CN105042941B - 一种光伏太阳能热泵复合系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光伏太阳能热泵复合系统，该系统包括：太阳能热泵循环回路：通过接收太阳能并将其转化为热能，驱动循环工质与天然气埋地管道进行热交换；太阳能发电支路：与太阳能热泵循环回路连接，将太阳能转化为电能，并回馈给太阳能热泵循环回路；辅助工质支路：与太阳能热泵循环回路连接，在不同季节不同温度下通过不同的运行模式辅助太阳能热泵循环回路进行热量交换；控制装置：包括温度检测器、控制器以及分别设置在太阳能热泵循环回路、太阳能发电支路和辅助工质支路上的截止阀，所述的控制器分别与截止阀和温度检测器连接。与现有技术相比，本发明具有防冻胀、效果好、经济性好、节能环保、发电效率高、减缓热岛效应、应用范围广等优点。

Description

一种光伏太阳能热泵复合系统

技术领域

本发明涉及天然气管道输运领域，尤其是涉及一种光伏太阳能热泵复合系统。

背景技术

天然气在长距离输运的过程中，需要较高的压力以提供运输动力(例如，西气东输二线一般在8～12MPa)，而当天然气到达分输站后，为满足下游用户的压力(一般在1.5～4MPa)需求，需要在分输站进行调压。高压天然气经调压阀调压后，压力降低，同时由于焦耳-汤姆逊效应会使温度骤降至冰点以下。低温天然气在运输工程中，尤其在冬季，会导致调压后的天然气埋地管道(8)周围土壤冻结，发生“冻胀”现象。

管道冻胀会造成部分地面、墙体出现裂痕，部分管道在冻胀载荷作用下会发生变形，甚至出现天然气管道阀体离开阀座，造成天然气泄露，对分输站的安全运行造成极大地影响。因此，必须采取有效的措施解决来冻胀问题，以确保分输站的安全运行。

目前已有的解决天然气冻胀问题的方法中，最常见的是换土、防水或排水的方法，这些方法都是通过减少土壤中的水分来降低发生冻胀的可能性，但这些方法不能彻底解决冻胀问题。还有管沟方法，此方法是将天然气管道周围砌成防水水泥管道，但这种方法没有对天然气管道进行换热，冷量未被带走，因此在分输站外与土壤接触的天然气管道依然会吸收土壤的热量，依然会造成管道冻胀；同时，目前最常用的方法是在天然气管道的调压阀前设置电加热器的方法，由于加热过程中最小量不确定，采用固定式加热方式造成大量一次能源浪费；此外，也有采用热管组件，将地下恒温层热量传输到冻胀位置的方法，该方法不消耗高品位电能且对天然气管道附近土壤加热相对均匀，但该方法实施过程中，由于土壤层热阻较大，与热管换热较慢，使得由于天然气管道没有得到及时地热补偿依然会造成管道冻胀。

而光伏太阳能热泵以太阳能作为吸热热源的节能制冷供热设备，与普通热泵相比，在同样的环境温度下，太阳能加热使循环工质的蒸发温度得以提高，机组的制热性能系数COP较普通热泵有了明显的提高。太阳能热泵在工质冷凝阶段会向高温环境释放大量热量，这部分热量冬季用于室内制热，而在夏季通常会直接排向大气，造成热能浪费。

综上所述，可以发现高压天然气在调压过程中会产生大量的冷能，并且由于天然气管道的冷量未被及时带走会产生管道冻胀现象，而光伏太阳能热泵在工质冷凝阶段会放出大量的热能。如何提供一种系统，基于冷热源相互充分利用原则将两个过程整合，通过合理的工艺流程设计不仅能够解决天然气埋地管线的冻胀问题，而且可以实现节能，减少高品位电能的使用，是节能减排的形势下需要迫切解决的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种防冻胀、效果好、经济性好、节能环保、发电效率高、减缓热岛效应、应用范围广的光伏太阳能热泵复合系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种光伏太阳能热泵复合系统，该系统包括：

太阳能热泵循环回路：通过接收太阳能并将其转化为热能，驱动循环工质与天然气埋地管道进行热交换；

太阳能发电支路：与太阳能热泵循环回路连接，将太阳能转化为电能，并回馈给太阳能热泵循环回路；

辅助工质支路：与太阳能热泵循环回路连接，在不同季节不同温度下通过不同的运行模式辅助太阳能热泵循环回路进行热量交换；

控制装置：包括温度检测器、控制器以及分别设置在太阳能热泵循环回路、太阳能发电支路和辅助工质支路上的截止阀，所述的控制器分别与截止阀和温度检测器连接。

所述的太阳能热泵循环回路包括依次通过热泵管道连接形成回路的太阳能光伏蒸发器、压缩机和天然气管道换热设备，所述的太阳能热泵循环回路的热泵管道设有循环工质，所述的热泵管道上还设有节流阀。

所述的太阳能光伏蒸发器包括聚集玻璃层、保温层和工质管道，所述的聚集玻璃层和保温层由外到内依次设置，所述的工质管道设置在保温层中，并且与热泵管道连通。

所述的循环工质为R290工质。

所述的天然气管道换热设备套设在天然气埋地管道外部，包括铜壁面和蛇形换热支管，所述的铜壁面的截面为正方形，且内表面与天然气埋地管道接触，所述的蛇形换热支管沿铜壁面的外表面依次分布，并且与热泵管道连通。

所述的太阳能发电支路包括光伏电池和蓄电池，所述的光伏电池、蓄电池和压缩机依次连接，所述的光伏电池设置在聚集玻璃层和保温层之间。

所述的辅助工质支路包括与光伏蒸发器并联的室内风冷蒸发器和室外风冷蒸发器，所述的室内风冷蒸发器和室外风冷蒸发器分别通过三通阀与热泵管道连接。

所述的温度检测器分别与太阳能光伏蒸发器、室内风冷蒸发器和室外风冷蒸发器连接，所述的截止阀设置在室内风冷蒸发器和室外风冷蒸发器的入口处以及天然气管道换热设备的出入口处。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、防冻胀、效果好：本发明通过太阳能热泵循环回路中的光伏蒸发器接收太阳能，加热其内部循环工质与天然气埋地管道进行热交换，同时配合室内风冷蒸发器和室外风冷蒸发器，使天然气埋地管道在不同季节得到稳定持续的热补偿，在供热过程中，光伏电池进行发电，直接为压缩机的运行提供电力支持，能够进一步利用太阳能，减少高品位电能的消耗，不需要电厂供电，大大降低了运行成本，提高了系统的经济性。

二、经济性好：本发明中与天然气埋地管道相结合的太阳能热泵循环回路的冷、热源之间的温差较小，根据逆卡诺循环理论，太阳能热泵的制热系数COP相对较高，其热力学经济性能比单纯消耗电能供热系统要好，具有显著的节能效果，符合我国当前节能减排的基本国策。

三、发电效率高：本发明中太阳能光伏蒸发器通过吸收太阳能来间接对循环工质加热的同时，光伏电池发出电能，由于光伏电池处于太阳能光伏蒸发器内部，且低温液体工质不断在蒸发器中气化，使得光伏电池周围温度较低，在同样光照条件下，发电效率较高。

四、减缓热岛效应：本发明对太阳能热泵冷凝阶段排放到高温环境的大量热能进行有效利用，不仅使天然气埋地管道得到了热补偿，而且在夏季减缓了“热岛效应”。

五、应用范围广：天然气高压管网在调压过程中存在大量的冷能，对于调压后温度降低明显的天然气埋地管线来说，本发明具有很好的节能空间与更加广阔的实用价值。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图。

图2为太阳能光伏蒸发器内部结构示意图。

图3为天然气管道换热设备截面示意图。

其中，1、太阳能光伏蒸发器，2、蓄电池，3、压缩机，4、天然气管道换热设备，5、节流阀，6、室内风冷蒸发器，7、室外风冷蒸发器，8、天然气埋地管道，，11、聚集玻璃层，12、保温层，13、工质管道，14、光伏电池，41、铜壁面，42、蛇形换热支管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例：

如图1所示，一种光伏太阳能热泵复合系统，该系统包括：

太阳能热泵循环回路：通过接收太阳能并将其转化为热能，驱动循环工质与天然气埋地管道8进行热交换；

太阳能发电支路：与太阳能热泵循环回路连接，将太阳能转化为电能，并回馈给太阳能热泵循环回路；

辅助工质支路：与太阳能热泵循环回路连接，通过对不同季节不同运行模式的切换，在辅助太阳能热泵循环回路进行热量交换、有效解决管道冻胀的同时，可实现夏季供冷、全年提供电力输出等功能；

控制装置：包括温度检测器、控制器以及分别设置在太阳能热泵循环回路、太阳能发电支路和辅助工质支路上的截止阀9，控制器分别与截止阀9和温度检测器连接。

如图2所示，太阳能热泵循环回路包括依次通过热泵管道连接形成回路的太阳能光伏蒸发器1、压缩机3和天然气管道换热设备4，太阳能热泵循环回路的热泵管道设有循环工质，热泵管道上还设有节流阀5，太阳能光伏蒸发器1包括聚集玻璃层11、保温层12和工质管道13，聚集玻璃层11和保温层12由外到内依次设置，工质管道13设置在保温层12中，并且与热泵管道连通，循环工质为R20工质。

如图3所示，天然气管道换热设备4套设在天然气埋地管道8外部，包括铜壁面41和蛇形换热支管42，铜壁面41的截面为正方形，且内表面与天然气埋地管道8接触，蛇形换热支管42沿铜壁面41的外表面依次分布，并且与热泵管道连通，太阳能发电支路包括光伏电池14和蓄电池2，光伏电池14、蓄电池2和压缩机3依次连接，光伏电池14设置在聚集玻璃层11和保温层12之间。

辅助工质支路包括与太阳能光伏蒸发器1并联的室内风冷蒸发器6和室外风冷蒸发器7，室内风冷蒸发器6和室外风冷蒸发器7分别通过三通阀与热泵管道连接，温度检测器分别与太阳能光伏蒸发器1、室内风冷蒸发器6和室外风冷蒸发器7连接，截止阀设置在室内风冷蒸发器6和室外风冷蒸发器7的入口处。

为了克服现有的解决埋地管线冻胀问题方法中存在的问题、以及对太阳能热泵冷凝阶段排放到高温环境中的热量进行有效利用，本发明提出了一种光伏太阳能热泵复合系统，该复合系统通过对不同季节不同运行模式的切换，实现天然气冷量的充分利用，考虑用太阳能热泵循环回路冷凝阶段排放到高温环境中的热量来对天然气埋地管道进行换热，不仅解决了天然气埋地管道8的冻胀问题，而且在运行过程中，一方面在太阳能光伏蒸发器1通过吸收太阳能来间接对循环工质加热的同时，光伏电池14发出电能，由于光伏电池14处于太阳能光伏蒸发器1内部，且低温液体工质不断在太阳能光伏蒸发器1中气化，使得光伏电池14周围温度较低，在同样光照条件下，发电效率较高，发出的电能为压缩机3的运行提供稳定保障；另一方面，本发明对太阳能热泵循环回路冷凝阶段排放到高温环境的大量热能进行有效利用，不仅使天然气埋地管道8得到了热补偿，而且在夏季减缓了“热岛效应”，同时，由于与低温的天然气埋地管道8相结合的太阳能热泵的冷、热源之间的温差较小，根据逆卡诺循环理论，太阳能热泵循环回路的制热系数COP相对较高，其热力学经济性能比单纯消耗电能供热系统要好，具有显著的节能效果。

本发明中太阳能热泵循环回路采用的是对臭氧层的破坏为零且无温室效应的R290工质。对于太阳能热泵循环回路与天然气管道的换热过程，首先，太阳能光伏蒸发器1通过吸收太阳能来对经节流阀流入的R290液体工质气化，气化后的低温、低压的工质经压缩机3做功后变为高温、高压的气体；然后高温高压的气体工质进入天然气管道换热设备4，与低温的天然气埋地管道8进行换热，天然气埋地管道8由于得到了热补偿而避免了管道冻胀，同时高温、高压的气体工质由于获得了低温天然气管道的冷量而冷凝成高温高压的液体工质，最后高温、高压的液体工质经节流阀。

本发明的工作原理为：

对于天然气埋地管道8的制热循环过程，首先，太阳能光伏蒸发器1通过吸收太阳能来对经节流阀5流入的R290液体工质气化，气化后的低温、低压的工质经压缩机3做功后变为高温、高压的气体；然后高温高压的气体工质进入天然气管道换热设备4，与低温的天然气埋地管道8进行换热，天然气埋地管道8由于得到了热补偿而避免了管道冻胀，同时高温、高压的气体工质由于获得了低温天然气管道的冷量而冷凝成高温高压的液体工质；最后高温、高压的液体工质经节流阀5作用后成为低温、低压的液体工质，之后再次进入太阳能光伏蒸发器1，从而实现制热循环。

与此同时，太阳能光伏蒸发器1中的光伏电池14在太阳辐照时可以产生电能，由于光伏电池14处于太阳能光伏蒸发器1内部，且低温液体工质不断在蒸发器中气化，使得光伏电池14周围温度较低，在同样光照条件下，发电效率较高，发出的电能为压缩机3的运行提供稳定保障；除了供应压缩机3的运行，剩余的电能存储在蓄电池2中，以备无光照时压缩机3运行之需。

本发明根据季节不同，该复合系统具有两种运行模式：

1、夏季运行模式：截止阀91、96、97全开，三通阀95的e、f侧全开，d侧关闭。可将天然气的冷量用于热泵工质的冷凝，通过热泵系统实现天然气冷量的向外传输。低温天然气吸收热泵工质的热量后温度升高，可有效解决天然气运输管道的冻胀问题。低温天然气作为热泵的冷凝热源，可有效减少热泵机组对环境的热量排放，减少了对环境的热污染。同时热泵产生的冷量可为分输站提供夏季供冷，实现热量的就地使用，系统节能效果高；因此，在夏季制冷工况时，采用室内风冷蒸发器6，该运行模式不但可以有效解决天然气运输管道的冻胀问题，同时实现了低温天然气冷量的有效利用。此太阳能光伏蒸发器1可提供光伏电力输出，电力输出经蓄电池2，可为压缩机3提供电力，也可储存起来作为备用电源。

2、其他季节运行模式：当太阳辐照强时，采用太阳能光伏蒸发器1，加热低温天然气的热量来源于太阳能。热泵工质在太阳能光伏蒸发器1内吸收太阳能蒸发，经压缩机3压缩后升温、升压，升温升压的工质用于低温天然气的加热，即解决天然气运输时的冻胀问题。由于热泵的蒸发冷却可有效降低光伏电池的工作温度，提高系统的光电效率；系统的电力输出，经蓄电池2后，一部分为压缩机提供电力，一部分储存用于无太阳辐照时使用；

当无太阳辐照，室外蒸发器作为补充，可保证系统的全天候运行。

在冬季运行模式时，此时截止阀92、93、96、97开放，三通阀95关闭，三通阀94的a、b、c侧全开。在冬季由于室外温度较低，最大太阳辐照强度低，以及太阳高度角较大，即使在太阳辐照较强时，可能其吸热量也不能完全满足要求，此时，可同时开启室外风冷蒸发器7，使两种蒸发器同时运行，通过合理分配进入两种蒸发器的工质流量，达到最终的效果。

Claims (5)

1.一种光伏太阳能热泵复合系统，用以解决天然气埋地管道的冻胀现象，其特征在于，该系统包括：

太阳能热泵循环回路：通过接收太阳能并将其转化为热能，驱动循环工质与天然气埋地管道(8)进行热交换，所述的太阳能热泵循环回路包括依次通过热泵管道连接形成回路的太阳能光伏蒸发器(1)、压缩机(3)和天然气管道换热设备(4)，所述的太阳能热泵循环回路的热泵管道设有循环工质，所述的热泵管道上还设有节流阀(5)；

太阳能发电支路：与太阳能热泵循环回路连接，将太阳能转化为电能，并回馈给太阳能热泵循环回路；

辅助工质支路：与太阳能热泵循环回路连接，在不同季节不同温度下通过不同的运行模式辅助太阳能热泵循环回路进行热量交换，所述的辅助工质支路包括与太阳能光伏蒸发器(1)并联的室内风冷蒸发器(6)和室外风冷蒸发器(7)，所述的室内风冷蒸发器(6)和室外风冷蒸发器(7)分别通过三通阀与热泵管道连接，所述的温度检测器分别与太阳能光伏蒸发器(1)、室内风冷蒸发器(6)和室外风冷蒸发器(7)连接，所述的室内风冷蒸发器(6)和室外风冷蒸发器(7)的入口处以及天然气管道换热设备(4)的出入口处设置截止阀；

控制装置：包括温度检测器、控制器以及分别设置在太阳能热泵循环回路、太阳能发电支路和辅助工质支路上的截止阀，所述的控制器分别与截止阀和温度检测器连接；

本发明根据季节不同，具有两种运行模式：

A)夏季运行模式：截止阀(91、96、97)全开，三通阀(95)的e、f侧全开，d侧关闭，将天然气的冷量用于热泵工质的冷凝，通过热泵系统实现天然气冷量的向外传输，低温天然气吸收热泵工质的热量后温度升高，低温天然气作为热泵的冷凝热源，同时热泵产生的冷量为分输站提供夏季供冷，在夏季制冷工况时，采用室内风冷蒸发器(6)，太阳能光伏蒸发器(1)提供光伏电力输出，电力输出经蓄电池(2)，可为压缩机(3)提供电力，或储存起来作为备用电源；

B)其他季节运行模式：当太阳辐照强时，采用太阳能光伏蒸发器(1)，加热低温天然气的热量来源于太阳能，热泵工质在太阳能光伏蒸发器(1)内吸收太阳能蒸发，经压缩机(3)压缩后升温、升压，升温升压的工质用于低温天然气的加热，热泵的蒸发冷却降低光伏电池的工作温度，系统的电力输出，经蓄电池(2)后，一部分为压缩机提供电力，一部分储存用于无太阳辐照时使用，当无太阳辐照，室外蒸发器作为补充，保证系统的全天候运行。

2.根据权利要求1所述的一种光伏太阳能热泵复合系统，其特征在于，所述的太阳能光伏蒸发器(1)包括聚集玻璃层(11)、保温层(12)和工质管道(13)，所述的聚集玻璃层(11)和保温层(12)由外到内依次设置，所述的工质管道(13)设置在保温层(12)中，并且与热泵管道连通。

3.根据权利要求1所述的一种光伏太阳能热泵复合系统，其特征在于，所述的循环工质为R290工质。

4.根据权利要求1所述的一种光伏太阳能热泵复合系统，其特征在于，所述的天然气管道换热设备(4)套设在天然气埋地管道(8)外部，包括铜壁面(41)和蛇形换热支管(42)，所述的铜壁面(41)的截面为正方形，且内表面与天然气埋地管道(8)接触，所述的蛇形换热支管(42)沿铜壁面(41)的外表面依次分布，并且与热泵管道连通。

5.根据权利要求2所述的一种光伏太阳能热泵复合系统，其特征在于，所述的太阳能发电支路包括光伏电池(14)和蓄电池(2)，所述的光伏电池(14)、蓄电池(2)和压缩机(3)依次连接，所述的光伏电池(14)设置在聚集玻璃层(11)和保温层(12)之间。