CN104728974B - 一种分布式风能/光伏独立能源驱动的冷热双效蓄能空调系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式风能/光伏独立能源驱动的冷热双效蓄能空调系统。采用分布式风能/光伏能源系统独立驱动，提升蓄能空调系统普适性，有效缓解电网供需压力。对系统蒸发器和冷凝器结构进行优化，通过加装换向阀，实现蒸发器与冷凝器功能互换，达到夏季制冰蓄冷冬季制热储热双效功能。将间接换能盘管与蓄能系统的蒸发器盘管进行同置集成，具有普通空调即开即用的效果。同时还对蒸发器与换能盘管同置集成系统结构及布局进行优化，提高系统效率。采用回收制冷或制热过程中室内空气在空调挂机或室外空气在蒸发器冷凝产生的冷凝水用于冷却制冷工质或加热蒸发器防止结冰的双效冷热回收利用技术，实现资源合理利用和能量最大化利用，提升能量综合利用率。
Description
技术领域
本发明涉及一种分布式风能/光伏独立能源驱动的冷热双效蓄能空调系统，属于蓄能式空调系统，特别是采用分布式能源驱动的蓄能式制冷与供热双效空调系统的设计与制造领域。
背景技术
随着社会进步与经济发展，空调已成为人们生活中必不可少的家用电器，尤其在严寒的冬季和酷热的夏季，空调成为人们改善宜居舒适环境的必需品，因此空调也成为家庭中耗电最多的器件。随着空调的普及使用，国家电网压力逐年增加，夏季白天和冬季晚上成为用电高峰期。国家电力部门为缓解用电高峰压力，出台制定了用电峰谷电价和阶梯电价，但是收效颇微，峰值电能消耗屡创记录，电能供需紧张形势日趋严峻。
为实现电网“移峰填谷”，提高电网负荷率，许多专家学者提出了蓄能式空调系统。现今技术成熟和推广最多的是冰蓄冷空调供冷系统，在晚上电网负荷低谷期，利用电价便宜时段驱动制冰机满负荷制冰蓄存冷量，在白天炎热时将蓄存的冷量释放供给建筑物空调系统，不仅合理利用电力资源，还降低供冷系统使用成本。现已在大型商场、医院、学校、写字楼等建筑广泛应用。
冰蓄冷空调系统有一定的使用局限性，在常年炎热无寒冷地区可得以充分使用。但全球范围内大部分地区是四季分明，冬寒夏热，冬天需要采暖，夏季需要供冷，在四季分明的地区需要空调和热泵热水机组两套设备用于夏季制冷供冷和冬季制热供暖，大幅增加了投资与使用成本。且现阶段的集中式规划化应用的蓄能式采暖供冷系统在一些电能供给不足偏远的高寒山区或炎热河谷地带无法使用。
发明内容
为克服现有蓄能式空调供冷系统与热泵热水机组采暖供热系统技术上的不足，本发明提供了一种分布式风能/光伏独立能源驱动的冷热双效蓄能空调系统，如图1所示。实现利用分布式独立风能/光伏独立能源系统供能，以增加系统普适性，驱动冷热双效蓄能系统夏季高效制冰蓄冷，冬季快速制热储热，然后采用盘管将能量换出供空调使用，采用一套设备实现夏季蓄冰供冷，冬季蓄热供暖双效功能。要解决的技术问题为。
1.分布式风能/光伏独立能源系统风力发电与光伏发电能量耦合。
2.冷热双效蓄能系统夏季制冰供冷及冬季制热供热过程中的蒸发器与冷凝器功能互换。
3.以增加系统制冷供热效率及提升能量综合利用率为目标的系统结构优化。
为解决上诉技术问题，本发明的技术方案为。
1.采用分布式风能/光伏能源系统独立供能，不仅合理利用丰富的可再生能源资源，减少投资成本，降低使用和维护资金，还能提升系统普适性，有效缓解电网用电高峰期压力。
分布式风能/光伏能源系统主要由风力发电系统和光伏发电系统组成，风力发电采用水平轴式交流永磁同步发电机，当风力达到发电机启动速度时，产生三相交流电能输出，实现风能到电能转化。光伏发电采用光伏组件，通过不同联接方式将太阳光能转化为电能。分布式风能/光伏能源系统充分耦合风能和光伏的优点，弥补各自不足，白天光伏组件和风力发电机组共同发电，晚上则利用风力进行发电，可实现24小时不间断供电，摒弃价格高昂、对环境污染严重的蓄电池储存电能，做到最大程度利用可再生资源。分布式风能/光伏能源系统工作原理图如图2所示。
为提升分布式风能/光伏独立能源系统风力发电与光伏发电能量耦合性，实现独立能源系统稳定供电，且保证蓄能系统和用能系统不间断运行，进行了如下发明。
a.首先分析冬季采暖与夏季供冷需求，结合地区的太阳能和风力资源对分布式风能/光伏独立能源系统的匹配性进行设计，在无蓄电池储能情况下也能达到不间断供电目标。
b.采用AC/DC整流滤波控制器，利用整流滤波技术，将风机发出的不稳定三相交流电平整为稳定的直流输出，实现与光伏组件产生的直流电无缝耦合叠加。
c.利用最大功率点的动态跟踪控制技术，实现在任何风速、辐照度和负载条下均能保证风力发电机组和光伏组件同时工作在各自最大功率点上，采用一个最大功率跟踪器同时动态跟踪风力发电机组和光伏组件各自最大功率。采用能量管理控制器，同时对风力发电机组产生的电能和光伏组件产生的电能进行控制管理，可单独控制风力发电和光伏发电的能量输出，也可同时控制两种电能的叠加输出。
2.为解决冷热双效蓄能系统夏季制冰供冷及冬季制热供热过程中的蒸发器与冷凝器功能互换技术问题，进行如下发明。
a.重新优化设计系统的冷凝器与蒸发器，将冷凝器与蒸发器均设计成形状相同的管翅式，达到制冷时散热快，制热时吸热快效果。
b.通过加装换向阀，冷凝器与蒸发器功能互换，实现制冷到制热过程的转换。制冷模式下，蒸发器制冰蓄冷，启动换向阀，蒸发器调换为冷凝器，原有的冷凝器变成蒸发器时，此时为制热模式，蒸发器制热储热。工作原理图如图3 所示。
3.为达到增加系统制冷供热效率及提升能量综合利用率的目标，对冷热双效蓄能空调系统的结构进行优化设计，具体发明如下。
a.在蒸发器与冷凝器之间加装换热器，增加制冷或制热效率。
换热器装在蒸发器末端与冷凝器末端，采用结构简单的毛细管搭接进行热量交换，如图4所示。
工质经压缩机压缩，冷凝器冷却后温度为室温左右，过冷工质经蒸发器放热后工质温度仍然较低，若将蒸发器末端与冷凝器末端进行搭接交换热量，采用流出蒸发器的较冷工质进一步冷却流出冷凝器的工质，进一步降低工质温度，提高制冷效率，同时流出蒸发器的工质被流出冷凝器工质加热升温后流入压缩机内，可减少压缩机工作负担，提高压缩机效率，延长使用寿命。充分增加系统综合能量利用率。
b.优化蒸发器结构，将冷热双效蓄能系统蒸发器与间接换能盘管同置集成组装在一起。
(1)同置集成冷热双效蓄能系统蒸发器与间接换能盘管，如图5-10所示。沉浸水中的蒸发器吸热或放热的同时，部分冷量或热量可直接传导给换能盘管供空调使用，实现与普通家用空调相同的即开即用的功能，提高系统实用性，还增加能量传递速率，优化系统性能。也缓解蒸发器周围冰块或热水过冷或过热现象。
(2)传统系统将整个蒸发器浸入水中制冷或制热，不仅会产生过冷过热能量浪费现象，而且制冷或制热效率随着过冷或过热现象出现而逐渐下降。工质在蒸发器较长的流道内流动时，温度会逐步增加或降低，吸热或放热能力逐渐降低，到后来出现制冷工质只流动，不吸热或放热，即不再制冷或制热。可将传统较长的蒸发器截断，缩小单一蒸发器尺寸，分散分布在蓄能槽不同部位同时工作，如图1所示，蓄能槽中分布多个蒸发器。缩短单一回路中制冷工质在蒸发器内流动路程，缓解过冷或过热现象，提高制冷或制热效。
(3)为再次缓解制冷或制热过程中的过冷或过热现象，还对单一回路的蒸发器更深一步进行优化。将传统盘管式蒸发器优化为并联分流式蒸发器，如图5 所示，蒸发器前段，采用分流器将工质分流到各个蒸发器支路，蒸发器后端采用汇流器收集吸热后的工质。进一步缩短工质流程，提高效率，同时采取多路分流、多点制冷或制热的方法，进一步缓过冷或过热现象。同理，采用同种措施优化换能装置，如图6所示。在换能装置前段，采用分流器将工质分流到各个换能支路，换能装置后端采用汇流器收集工质，提升换能效率。
(4)为进一步提高效率，平衡蓄能系统内部温度。在冷热双效蓄能系统的蒸发器和换能装置上加装铝翅片，不仅强化能量传递速率，提升效率，还可平衡内部温度，缓解过冷或过热现象。
c.为充分利用分布式风能/光伏能源系统提供的能量，可将单一直流压缩机优化为四个小型直流压缩机并联组成的压缩机系统，四个直流压缩机的额定功率之和与优化前的单个压缩机额定功率相等。采用并联压缩机系统后，可降低系统的辐照度阈值下限，将优化前单个直流压缩机启动的辐照值由不少于 400W/m2减少到并联系统的150W/m2，辐照度阈值下限降低了近三分之二，并联压缩机系统工作流程如图11所示。
d.制冷模式下，室内机供冷时空气中水蒸气遇冷会凝结成液态水排放到室外，冷凝水带走部分冷量造成能量损失，为提高系统综合能量利用率，回收供冷过程中空调室内机产生的冷凝水，用于冷却制冷系统的冷凝器和压缩机，强化散热，提高制冷效率。制热过程中，回收室外蒸发器上产生的冷凝水，并利用压缩机产生的热量加热冷凝水，加热后的冷凝水回流到蒸发器表面，可有效阻止空气中的水蒸气放热冷凝在蒸发器表面结冰，提高制热效率，其工作原理图如图1所示。
本发明的有益效果是对分布式风能/光伏能源系统的最大功率进行智能化控制并实施能源管理控制策略；对系统部件进行优化，安装换向阀实现夏季制冰蓄冷和冬季制热蓄热双效功能；同置集成蒸发器与换能盘管、优化蒸发器结构及压缩运行模式，回收系统外的冷凝水用于冷却制冷工质或加热预防结冰。最终实现分布式风能/光伏驱动冷热双效蓄能空调系统稳定供电、高效蓄能换热及持续供能。为分布式风能/光伏驱动冷热双效蓄能空调系统的规模化应用提供支撑。
附图说明
图1为本发明提供的分布式风能/光伏独立能源驱动的冷热双效蓄能空调系统结构及运行图。
图2为本发明提供的分布式风能/光伏能源系统工作原理图。
图3为本发明提供的蒸发器与冷凝器功能互换工作原理图。
图4为本发明提供的蒸发器与冷凝器间加装换热器结构图。
图5为本发明提供的浸入式蒸发器结构的竖截面前视图。
图6为本发明提供的浸入式换能装置结构的竖截面前视图。
图7为本发明提供的工质流入时蒸发器与换能盘管同置集成系统的横截面俯视图。
图8为本发明提供的工质流出时蒸发器与换能盘管同置集成系统的横截面俯视图。
图9为本发明提供的冷热双效蓄能系统结构的竖截面左视图。
图10为本发明提供的冷热双效蓄能系统结构的竖截面右视图。
图11为本发明提供的并联直流压缩机系统工作流程图。
其中，1、风力发电系统；2、光伏发电组件；3、控制器；4、能量管理控制器；5、直流水泵；6、压缩机冷却系统；7、直流压缩机系统；8、油气分离器；9、冷凝器；10、换热器；11、储水箱；12、储液器；13、电磁阀；14、节流阀；15、总工质汇流器；16、气液分离器；17、蓄能槽；18、集成系统；19、供热储热水箱；20、单向阀；21、比例积分调节阀；22、直流空调机；23、工质分流器；24、工质汇流器；25、铝翅片；26、蒸发器；27、换能装置；28、分流器；29、汇流器；30、换冷工质流入换能装置27内；31、换冷工质流出换能装置27；32、制冷工质流入蒸发器26内；33、制冷工质流出蒸发器26；34、换冷工质流出换能装置27；35、换冷工质流入换能装置27内。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1
发明的一种分布式风能/光伏独立能源驱动的冷热双效蓄能空调系统，夏季制冰蓄冷供冷过程主要由二个循环和二个过程组成，分别为：静态制冷循环、间接融冰供冷循环、分布式风能/光伏能源系统供电过程和冷凝水冷却供热过程。
循环一：如附图1所示，并联直流压缩机系统7压缩工质，流入油气分离器8内进行分离，然后进入冷凝器9对外散热冷凝，接着流入板式换热器10进一步冷却，然后进入储液器12中，经电磁阀13，进入各个蒸发器支路，经节流阀14，进入蓄能槽17中各个蒸发器与换能盘管同置集成系统18中。如附图5- 图10所示，流入集成系统的工质经工质分流器23将工质分配给系统中各个并联蒸发器26中吸热制冷造冰，吸收热量后的工质经汇流器24集中流到工质汇流器15中，然后经气液分离器16分离，进入压缩机7，完成一个循环。蒸发器与换能盘管同置集成系统18中采用铝翅片25强化传热，平衡静态冰块内部温度。
循环二：直流泵5将换冷工质从蒸发器与换能盘管同置集成系统18中泵出，经电磁阀13、单向阀20和比例积分调节阀21送达空调22进行供冷，流经直流空调机22后的换冷工质经比例积分调节阀21流入蒸发器与换能盘管同置集成系统18中的换能工质分流器28，然后进入换能装置27中放热取冷，冷却后的制冷工质流出换能装置27后，经工质汇流器29汇集流出蒸发器与换能盘管同置集成系统18，然后进入直流泵5完成一个循环。
在循环一与循环二过程中，制冷工质流向与换冷工质流向正好相反，如图7 和图8所示。在冷热双效蓄能系统结构的竖截面左视图图9所示，17为蓄能槽， 18是蒸发器与换能盘管同置集成系统，26为蒸发器，27为换能装置，30为换冷工质流入换能装置27内，31为换冷工质流出换能装置27。而在冷热双效蓄能系统结构的竖截面右视图图10中工质流动方向正好与图9相反，图10中，在相同位置，32为制冷工质流入蒸发器26内，33则为制冷工质流出蒸发器26，同理，34为换冷工质流出换能装置27，35为换冷工质流入换能装置27内。
过程一：风力发电机组1与光伏组件2发出电能，流经集成了最大功率点动态跟踪器与AC/DC整流滤波器的控制器3内，经控制器3耦合后的电能平稳输入能源管理控制器4内，实现电能智能化管理控制，可为并联直流压缩机系统7提供稳定电源，驱动压缩机高效运行，还可为直流水泵5和直流空调机22 供能，完成对冷热双效蓄能系统与用能系统稳定供电的过程。
过程二：建筑物内直流空调机22运行过程中产生的冷凝水由重力作用流入板式换热器10中对制冷工质进一步冷却，然后流入压缩机冷却器6内冷却并联直流压缩机系统7，冷凝水在压缩机冷却器内会被加热后，流入户用供热储热水箱19内供用户使用，完成冷却供热过程。
实施例2
发明的一种分布式风能/光伏独立能源驱动的冷热双效蓄能空调系统，冬季制热储热采暖过程主要由二个循环和三个过程组成，分别为：静态制热循环、间接换热供暖循环、分布式风能/光伏能源系统供电过程和冷凝水冷凝水回流加热防霜过程。
循环一：如附图1所示，并联直流压缩机系统7压缩工质，流入油气分离器8内进行分离，然后进入储液器12中，经过电磁阀13和换向阀，强制工质首先流入各个蒸发器支路，经过节流阀14，进入蓄能槽17中各个蒸发器与换能盘管同置集成系统18中。如附图5-图10所示，流入集成系统的工质经工质分流器23将工质分配给各个并联蒸发器26中放热制热，放出热量后的工质经汇流器24集中流到工质汇流器15中，然后经气液分离器16分离，然后流入冷凝器9内，吸收外界空气的热量凝，进入压缩机7，完成一个循环。蒸发器与换能盘管同置集成系统18中采用铝翅片25强化传热。
循环二：直流泵5将换热工质从蒸发器与换能盘管同置集成系统18中泵出，经电磁阀13、单向阀20和比例积分调节阀21送达空调22进行供热，流经直流空调机22后的换热工质经比例积分调节阀21流入蒸发器与换能盘管同置集成系统18中的换能工质分流器28，然后进入换能装置27中吸热，经加热后的工质流出换能装置27后，经工质汇流器29汇集流出蒸发器与换能盘管同置集成系统18，然后进入直流泵5完成一个循环。
在循环一与循环二过程中，制热工质流向与换热工质流向正好相反，如图7 和图8所示。在冷热双效蓄能系统结构的竖截面左视图图9所示，17为蓄能槽， 18是蒸发器与换能盘管同置集成系统，26为蒸发器，27为换能装置，30为换热工质流入换能装置27内，31为换热工质流出换能装置27。而在冷热双效蓄能系统结构的竖截面右视图图10中工质流动方向正好与图9相反，图10中，在相同位置，32为制热工质流入蒸发器26内，33则为制热工质流出蒸发器26，同理，34为换热工质流出换能装置27，35为换热工质流入换能装置27内。
过程一：风力发电机组1与光伏组件2发出电能，流经集成了最大功率点动态跟踪器与AC/DC整流滤波器的控制器3内，经控制器3耦合后的电能平稳输入能源管理控制器4内，实现电能智能化管理控制，可为并联直流压缩机系统7提供稳定电源，驱动压缩机高效运行，还可为直流水泵5和直流空调机22 供能，完成对冷热双效蓄能系统与用能系统稳定供电的过程。
过程二：制热过程中，室外冷凝器9与蓄能槽17中的蒸发器26 实现功能互换，冷凝器9从室外空气中吸收热量供蒸发器26 释放热量制热。冷凝器从外界吸收热量过程中，室外空气中的水蒸气会在冷凝器9表面放热冷凝结霜，阻止其吸收热量，因此为防止冷凝器9结霜，可回收空气中的水蒸气在冷凝器9 放热变成的冷凝水，流入压缩机冷却器6内，将加热后的水回流注入冷凝器9 表面加热冷凝器，防止结霜，确保制热效率。将流出冷凝器9的回热水回收到储水箱11内以备它用。
Claims (7)
1.一种分布式风能/光伏独立能源系统驱动的冷热双效蓄能空调系统，其特征在于，包括分布式风能/光伏能源系统、双效蓄能系统、供能系统；所述分布式风能/光伏能源系统包括风力发电系统和光伏发电系统并且为所述双效蓄能系统和所述供能系统提供电力，所述双效蓄能系统包括压缩机、油气分离器、冷凝器、板式换热器、储液器、电磁阀和换向阀、各蒸发器支路、节流阀、蓄能槽、工质分流器、蒸发器、汇流器、气液分离器，所述双效蓄能系统各部件按照上述顺序依次连接，且气液分流器与压缩机连接，形成循环一，所述供能系统包括直流泵、电磁阀、单向阀、比例积分调节阀、空调、比例积分调节阀、换能工质分流器、换能装置、工质汇流器，供能系统各部件按照上述顺序依次连接，且工质汇流器与直流泵连接，形成循环二，所述蒸发器、换能装置集成组装在一起，根据地区的太阳能和风力资源对分布式风能/光伏独立能源系统进行匹配性设计，在无蓄电池储能情况下也能达到不间断供电目标；回收空调及室外冷凝器产生的冷凝水，提升系统能量综合利用率；为缓解蒸发器周围冰块过冷或热水过热现象，优化蒸发器结构，缩小单一蒸发器尺寸，分散分布在蓄能槽不同部位同时工作，蓄能槽中分布多个蒸发器，缩短单一回路中制冷工质在蒸发器内流动路程，缓解过冷或过热现象，提高制冷或制热效率，将传统盘管式蒸发器优化为并联分流式蒸发器，蒸发器前段，采用分流器将工质分流到各个蒸发器支路，蒸发器后端采用汇流器收集工质，进一步缩短工质流程，提高效率，同时采用多路分流、多点制冷或制热的方法，进一步缓解过冷或过热现象；同理，采用同种措施优化换能装置，在换能装置前段，采用分流器将工质分流到各个换能支路，换能装置后端采用汇流器收集工质，提升换能效率。
2.根据权利要求1所述的一种分布式风能/光伏独立能源系统驱动的冷热双效蓄能空调系统，其特征在于能源系统由风力发电系统和光伏发电系统组成，可实现24小时不间断供电；采用AC/DC整流滤波控制器，利用整流滤波技术，将风机发出的不稳定三相交流电平整为稳定的直流输出，实现与光伏组件产生的直流电无缝耦合叠加；采用最大功率点的动态跟踪控制技术，实现在任何风速、辐照度和负载条下均能保证风力发电机组和光伏组件同时工作在各自最大功率点上，采用一个最大功率跟踪器同时动态跟踪风力发电机组和光伏组件各自最大功率，还采用能量管理控制器，同时对风力发电机组产生的电能和光伏组件产生的电能进行控制管理，可单独控制风力发电和光伏发电过程中的能量输出，也可控制两种能量的叠加输出。
3.根据权利要求1所述的一种分布式风能/光伏独立能源系统驱动的冷热双效蓄能空调系统，其特征在于对蒸发器与冷凝器结构进行优化，加装换向阀，通过加装换向阀，将冷凝器与蒸发器功能互换，实现制冷到制热过程的转换，制冷模式时，蒸发器制冰蓄冷，启动换向阀，蒸发器调换为冷凝器，原有的冷凝器变成蒸发器时，此时为制热模式，蒸发器制热储热。
4.根据权利要求1所述的一种分布式风能/光伏独立能源系统驱动的冷热双效蓄能空调系统，其特征在于在蒸发器与冷凝器之间加装换热器，增加制冷或制热效率，优化蒸发器结构，将冷热双效蓄能系统蒸发器与间接换能盘管同置集成组装在一起，对压缩机运行模式优化，提高能源系统与蓄能系统耦合性，进一步回收制冷或制热过程中的冷凝水，增加系统综合能量利用率；换热器装在蒸发器末端与冷凝器末端，采用结构简单的毛细管搭接式进行热量交换；沉浸水中的蒸发器吸热或放热的同时，部分冷量或热量可直接传导给换能盘管供空调使用，实现普通家用空调即开即用的功能。
5.根据权利要求1所述的一种分布式风能/光伏独立能源系统驱动的冷热双效蓄能空调系统，其特征在于在冷热双效蓄能系统的蒸发器和换能装置上加装铝翅片，不仅强化能量传递速率，提升效率，还可平衡内部温度，缓解过冷或过热现象。
6.根据权利要求1所述的一种分布式风能/光伏独立能源系统驱动的冷热双效蓄能空调系统，其特征在于将应用于冷热双效蓄能系统中的单一直流压缩机优化为四个小型直流压缩机并联的压缩机系统，四个直流压缩机的额定功率之和与优化前的单个压缩机额定功率相等，采用并联压缩机系统后，可降低系统的辐照度阈值下限，将优化前单个直流压缩机启动的辐照值由不少于400W/m2减少到并联系统的150W/m2，辐照度阈值下限降低了近三分之二。
7.根据权利要求1所述的一种分布式风能/光伏独立能源系统驱动的冷热双效蓄能空调系统，其特征在于回收供冷过程中空调室内机产生的冷凝水，用于冷却制冷系统的冷凝器和压缩机，强化散热，提高制冷效率；制热过程中，回收室外蒸发器上产生的冷凝水，并利用压缩机产生的热量加热冷凝水，加热后的冷凝水回流到蒸发器表面，可有效阻止空气中的水蒸气放热冷凝在蒸发器表面结冰，提高制热效率。
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