CN102418954B - 一种利用太阳能实现热水供应和发电的热能综合利用装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用太阳能供应舒适热水和实现发电的热能综合利用装置，主要由两部分构成：太阳能热水系统以及朗肯循环系统。该装置能够根据用户设定的供水温度进行调节，利用太阳能集热器把水加热，并对集热器的出水进行热能回收或者循环加热。如果集热器出水温度高于设定供水温度，启用朗肯循环系统将高温热能转变成电能；如果用户侧水箱的供水温度低于设定温度，则利用太阳能集热器对用户水箱进行加热，确保用户水箱始终提供舒适热水。该装置可以增加太阳能的利用量和利用效率，提高生活热水的舒适度，实现太阳能供应生活热水和发电的综合利用，避免集热器热能过剩造成对水源的蒸发浪费，适用于民用和工业太阳能热水器的技术升级和技术改造。

Description

一种利用太阳能实现热水供应和发电的热能综合利用装置

技术领域

本发明涉及可再生能源——太阳能热能的利用以及能源利用率领域，尤其涉及一种利用太阳能实现热水供应和发电的热能综合利用装置。

背景技术

可再生能源是可以持续利用的能源资源，如水能、风能、太阳能、生物质能和海洋能等，不存在资源枯竭问题。随着越来越多的国家采取鼓励可再生能源的政策和措施，可再生能源的生产规模和使用范围正在不断扩大。就太阳能而言，太阳能的利用有热利用和光电转换两种方式。如今太阳能热利用方面比较多的就是太阳能热水器，吸收太阳能辐射来加热水，供应人们生活、生产中需要的热水，节省电力或者化石燃料。而在光电转换方面，太阳能的利用还不是很普及，利用太阳能发电还存在成本高、转换效率低的问题。

太阳能热利用往往存在热能过剩的问题，安装太阳能的场所由于生活热水的供应量和供应温度的限制，一方面，建筑物只要部分向阳面积安装太阳能集热器就能满足热水需求，未安装集热器的向阳面积没有得到利用；另一方面，在太阳能旺盛的季节或者热水用量减少时期，集热器捕捉的太阳能超过热能需求量，这会造成集热器过热，水在集热器中沸腾蒸发，浪费水源。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种利用太阳能实现热水供应和发电的热能综合利用装置，用户设定热水温度，装置根据需要对集热器出水进行热能回收或者循环加热。如果集热器出水温度超过设定供水温度，启用朗肯循环将高温热能转变成电能，并向用户水箱提供符合设定温度的舒适热水；如用户侧水箱的供水温度低于设定温度，则利用太阳能集热器对用户水箱进行加热，确保用户水箱始终提供舒适热水。既提高了太阳能的利用效率，又提高了生活热水的舒适度。解决现有技术存在的能源利用率低、能源浪费以及功能单一的问题。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的一种利用太阳能实现热水供应和发电的热能综合利用装置，其主要由两部分构成：太阳能热水系统以及朗肯循环系统。太阳能热水系统主要是利用太阳能集热器收集太阳辐射能把水加热，提供热水；朗肯循环系统利用高温的水作为热源，将余热转化为机械功和电能。

本发明热能综合利用装置包括水泵、第一单向阀、太阳能集热器、第一三通阀、蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质循环泵、第二三通阀、生活水箱、排污阀、第二单向阀、电磁阀、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、排气溢流管，其中：

水泵、第一单向阀、太阳能集热器、蒸发器、第二三通阀依次连接，太阳能集热器的输出端与蒸发器的第二输入端相连，蒸发器的第二输出端与第二三通阀的输入端相连，第二三通阀的第一输出端接上水泵的输入端；

蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质循环泵依次连接，膨胀机的输入端连接蒸发器的第一输出端，膨胀机的输出端连接冷凝器的第一输入端，工质循环泵的输入端连接冷凝器的第一输出端，工质循环泵的输出端连接蒸发器的第一输入端；

冷凝器的第二输入端连接第一三通阀的第二输出端，冷凝器的第二输出端连接生活水箱的输入端，第二三通阀的第二输出端连接至冷凝器的第二输出端与生活水箱的输入端之间的管路；

生活水箱的第一输出端与电磁阀、第二单向阀、水泵依次连接，第一三通阀的第一输出端连接至电磁阀与第二单向阀之间的管路；

第一三通阀的输入端与自来水管路相连，生活水箱的第二输出端连接用户端，生活水箱底部有排污阀，顶部有排气溢流管；

太阳能集热器与蒸发器之间的管路上安装有第一温度传感器，靠近生活水箱的输入端管路上安装第二温度传感器，生活水箱内安装第三温度传感器。

本发明的主要原理是：利用太阳能集热器收集太阳辐射能把水加热，提供热水；以集热器出水作为热源，以常温水(自来水、或者冷却塔回水、或者地源水)作为冷源，应用朗肯循环将高于设定温度的热能转化为电能。该装置能够提高热水的舒适度，确保用户热水水箱的温度始终处于设定区间，同时把多余热能转变成电能，提高太阳能利用率，实现持续、可靠运行。

本发明的工作过程：水泵开启运行阶段，控制第一三通阀的第二输出端被堵上，自来水在水泵的作用下进入太阳能集热器，太阳能集热器吸收太阳辐射能把水加热，第一温度传感器检测太阳能集热器出口的水温。

系统运行之前设定两个温度值，当检测到的太阳能集热器出口水温低于设定的低温度值时，朗肯循环系统不工作，同时关闭自来水，仅水泵工作，并控制第二三通阀的第二输出端被堵住，从太阳能集热器出来的水经过蒸发器后直接回到太阳能集热器中继续被加热；

当检测到的太阳能集热器出口水温介于设定的两个温度值之间时，朗肯循环系统不工作，同时打开自来水进行补水，仅水泵工作，并控制第一三通阀的第二输出端被堵住，第二三通阀的第一输出端被堵住，从太阳能集热器出来的水经过蒸发器后直接进入生活水箱；

当检测到的太阳能集热器出口水温高于设定的高温度值时，朗肯循环系统运行，从太阳能集热器出来的水进入蒸发器，在蒸发器内与朗肯循环工质进行热交换，水温有所降低。冷凝水直接接自于自来水，开始时刻控制第一三通阀的第一输出端被堵住，自来水进入冷凝器，在冷凝器内与朗肯循环工质进行热交换，水温有所升高。与此同时低温低压的循环工质经工质循环泵加压后在蒸发器内与高温水进行热交换，吸收水的热量而蒸发，发生相变；接着循环工质蒸汽被吸入膨胀机膨胀做功，膨胀机排出的低压工质蒸汽在冷凝器内与冷凝水进行热交换被冷凝；如此循环工作。第二温度传感器检测送入生活水箱之前的水温，若高于温度设定值，则控制第二三通阀的第二输出端被堵住，保持第一三通阀的第一输出端被堵住，送入生活水箱的水直接是经过换热后的冷凝水，从蒸发器出来的水全部流经第二三通阀被水泵抽送到太阳能集热器中继续被加热；若第二温度传感器检测到的温度值低于设定值，则通过控制第二三通阀的阀芯位置实现从蒸发器出来的水一部分进入太阳能集热器中继续被加热，另一部分与冷凝水混合后送入生活水箱，同时控制第一三通阀的阀芯位置实现自来水一部分进入太阳能集热器，给其补水，另一部分进入冷凝器进行换热。生活水箱内的第三温度传感器检测生活水箱内的水的温度，生活水箱内的水经过一段时间之后温度会有所下降，当第三温度传感器检测到的水温低于某一温度设定值时，则打开电磁阀，控制第一三通阀的第一输出端被堵住，生活水箱内的水在水泵的作用下被送入太阳能集热器中继续加热。

本发明提出的一体式空气源与地源复合型热泵装置，采用的是空气-制冷剂-水混合式的室外换热器，冷媒管中的制冷剂不仅可以通过冷媒管管壁和翅片与空气换热，同时可以与内含在冷媒管中、与制冷剂充分接触的水管中的地源循环水进行换热。对于同样一个暖通空调系统，对比完全使用地源热泵，使用本发明的一体式空气源与地源复合型热泵装置，可以减少地源热泵的打井和管材投资，由于可以选择性的排热到空气中或从空气中取热，本发明可以有效地避免地源热泵长期使用造成的土壤热堆积或冷堆积问题，保证本发明的热泵系统长期、可持续、高效地运行；在冬季，北方寒冷地区环境温度过低时，本发明的热泵系统仍可以从土壤取热，正常地为室内供暖，而对于南方的潮湿地区，翅片容易发生结霜问题，本发明的热泵系统不需要通过频繁的停机除霜或者复杂的设备部件设计来实现除霜功能，仍可以从土壤取热，正常地为室内供暖。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明利用太阳能实现光热转换，使水从低温度加热到高温度；以高温水作为热源，应用朗肯循环实现余热利用，将余热转换为机械功及电能，提高了能源利用率，能够实现光热转换以及光电转换两种功能。

2、本发明将经过热交换后的温度较高的水再送回到太阳能集热器中加热，相对于直接将常温水送到集热器中加热，对于使水达到同一较高温度而言，缩短了加热时间，实现了系统的持续运行。

3、本发明实现了生活水箱内水持续保持在某一段温度范围内。

附图说明

图1为太阳能热水器热能利用系统循环原理图；

其中有：水泵1、第一单向阀2、太阳能集热器3、第一三通阀4、蒸发器5、膨胀机6、冷凝器7、工质循环泵8、第二三通阀9、生活水箱10、排污阀11、第二单向阀12、电磁阀13、第一温度传感器14、第二温度传感器15、第三温度传感器16、排气溢流管17。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1，图中示出了本发明利用太阳能实现热水供应和发电的热能综合利用装置的循环原理图。该热能综合利用装置包括水泵1、第一单向阀2、太阳能集热器3、第一三通阀4、蒸发器5、膨胀机6、冷凝器7、工质循环泵8、第二三通阀9、生活水箱10、排污阀11、第二单向阀12、电磁阀13、第一温度传感器14、第二温度传感器15、第三温度传感器16、排气溢流管17，其中：

水泵1、第一单向阀2、太阳能集热器3、蒸发器5、第二三通阀9依次连接，太阳能集热器3的输出端与蒸发器5的第二输入端5d相连，蒸发器5的第二输出端5b与第二三通阀9的输入端9a相连，第二三通阀9的第一输出端9b接上水泵1的输入端；

蒸发器5、膨胀机6、冷凝器7、工质循环泵8依次连接，膨胀机6的输入端连接蒸发器5的第一输出端5c，膨胀机6的输出端连接冷凝器7的第一输入端7a，工质循环泵8的输入端连接冷凝器7的第一输出端7c，工质循环泵8的输出端连接蒸发器5的第一输入端5a；

冷凝器7的第二输入端7d连接第一三通阀4的第二输出端4c，冷凝器7的第二输出端7b连接生活水箱10的输入端10a，第二三通阀9的第二输出端9c连接至冷凝器7的第二输出端7b与生活水箱10的输入端10a之间的管路；

生活水箱10的第一输出端10b与电磁阀13、第二单向阀12、水泵1依次连接，第一三通阀4的第一输出端4b连接至电磁阀13与第二单向阀12之间的管路；

第一三通阀4的输入端4a与自来水管路相连，生活水箱10的第二输出端10c接用户端，生活水箱10底部有排污阀11，顶部有排气溢流管17；

太阳能集热器3与蒸发器5之间的管路上安装有第一温度传感器14，靠近生活水箱10的输入端10a管路上安装第二温度传感器15，生活水箱10内安装第三温度传感器16。

本发明利用太阳能实现热水供应和发电的热能综合利用装置的运行原理与过程如下：

太阳能热水系统部分：水泵1开启运行阶段，控制第一三通阀4的第二输出端4c被堵上，自来水从第一三通阀4的第一输出端4b流出，流经第二单向阀12，由于水泵1的作用流经第一单向阀2进入太阳能集热器3，太阳能集热器3吸收太阳辐射能把水加热，第一温度传感器14检测太阳能集热器3出口的水温。系统运行之前设定两个温度值，比较第一温度传感器检测的太阳能集热器出口的水温与设定温度值，根据比较结果决定从太阳能集热器出来的水是直接回到太阳能集热器3中继续被加热、送入生活水箱10还是作为热源应用于朗肯循环。现以90℃、50℃为例进行说明，当检测到的太阳能集热器3出口水温低于50℃时，朗肯循环系统不工作，同时关闭自来水，仅水泵1工作，并控制第二三通阀9的第二输出端9c被堵住，从太阳能集热器3出来的水经过蒸发器5、第二三通阀9、水泵1直接回到太阳能集热器3中继续被加热；当检测到的太阳能集热器3出口水温介于50℃和90℃之间时，朗肯循环系统不工作，同时打开自来水进行补水，仅水泵1工作，并控制第一三通阀4的第二输出端4c被堵住，第二三通阀9的第一输出端9b被堵住，从太阳能集热器3出来的水经过蒸发器5、第二三通阀9由生活水箱10的输入端10a进入生活水箱10；当检测到的太阳能集热器3出口水温高于90℃时，朗肯循环系统运行。

朗肯循环系统部分：①水循环系统：第一温度传感器14处设定两个温度值，现以90℃、50℃为例进行说明。传感器一14检测到的太阳能集热器3的出口水温高于90℃时，朗肯循环系统运行。从太阳能集热器3出来的水由蒸发器5的第二输入端5d流入蒸发器5、第二输出端5b流出，在蒸发器5内与朗肯循环工质进行热交换，水温有所降低。冷凝水直接接自于自来水，开始时刻控制第一三通阀4的第一输出端4b被堵住，自来水从第一三通阀4的第二输出端4c流出，由冷凝器7的第二输入端7d流入冷凝器7、第二输出端7b流出，在冷凝器7内与朗肯循环工质进行热交换，水温有所升高。与此同时低温低压的循环工质经工质循环泵8加压后由蒸发器5的第一输入端5a流入蒸发器5、第一输出端5c流出，在蒸发器5内与高温水进行热交换，吸收水的热量而蒸发，发生相变；接着循环工质蒸汽被吸入膨胀机6膨胀做功，膨胀机6排出的低压工质蒸汽由冷凝器7的第一输入端7a流入冷凝器7、第一输出端7c流出，在冷凝器7内与冷凝水进行热交换被冷凝；如此循环工作。第二温度传感器15处设定一温度值，现以45℃、为例进行说明。第二温度传感器15检测送入生活水箱10之前的水温，若高于温度45℃，则控制第二三通阀9的第二输出端9c被堵住，保持第一三通阀4的第一输出端4b被堵住，送入生活水箱10的水直接是经过换热后的冷凝水，从蒸发器5出来的水全部流经第二三通阀9被水泵1抽送到太阳能集热器3中继续被加热；若第二温度传感器15检测到的温度值低于45℃时，则通过控制第二三通阀9的阀芯位置实现从蒸发器5出来的水一部分流经第二三通阀9的第一输出端9b进入太阳能集热器3中继续被加热，另一部分流经第二三通阀9的第二输出端9c与冷凝水混合后送入生活水箱10，同时控制第一三通阀4的阀芯位置实现自来水一部分进入太阳能集热器3，给其补水，另一部分进入冷凝器7进行换热。生活水箱10内的第三温度传感器16检测生活水箱10内的水的温度，生活水箱(10)内的水经过一段时间之后温度会有所下降，当第三温度传感器16检测到的水温低于某一温度设定值(假设为40℃)时，则打开电磁阀13，控制第一三通阀4的第一输出端4b被堵住，生活水箱10内的水在水泵1的作用下流经第二单向阀12被送入太阳能集热器3中继续加热。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (1)

1.一种利用太阳能实现热水供应和发电的热能综合利用装置，其特征在于，该热能综合利用装置包括水泵（1）、第一单向阀（2）、太阳能集热器（3）、第一三通阀（4）、蒸发器（5）、膨胀机（6）、冷凝器（7）、工质循环泵（8）、第二三通阀（9）、生活水箱（10）、排污阀（11）、第二单向阀（12）、电磁阀（13）、第一温度传感器（14）、第二温度传感器（15）、第三温度传感器（16）、排气溢流管（17），其中：

水泵（1）、第一单向阀（2）、太阳能集热器（3）、蒸发器（5）、第二三通阀（9）依次连接，太阳能集热器（3）的输出端与蒸发器（5）的第二输入端（5d）相连，蒸发器（5）的第二输出端（5b）与第二三通阀（9）的输入端（9a）相连，第二三通阀（9）的第一输出端（9b）连接上水泵（1）的输入端；

蒸发器（5）、膨胀机（6）、冷凝器（7）、工质循环泵（8）依次连接，膨胀机（6）的输入端连接蒸发器（5）的第一输出端（5c），膨胀机（6）的输出端连接冷凝器（7）的第一输入端（7a），工质循环泵（8）的输入端连接冷凝器（7）的第一输出端（7c），工质循环泵（8）的输出端连接蒸发器（5）的第一输入端（5a）；

冷凝器（7）的第二输入端（7d）连接第一三通阀（4）的第二输出端（4c），冷凝器（7）的第二输出端（7b）连接生活水箱（10）的输入端（10a），第二三通阀（9）的第二输出端（9c）连接至冷凝器（7）的第二输出端（7b）与生活水箱（10）的输入端（10a）之间的管路；

生活水箱（10）的第一输出端（10b）与电磁阀（13）、第二单向阀（12）、水泵（1）依次连接，第一三通阀（4）的第一输出端（4b）连接至电磁阀（13）与第二单向阀（12）之间的管路；

第一三通阀（4）的输入端（4a）与自来水管路相连，生活水箱（10）的第二输出端（10c）接用户端，生活水箱（10）底部有排污阀（11），顶部有排气溢流管（17）；

太阳能集热器（3）与蒸发器（5）之间的管路上安装有第一温度传感器（14），靠近生活水箱（10）的输入端（10a）管路上安装第二温度传感器（15），生活水箱（10）内安装第三温度传感器（16）。

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