用下流入儲液罐中，避免冷卻液結凍形成太 陽能電池冷卻液防凍模式。此時的鍋爐5進行工作，鍋爐5的加熱量根據室內溫度的需求 由用戶進行設定。當處于熱利用與補熱模式情況時，儲液罐3中的冷卻液回流到太陽能電 池冷卻器2中，此時，電動閥門V-2、電動閥門V-1開啟，電動閥門V-3、排氣閥V-4、排氣閥 V-5關閉，而且整個裝置也不與大氣相通，在工質泵4的作用下，冷卻劑依次通過儲液罐3、 太陽能電池冷卻器2、輻射末端6、鍋爐5、工質泵4、儲液罐3進行循環(huán)，進而冷卻劑進入太 陽能電池冷卻器2中進行工作。
【權利要求】
1. 一種太陽能電池冷卻液防凍與熱利用裝置，其特征在于：該裝置包括太陽能電池 (1)、太陽能電池冷卻器（2)、溫度探頭（7)、輻射末端（6)、鍋爐（5)、工質泵（4)以及儲液罐 (3);所述的太陽能電池冷卻器（2)位于所述太陽能電池（1)的背面；所述溫度探頭（7)設 置于所述太陽能電池冷卻器（2)出口 2b處；所述太陽能電池冷卻器（2)出口 2b與所述輻 射末端（6)的入口 6a連接，所述輻射末端（6)的出口 6b與所述鍋爐（5)入口 5b連接；所述 鍋爐（5 )出口 5a與工質泵（4)的入口連接，所述工質泵（4)的出口與儲液罐（3 )的3b端連 接；所述儲液罐（3)的3a端與所述太陽能電池冷卻器（2)的入口 2a連接； 在儲液罐（3)的頂部設置排氣管，且在排氣管上設置有排氣閥V-4 ;在所述溫度探頭 (7)與所述輻射末端（6)的入口 6a之間依次設置有排氣閥V-5和電動閥門V-2 ;在所述工 質泵（4)的出口與儲液罐（3)的3b端之間設置有電動閥門V-1 ;在電動閥門V-2與輻射末 端（6)的入口 6a間取任一點m，在電動閥門V-1與工質泵（4)出口間取任一點n，在點m和 η之間設置管道，并在管道上設置電動閥門V-3 ;所述儲液罐（3)的高度小于太陽能電池（1) 的高度； 當溫度探頭（7)采集到太陽能電池冷卻器（2)中的溫度大于等于輻射末端（6)溫度值 時，電動閥門V-2、電動閥門V-1開啟，電動閥門V-3、排氣閥V-4、排氣閥V-5關閉，鍋爐（5 ) 不進行工作；當溫度探頭（7)檢測到太陽能電池冷卻器（2)中的溫度大于冷卻液凝固臨界 值a且小于輻射末端（6 )溫度值時，電動閥門V-2、電動閥門V-1開啟，電動閥門V-3、排氣閥 V-4、排氣閥V-5關閉，鍋爐（5)進行工作；當溫度探頭（7)感受到太陽能電池冷卻器（2)中 的溫度小于等于冷卻液凝固臨界值a時，電動閥門V-2、電動閥門V-1關閉，電動閥門V-3、 排氣閥V-4、排氣閥V-5開啟，鍋爐（5)進行工作。
2. 根據權利要求1所述的太陽能電池冷卻液防凍與熱利用裝置，其特征在于：裝置中 使用的冷卻液為水或有機溶液。
3. 根據權利要求1所述的太陽能電池冷卻液防凍與熱利用裝置，其特征在于：太陽能 電池板（1)為晶硅太陽能電池或者薄膜太陽能電池。
4. 一種利用權利要求1所述裝置的太陽能電池冷卻液防凍與熱利用方法，其特征在 于： 當溫度探頭（7)感受到太陽能電池冷卻器（2)中的溫度大于等于供熱溫度值時，電動 閥門V-2、電動閥門V-1開啟，電動閥門V-3、排氣閥V-4、排氣閥V-5關閉，鍋爐（5)不進行 工作，太陽能電池冷卻器（2)中的熱量單獨進行循環(huán)供熱形成低品位熱利用模式：若當溫 度探頭（7)檢測到的溫度高于太陽能電池發(fā)電效率臨界值b時，增加工質泵（4)的轉速，裝 置中循環(huán)工質的流量增加，使太陽能電池冷卻器（2)出口的溫度降低； 當溫度探頭（7)檢測到太陽能電池冷卻器（2)中的溫度大于冷卻液凝固臨界值a且小 于供熱溫度值時，電動閥門V-2、電動閥門V-1開啟，電動閥門V-3、排氣閥V-4、排氣閥V-5 關閉，鍋爐（5)進行工作，使鍋爐（5)的熱量和太陽能電池冷卻器（2)的熱量進行聯(lián)合循環(huán) 供熱形成補熱模式： 當溫度探頭（7)感受到太陽能電池冷卻器（2)中的溫度小于等于冷卻液凝固臨界值a 時，電動閥門V-2、電動閥門V-1關閉，電動閥門V-3、排氣閥V-4、排氣閥V-5開啟，鍋爐（5 ) 進行工作，鍋爐（5)的熱量單獨進行室內供熱；同時，太陽能電池冷卻器（2)中的冷卻液流 入儲液罐（3)中，避免冷卻液結凍形成太陽能電池冷卻液防凍模式。
【文檔編號】H02S40/44GK104065338SQ201410316019
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月4日 優(yōu)先權日:2014年7月4日
【發(fā)明者】陳九法, 齊東昇, 杜中玲 申請人:東南大學