CN104358962A - 冻土埋管的太阳能光电转换蓄热/蓄电伴热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种冻土埋管太阳能光电转换蓄热/蓄电伴热系统，其是：(1)在用户端流体管道冻土层埋深部分采用太阳能光电转换系统对储热、伴热电阻丝进行通电加热，实现全天候伴热流体供应；(2)用于埋入冻土层内主干管道的伴热保护，防止流体主干管道冻结(凝固)；(3)在用户端流体管道冻土层埋深部分周围包裹相变储热材料保温层，通过白天通电储热，夜间凝固放热，实现热量的储存和延时释放；(4)采用蓄电池将太阳能光电转换系统剩余电量进行储存，采用温控系统根据管道周围实时温度对电路进行控制，实现间断式供电伴热，节约能源。本发明具有结构简单灵活、节能环保等特点，同时无需额外供电和动力设备，能大大减少投资、维护和运营成本。

Description

冻土埋管的太阳能光电转换蓄热/蓄电伴热系统
技术领域
本发明属于太阳能光电转换、热工设备、能源高效利用技术领域，具体涉及一种冻土埋管太阳能光电转换蓄热/蓄电伴热系统。
背景技术
在我国高山或高原地区,由于常年温度较低，潮湿的土壤呈冻结状态，这种现象在气象学上称为冻土。有些地区的冻土常延至盛夏才能融化，向永久冻土层过渡，即至9月份未化完，而新的一年的冻土过程又开始。我国经夏不化的永冻土面积约有214.8万平方公里，主要集中在青藏高原和大小兴安岭地区。冻土气象对建筑、工程施工、交通运输和农田水利建设都具有重要影响。在季节性冻土地区埋设输油管道和自来水管等地下管道时，往往出现管道内流体结冰的问题和管道冻裂的危险。因此，在高原地区埋设自来水管一直是亟待解决的难题。据统计，2012年西藏和青海两个省的自来水生产量均不到全国各省平均自来水生产量的10％。目前在高原寒冷地区供水通常是在采取单一的加热或绝热措施，或者深埋至冻土层以下，由于高原地区冻土层深度可达几米至几十米，采用深埋的方式会造成巨大的人力、物力的浪费。
发明内容
本发明提供了一种冻土埋管太阳能光电转换蓄热/蓄电伴热系统，包括基于高原冻土地区埋管流体特性的太阳能光电转换系统、能够实现热量储存和延时释放的相变储热系统、根据温度监控实现蓄电和放电的能量储存和延时释放技术，以及集热-发电-储热-放热匹配设计技术。
本发明的目的通过以下三个技术方案来实现。
其一：
一种冻土埋管的太阳能光电转换蓄热伴热系统，在用户端流体管道冻土埋深部分环绕有用户端流体管道电加热丝，并且周围包裹相变材料储热保温层，储热保温层电加热丝设置在相变材料储热保温层内；采用太阳能光电转换通过所述的用户端流体管道电加热丝和相变材料储热保温层及内部的储热保温层电加热丝提供储热和伴热所需的热量，防止夜间管内流体冻结。
其二：
一种冻土埋管的太阳能光电转换蓄电伴热系统，在用户端流体管道冻土埋深部分环绕有用户端流体管道电加热丝，采用太阳能光电转换一方面通过用户端流体管道电加热丝提供伴热所需的热量，
一方面将电能存储到太阳能蓄电池；太阳能光伏发电器和太阳能蓄电池组成供电装置；夜间的供电只由太阳能蓄电池完成。
其三：
一种冻土埋管的太阳能光电转换蓄电主干管道伴热系统，在冻土层内的流体主干管道上缠绕主干管道伴热加热丝，采用太阳能光电转换一方面通过提供伴热所需的热量，一方面将电能存储到太阳能蓄电池；太阳能光伏发电器和太阳能蓄电池组成供电装置；夜间的供电只由太阳能蓄电池完成。
本发明适应昼夜温差较大的高原地区，根据流体供应特点，在有太阳光照的时间段，通过太阳能光电系统采集吸收太阳能，通过太阳能光伏发电，基于相变材料实现电加热热量昼间储存和夜间释放的延时性供热，或基于蓄电技术和温控技术实现间断式通电伴热保护，确保冻土层内埋设的流体管道实现全天候伴热供应。本发明的有益效果是：利用高原地区充裕的太阳能资源，通过高效光电转换技术、相变材料储热放热技术、温控蓄电-放电等一系列创新技术集成，保障高原冻土地区全天候供水。相比于现有简单管道深埋或采用电网供电电加热技术，本发明能够大大减小冻土埋管埋设深度，降低工程施工成本，同时又能克服高原地区电力资源紧缺的现状，在无供电线路的地区铺设流体管道。该系统经过优化匹配设计，在无需附加动力设备的情况下能够实现各种高原冻土地区的流体供应，减少投入和运营成本，运行维护成本也将降低。
附图说明
图1为冻土埋管太阳能光电转换蓄热伴热系统。
图2为冻土埋管太阳能光电转换蓄电伴热系统。
图3为冻土埋管的太阳能光电转换蓄电主干管道伴热系统。
图中标记：
太阳能光伏组件1，支架2，太阳能光伏发电器3，导线4，主干管道伴热加热丝5，用户端流体管道电加热丝5-1，储热保温层电加热丝5-2，相变材料储热保温层6，保温层套筒7，用户端流体管道8，流体主干管道9，冻土层10，太阳能蓄电池11，电路开关12，温度探头13。
具体实施方式
本发明适用于高原冻土区的流体管道保温。下面结合图1-图3，对本发明的几种实施例作具体说明：
图1为一种冻土埋管的太阳能光电转换蓄热伴热系统，包括有太阳能光伏组件1、太阳能光伏发电器3、用户端流体管道8、流体主干管道9、用户端流体管道电加热丝5-1、储热保温层电加热丝5-2、相变材料储热保温层6。其中太阳能光伏组件1架设在支架2上，其采集的太阳能供太阳能光伏发电器3发电。流体主干管道9埋设在冻土层10内，流体由用户端流体管道8引出。用户端流体管道电加热丝5-1环绕在用户端流体管道8位于冻土层10内埋深部分，在用户端流体管道8冻土埋深部分周围包裹相变材料储热保温层6，储热保温层电加热丝5-2设置在相变材料储热保温层6内。相变材料储热保温层6外圈套有一保温层套筒7。所述的太阳能光伏发电器3通过导线4与用户端流体管道电加热丝5-1及储热保温层电加热丝5-2电连接。
当白天温度较高和有光照时，太阳能光伏组件1捕获太阳能，通过太阳能光伏发电器3发电，所发的电一部分给缠绕在用户端流体管道8进行加热；一部分用来加热相变材料储热保温层6，将热量传递给相变材料，相变材料融化，储存热量，所选的相变材料的凝固点高于管道内流体凝固点，使得流体管道内的流体不冻结(凝固)。夜间无光照和温度较低时，相变材料储热保温层6内的相变材料受冷凝固，释放潜热，保证流体管道附近区域介质不引起管道内流体结冻(凝固)。相变材料储热保温层6由泡沫金属和蜡质相变材料或相变温度适宜的材料复合组成，既起到保温作用，同时相变材料在凝固时能释放大量潜热，非常适合于热量的储存。流体主管道9由于一直有流体流动携带能量，非极低温冻土层区域可不用伴热管道。用户端流体管道8由于夜间管内流体静止，易发生冻结(凝固)，需进行伴热保护。
在上述冻土埋管太阳能光电转换的储热伴热系统中，所述的太阳能光伏组件1为现有的太阳能设备，包括光伏板、光电转换装置等。所述相变材料储热保温层6置于上下开口的圆柱型保温层套筒7中，其中保温层套筒7的上开口直径应等于或大于4倍用户端流体管道8的管径，下开口直径应等于或大于2倍用户端流体管道8的管径。在系统安装时，先将用户端流体管道电加热丝5-1缠绕于用户端流体管道8上，将保温层套筒7套在用户端流体管道8之外，埋入地表下，最后在保温层套筒7内填充储热保温层电加热丝5-2和相变材料储热保温层6。所述的相变材料储热保温层6内的相变材料是在泡沫金属多孔材料中填充蜡质相变材料或其它相变温度适合的蓄热材料，既起到保温作用，同时蜡质相变材料在凝固时能释放大量潜热，非常适合于热量的储存。
图2为冻土埋管的太阳能光电转换蓄电伴热系统，包括有太阳能光伏组件1、太阳能光伏发电器3、用户端流体管道8、流体主干管道9、用户端流体管道电加热丝5-1、太阳能蓄电池11。其中太阳能光伏组件1架设在支架2上，其采集的太阳能供太阳能光伏发电器3发电。流体主干管道9埋设在冻土层10内，流体由用户端流体管道8引出。用户端流体管道电加热丝5-1环绕在用户端流体管道8位于冻土层10内埋深部分。所述的太阳能光伏发电器3与太阳能蓄电池11连接，白天光照条件充足的情况下，太阳能光伏发电器3的电能一部分对流体管道进行伴热供应，剩余部分电能采用蓄电池11进行储存，夜间和温度较低时，采用蓄电池11所蓄电量对电加热丝进行通电伴热，防止夜间管内流体冻结(凝固)。太阳能光伏发电器3和太阳能蓄电池11组成供电装置；所述的供电装置通过导线4与用户端流体管道电加热丝5-1电连接。与图1所示的太阳能光电转换蓄热伴热系统在电路上不同的是：所述的供电装置与用户端流体管道电加热丝5-1之间设有一温度控制开关系统。该温度控制开关系统由电路开关12和温度探头13组成，温度探头13埋入用户端流体管道8附近，电路开关12设置在导线4上，控制电路的通断。温度探头13监控用户端流体管道8附近土壤温度，当土壤温度比流体凝固点温度低3℃(或更高温差)时，电路开关12接通，给用户端流体管道加热丝5-1通电加热，防止管道内流体结冰(或凝固),当温差小于3℃时，切断电路，节约能源。夜间的供电只由太阳能蓄电池11完成。
图3为冻土埋管的太阳能光电转换蓄电主干管道伴热系统，与图2实施方式类似，它包括有太阳能光伏组件1、太阳能光伏发电器3、用户端流体管道8、流体主干管道9、太阳能蓄电池11。其中太阳能光伏组件1架设在支架2上，其采集的太阳能供太阳能光伏发电器3发电。流体主干管道9埋设在冻土层10内，流体由用户端流体管道8引出。与图2的系统所不同的是，作为伴热设施，其主干管道伴热加热丝5不是设置在用户端流体管道8上，而是缠绕在冻土层10内的流体主干管道9上。所述的太阳能光伏发电器3与太阳能蓄电池11连接，白天光照条件充足的情况下，太阳能光伏发电器3的电能一部分对流体管道进行伴热供应，剩余部分电能采用蓄电池11进行储存，夜间和温度较低时，采用蓄电池11所蓄电量对电加热丝进行通电伴热，防止夜间管内流体冻结(凝固)。太阳能光伏发电器3和太阳能蓄电池11组成供电装置；所述的供电装置通过导线4与主干管道伴热加热丝5连接。供电装置与主干管道伴热加热丝5之间设有一温度控制开关系统。该温度控制开关系统由电路开关12和温度探头13组成，温度探头13埋入流体主干管道9附近，电路开关12设置在导线4上，控制电路的通断。温度探头13监控流体主干管道9附近土壤温度，当土壤温度比流体凝固点温度低3℃(或更高温差)时，电路开关12接通，给主干管道伴热加热丝5通电加热，防止管道内流体结冰(或凝固),当温差小于3℃时，切断电路，节约能源。与图2所示的实施例相同，本系统夜间的供电也只由太阳能蓄电池11完成。此系统是根据主干管道附近冻土层温度对其进行间断式伴热，防止处于冻土层的主干管道内流体冻结(或凝固)，可减小主干管道埋设深度，降低工程施工成本。
在以上的三个实施例中，所述的太阳能光伏发电器3放置于配电箱内，配电箱放置于太阳能光伏板下，可防止日晒和雨淋。
本发明适用于昼夜温差较大、太阳能资源丰富的高原地区，根据冻土层地区埋管内流体供应特点，通过太阳能光伏发电，基于相变材料实现热量昼间储存和夜间释放的延时性供热，或基于蓄电技术和温控技术实现间断式通电伴热保护，确保冻土层内埋设的流体管道实现全天候伴热供应。
当结合附图考虑时，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，以上所述为本发明的实施例，本发明的保护范围不局限于此，任何基于本发明技术方案上的等效变换均属于本发明有效保护范围之内。

Claims (10)

1.一种冻土埋管的太阳能光电转换蓄热伴热系统，其特征在于：在用户端流体管道(8)冻土埋深部分环绕有用户端流体管道电加热丝(5-1)，并且周围包裹相变材料储热保温层(6)，储热保温层电加热丝(5-2)设置在相变材料储热保温层(6)内；采用太阳能光电转换通过所述的用户端流体管道电加热丝(5-1)和相变材料储热保温层(6)及内部的储热保温层电加热丝(5-2)提供储热和伴热所需的热量，防止夜间管内流体冻结。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：它包括有太阳能光伏组件(1)、太阳能光伏发电器(3)、用户端流体管道(8)、流体主干管道(9)、用户端流体管道电加热丝(5-1)、储热保温层电加热丝(5-2)、相变材料储热保温层(6)；其中太阳能光伏组件(1)采集的太阳能供太阳能光伏发电器(3)发电；流体主干管道(9)埋设在冻土层(10)内，流体由用户端流体管道(8)引出；用户端流体管道电加热丝(5-1)环绕在用户端流体管道(8)位于冻土层(10)内埋深部分，在用户端流体管道(8)冻土埋深部分周围包裹相变材料储热保温层(6)，储热保温层电加热丝(5-2)设置在相变材料储热保温层(6)内；所述的太阳能光伏发电器(3)通过导线(4)与用户端流体管道电加热丝(5-1)及储热保温层电加热丝(5-2)电连接。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于：所述相变材料储热保温层(6)置于上下开口的圆柱型保温层套筒(7)中，其中保温层套筒(7)的上开口直径等于或大于4倍用户端流体管道(8)的管径，下开口直径等于或大于2倍用户端流体管道(8)的管径。
4.根据权利要求1、2或3所述的系统，其特征在于：所述的相变材料储热保温层(6)由泡沫金属和蜡质相变材料或相变温度适宜的材料复合组成。
5.一种冻土埋管的太阳能光电转换蓄电伴热系统，其特征在于：在用户端流体管道(8)冻土埋深部分环绕有用户端流体管道电加热丝(5-1)，采用太阳能光电转换一方面通过用户端流体管道电加热丝(5-1)提供伴热所需的热量，一方面将电能存储到太阳能蓄电池(11)；太阳能光伏发电器(3)和太阳能蓄电池(11)组成供电装置。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：它包括有太阳能光伏组件(1)、太阳能光伏发电器(3)、用户端流体管道(8)、流体主干管道(9)、用户端流体管道电加热丝(5-1)、与太阳能光伏发电器(3)连接的太阳能蓄电池(11)；流体主干管道(9)埋设在冻土层(10)内，流体由用户端流体管道(8)引出；所述的供电装置通过导线(4)与用户端流体管道电加热丝(5-1)电连接。
7.根据权利要求5或6所述的系统，其特征在于：所述的供电装置与用户端流体管道电加热丝(5-1)之间设有一温度控制开关系统，该温度控制开关系统由电路开关(12)和温度探头(13)组成；温度探头(13)埋入用户端流体管道(8)附近，电路开关(12)设置在导线(4)上，控制电路的通断。
8.一种冻土埋管的太阳能光电转换蓄电主干管道伴热系统，其特征在于：在冻土层(10)内的流体主干管道(9)上缠绕主干管道伴热加热丝(5)，采用太阳能光电转换一方面通过提供伴热所需的热量，一方面将电能存储到太阳能蓄电池(11)；太阳能光伏发电器(3)和太阳能蓄电池(11)组成供电装置。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：它包括有太阳能光伏组件(1)、太阳能光伏发电器(3)、用户端流体管道(8)、流体主干管道(9)、与太阳能光伏发电器(3)连接的太阳能蓄电池(11)；流体主干管道(9)埋设在冻土层(10)内，流体由用户端流体管道(8)引出；所述的供电装置通过导线(4)与主干管道伴热加热丝(5)电连接。
10.根据权利要求8或9所述的系统，其特征在于：所述的供电装置通过导线(4)与主干管道伴热加热丝(5)连接；供电装置与主干管道伴热加热丝(5)之间设有一温度控制开关系统，该温度控制开关系统由电路开关(12)和温度探头(13)组成，温度探头(13)埋入流体主干管道(9)附近，电路开关(12)设置在导线(4)上，控制电路的通断。
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