CN105546615A - 一种聚光光伏光热与地热能热电联供装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚光光伏光热与地热能热电联供装置，包括进水阀门、接收器、菲涅尔聚光镜、阀门、三通阀门、多功能地板、保温水箱、直流母线、冷却水温度传感器、地板温度传感器、控制器、地热换热器、泵、地热深水井、地热浅水井。聚光光伏光热的冷却水可以直接给多供暖地板供暖，当用户无需供暖时，冷却水储存于保温水箱中。地热能通过地热换热器将地热能传递到保温水箱中的水中，保温水箱中的热水用于夜间采暖。当用户需要制冷时，向多功能地板中通入凉水，达到制冷的目的。本发明可运行在取暖模式和制冷模式，有效解决冬天取暖、夏天制冷的问题，更加符合实际应用，市场接受度更高。

Description

一种聚光光伏光热与地热能热电联供装置
技术领域
本发明涉及一种聚光光伏光热与地热能热电联供装置，利用高倍聚光光伏光热系统，电能给将家用电器供电，冷却水与地热能联合给地板供暖，实现室内取暖，同时利用冷水通入多功能地板实现室内制冷，属于新能源技术领域，特别是太阳能与地热能应用利用技术领域。
背景技术
地板采暖是一种既古老又崭新的技术。在很久以前，中国人就发明了火炕，甚至一直延续至今，这可以看作是木地板辐射采暖的雏形。20世纪初，英国的巴克尔教授和苏联的亚西莫维奇工程师设计并实现了地采暖方式的工程应用。20世纪30年代，建筑师莱特（FrankLloydWright）把地板辐射采暖引入到他在美国Usonian的住宅中，用钢管内的循环水输送热量。据可查史料记载，地板采暖正式起源于欧洲，但是最初由于水温及材料等一系列问题而走过一段弯路。60年代由于采用了高温水而引起腿部不适，影响其发展，到70年代后期该问题有了突破，木地板采暖得以加速发展，并促成新的系统标准。在最近的20年里，地板辐射采暖技术获得了广泛的运用。法国约有20%的住宅建筑装设了木地板采暖系统，在德国、奥地利、瑞士、丹麦有30%～50%的新建居住建筑用木地板采暖，在韩国约有90%的新建居住建筑用地板辐射系统供热。美、日及朝鲜等国塑料工业的发展也带动了他们木地板辐射采暖技术的快速发展。在欧洲，地板采暖技术不仅被用于普通住宅，在商业和工业建筑中也被广泛使用。地板采暖需要的热水温度一般在60-80度。而聚光太阳能电池的工作温度也是在此温度范围之内。聚光太阳能电池的光电转换效率约为35%左右，换言之，仍然有近65%的太阳能没有得到利用，这些太阳能转化为热能，反而影响电池的效率和寿命。如果将聚光太阳能光伏光热一体化与地板采暖集合起来，一方面可以解决聚光电池的冷却问题，另一方面将余热有效利用起来，实现室内供暖，更加环保。
2012年，我国地暖行业的总产值超过300亿元人民币。近年来节能型地面辐射采暖大量使用,不仅北京等北方城市逐渐采用地面采暖，而且沪、闽、粤等南方省市的高档住宅为了改善居室“夏潮冬冷”的环境也采用地面采暖，但无论从数量还是使用频率都不及北方地区，南北方地采暖木地板使用比例约为2:8。据中国建筑科学研究院空气调节研究所介绍：在北方地区120个供暖日中,仅有25天达到健康湿度，室内平均湿度仅为15%。另据相关部门研究显示：北方住宅室内空气污染严重,有的甚至是室外的5~10倍，所以北方人缺少洁净而湿润的空气，而低温木地板辐射供热系统能解决这一问题。
发明内容
发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明一种聚光光伏光热与地热能热电联供装置的目的是解决现有供暖方式和制冷方式的污染问题和能源消耗问题。
技术方案：一种聚光光伏光热与地热能热电联供装置，包括进水阀门（1）、接收器（2）、菲涅尔聚光镜（3）、阀门（4）、三通阀门（5）、阀门（6）、阀门（7）、阀门（8）、三通阀门（9）、多功能地板（10）、保温水箱（11）、直流母线（12）、冷却水温度传感器（13）、地板温度传感器（14）、控制器（15）、地热换热器（16）、泵（17）、地热深水井（18）、地热浅水井（19）；
接收器（2）安装在菲涅尔聚光镜（3）的焦点处，用支架固定安装接收器（2）与菲涅尔聚光镜（3），然后安装在太阳能高精度跟踪装置上，进水阀门（1）的输入端口连接自来水，进水阀门（1）的输出端口与接收器（2）的进水口连接，接收器（2）的出水口与下一个接收器（2）的进水口连接，形成串联，串联的最后一个接收器（2）的出水口与三通阀门（5）的进口端连接，三通阀门（5）有两个输出口，三通阀门（5）输出口一与保温水箱（11）的冷却水输入口连接，中间串连阀门（4），三通阀门（5）输出口二与阀门（6）的输入端口连接，阀门（6）的输出端口与阀门（7）的输出端口并联后与三通阀门（9）输出端口一连接，三通阀门（9）的输入端口二与阀门（8）的输出连接，阀门（8）的输入与自来水连接，三通阀门（9）的输出与多功能地板（10）的换热器（10-3）的输入连接，阀门（7）的输入端与保温水箱（11）的热水出口端连接，冷却水温度传感器（13）安装在三通阀门（5）的进口端，地板温度传感器（14）安装在多功能地板（10）内部，冷却水温度传感器（13）与地板温度传感器（14）的信号输出与控制器（15）信号输入端口连接，控制器（15）的信号输出与分别与进水阀门（1）、阀门（4），阀门（6），阀门（7），阀门（8）的控制端口连接；保温水箱（11）的换热输出口与地热换热器（16）的能量输出端进口连接，地热换热器（16）的能量输出端出口与保温水箱（11）换热输入口连接，地热换热器（16）能量输入端的输出口与地热浅水井（19）的水管连接，地热换热器（16）能量输入端的输入口与泵（17）输出连接，泵（17）的输入与地热深水井（18）的水管连接；
接收器（2）的电池（2-1）输出与直流母线装置（12）连接。
一种聚光光伏光热与地热能热电联供装置，其特征在于有三种工作模式：
模式一：聚光光伏冷却水取暖模式：
控制器（15）控制各阀门的工作状态为：阀门（4）关闭，阀门（6）打开，阀门（7）关闭，阀门（8）关闭；此时，地热能通过地热换热器（16）将保温水箱（11）中的水加热；
模式二：地热取暖模式：
控制器（15）控制各阀门的工作状态为：阀门（4）关闭，阀门（6）关闭，阀门（7）打开，阀门（8）关闭；
模式三：制冷模式：
控制器（15）控制各阀门的工作状态为：阀门（4）关闭，阀门（6）关闭，阀门（7）关闭，阀门（8）打开。
所述进水阀门（1）由电动阀门构成，由控制器（15）控制阀门开度、开、关。
所述接收器（2）由电池（2-1）、热管（2-2）、冷凝箱（2-3）构成，电池（2-1）由高性能多结砷化镓聚光电池构成，将太阳能转换为电能，电池（2-1）用导热胶粘贴在热管（2-2）的蒸发段，热管（2-2）冷凝段设计冷凝箱（2-3），冷凝箱（2-3）通入冷却水。
所述菲涅尔聚光镜（3）由树脂材料制成，用于将太阳光聚光到电池（2-1）表面。
所述阀门（4）、阀门（6）、阀门（7）、阀门（8）用于控制冷却水的流量，由电动阀门构成，电动阀门的控制端口与控制器（15）的控制输出连接。
所述三通阀门（5）是由一输入、二输出阀门构成。
所述三通阀门（9）是由二输入、一输出阀门构成。
所述多功能地板（10）包括木地板（10-1）、传热填充物（10-2）、换热器（10-3）、保温材料（10-4）。最底层为保温材料（10-4），保温材料（10-4）层上安装换热器（10-3），在换热器（10-3）上覆盖一层传热填充物（10-2），铺平后，在传热填充物（10-2）上安装木地板（10-1）。
所述保温水箱（11）用于储存冷却水，实现夜间供暖，由保温水箱构成。
所述直流母线（12）用于收集电池（2-1）的直流电能。
所述冷却水温度传感器（13）用于采集冷却水输出端口的温度，温度信号送至控制器（15）的信号输入端。
所述地板温度传感器（14）用于采集多功能输出端口的温度，温度信号送至控制器（15）的信号输入端。
所述控制器（15）由单片机构成，用于接收冷却水输出端口和多功能地板的温度，控制进水阀门（1）、阀门（4）、阀门（6）、阀门（7）、阀门（8）的工作状态。
所述地热换热器（16）由换热器构成，用于将地热深水井（18）地热能传递到保温水箱（11）水中。
所述泵（17）用于将地热深水井（18）中的热水泵入地热换热器（16）能量输入端的输入口。
所述地热深水井（18）用于采集地下热水，将热水泵入地热换热器（16）的能量输入端的输入口，并从地热换热器（16）的能量输入端的输出口输出至地热浅水井（19）中。
所述地热浅水井（19）用于排放地热换热器（16）中的水，与地热深水井（18）中的水进行循环。
工作原理：菲涅尔聚光镜（3）将太阳能聚光到接收器（2），接收器（2）将太阳能转换为电能和热能，电池（2-1）将太阳能转换为电能，送至直流母线（12），热管（2-2）安装在电池（2-1）背面，将电池（2-1）的热能传热至冷凝箱（2-3）中的冷却水中。接收器（2）经过多个串联后，冷却水送至三通阀门（5）的输入端。三通阀门（5）分别将加热后的冷却水分别送至保温水箱（11）中保存或者送至多功能地板（10）中实现地板采暖，保温水箱（11）中的热水用于夜间采暖。接收器（2）的热能是无法满足用户夜间长时间供暖需求，若遇到连续阴雨天气，更加难以实现供暖，此时，地热能通过地热换热器（16）将地热能传递到保温水箱（11）的水中，再给多功能地板（10）供暖。
当用户需要进行制冷时，运行制冷模式，自来水通入多功能地板（10）中，实现室内制冷。
一种高倍聚光光伏光热与地板采暖一体化装置有三种工作模式：
模式一：聚光光伏冷却水取暖模式：
控制器（15）控制各阀门的工作状态为：阀门（4）关闭，阀门（6）打开，阀门（7）关闭，阀门（8）关闭；此时，地热能通过地热换热器（16）将保温水箱（11）中的水加热；
模式二：地热取暖模式：
控制器（15）控制各阀门的工作状态为：阀门（4）关闭，阀门（6）关闭，阀门（7）打开，阀门（8）关闭；
模式三：制冷模式：
控制器（15）控制各阀门的工作状态为：阀门（4）关闭，阀门（6）关闭，阀门（7）关闭，阀门（8）打开。
有益效果，本发明具有以下优点：
本发明利用菲涅尔聚光镜实现高倍聚光，实现聚光光伏光热一体化，电能通过直流母线给用户供电，冷却水经过管道和阀门进入采暖地板中，供用户采暖。地热能通过地热换热器将地热能传递到保温水箱的水中，再给多功能地板（10）供暖，能够实现夜间和连续阴雨天气的供暖。另一方面，在现有的装置上，通入冷水，可实现制冷功能。本发明可运行在取暖模式和制冷模式，有效解决冬天取暖、夏天制冷的问题，更加符合实际应用，市场接受度更高。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图中：1是进水阀门、2是接收器、3是菲涅尔聚光镜、4是阀门、5是三通阀门、6是阀门、7是阀门、8是阀门、9是三通阀门、10是多功能地板、11是保温水箱、12是直流母线、13是冷却水温度传感器、14是地板温度传感器、15是控制器、16是地热换热器、17是泵、18是地热深水井、19是地热浅水井。
图2为取暖地板剖面结构示意图；
图3是取暖地板俯视示意图。
图中：10-1是木地板、10-2是传热填充物、10-3是换热器、10-4是保温材料。
图4是接收器结构图；
图中标示出2-1是电池、2-2是热管、2-3是冷凝箱。
图5是保温水箱结构示意图。
图中标示出冷却水输入口、热水输出口、换热输出口、换热输入口。
具体实施方式：结合附图1、图2、图3、图4和图5，进一步对本发明解释。
一种聚光光伏光热与地热能热电联供装置，包括进水阀门（1）、接收器（2）、菲涅尔聚光镜（3）、阀门（4）、三通阀门（5）、阀门（6）、阀门（7）、阀门（8）、三通阀门（9）、多功能地板（10）、保温水箱（11）、直流母线（12）、冷却水温度传感器（13）、地板温度传感器（14）、控制器（15）、地热换热器（16）、泵（17）、地热深水井（18）、地热浅水井（19）；
接收器（2）安装在菲涅尔聚光镜（3）的焦点处，用支架固定安装接收器（2）与菲涅尔聚光镜（3），然后安装在太阳能高精度跟踪装置上，进水阀门（1）的输入端口连接自来水，进水阀门（1）的输出端口与接收器（2）的进水口连接，接收器（2）的出水口与下一个接收器（2）的进水口连接，形成串联，串联的最后一个接收器（2）的出水口与三通阀门（5）的进口端连接，三通阀门（5）有两个输出口，三通阀门（5）输出口一与保温水箱（11）的冷却水输入口连接，中间串连阀门（4），三通阀门（5）输出口二与阀门（6）的输入端口连接，阀门（6）的输出端口与阀门（7）的输出端口并联后与三通阀门（9）输出端口一连接，三通阀门（9）的输入端口二与阀门（8）的输出连接，阀门（8）的输入与自来水连接，三通阀门（9）的输出与多功能地板（10）的换热器（10-3）的输入连接，阀门（7）的输入端与保温水箱（11）的热水出口端连接，冷却水温度传感器（13）安装在三通阀门（5）的进口端，地板温度传感器（14）安装在多功能地板（10）内部，冷却水温度传感器（13）与地板温度传感器（14）的信号输出与控制器（15）信号输入端口连接，控制器（15）的信号输出与分别与进水阀门（1）、阀门（4），阀门（6），阀门（7），阀门（8）的控制端口连接；保温水箱（11）的换热输出口与地热换热器（16）的能量输出端进口连接，地热换热器（16）的能量输出端出口与保温水箱（11）换热输入口连接，地热换热器（16）能量输入端的输出口与地热浅水井（19）的水管连接，地热换热器（16）能量输入端的输入口与泵（17）输出连接，泵（17）的输入与地热深水井（18）的水管连接；
接收器（2）的电池（2-1）输出与直流母线装置（12）连接。
一种聚光光伏光热与地热能热电联供装置，其特征在于有三种工作模式：
模式一：聚光光伏冷却水取暖模式：
控制器（15）控制各阀门的工作状态为：阀门（4）关闭，阀门（6）打开，阀门（7）关闭，阀门（8）关闭；此时，地热能通过地热换热器（16）将保温水箱（11）中的水加热；
模式二：地热取暖模式：
控制器（15）控制各阀门的工作状态为：阀门（4）关闭，阀门（6）关闭，阀门（7）打开，阀门（8）关闭；
模式三：制冷模式：
控制器（15）控制各阀门的工作状态为：阀门（4）关闭，阀门（6）关闭，阀门（7）关闭，阀门（8）打开。
一种高倍聚光光伏光热与地板采暖一体化装置，其特征在于接收器（2）的冷却水温度为80度，当冷却水温度大于80度时，控制器（15）控制进水阀门（1）开度，增大冷却水的流量，当冷却水温度小于80度时，控制器（15）控制进水阀门（1）开度，减小冷却水的流量，当无阳光照射时，控制器（15）控制进水阀门（1）关闭。
一种高倍聚光光伏光热与地板采暖一体化装置，其特征在于多功能地板（10）由木地板（10-1）、传热填充物（10-2）、换热器（10-3）、保温材料（10-4）构成；接收器（2）由电池（2-1）、热管（2-2）、冷凝箱（2-3）构成。如图4所示，电池（2-1）使用导热胶粘贴热管（2-2）的蒸发段上，热管（2-2）设计有冷凝箱（2-3），冷凝箱（2-3）有冷却水进口和冷却水出口。
多功能地板（10）包括木地板（10-1）、传热填充物（10-2）、换热器（10-3）、保温材料（10-4）。最底层为保温材料（10-4），保温材料（10-4）层上安装换热器（10-3），在换热器（10-3）上覆盖一层传热填充物（10-2），铺平后，在传热填充物（10-2）上安装木地板（10-1）。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (2)

1.一种聚光光伏光热与地热能热电联供装置，包括进水阀门（1）、接收器（2）、菲涅尔聚光镜（3）、阀门（4）、三通阀门（5）、阀门（6）、阀门（7）、阀门（8）、三通阀门（9）、多功能地板（10）、保温水箱（11）、直流母线（12）、冷却水温度传感器（13）、地板温度传感器（14）、控制器（15）、地热换热器（16）、泵（17）、地热深水井（18）、地热浅水井（19）；
接收器（2）安装在菲涅尔聚光镜（3）的焦点处，用支架固定安装接收器（2）与菲涅尔聚光镜（3），然后安装在太阳能高精度跟踪装置上，进水阀门（1）的输入端口连接自来水，进水阀门（1）的输出端口与接收器（2）的进水口连接，接收器（2）的出水口与下一个接收器（2）的进水口连接，形成串联，串联的最后一个接收器（2）的出水口与三通阀门（5）的进口端连接，三通阀门（5）有两个输出口，三通阀门（5）输出口一与保温水箱（11）的冷却水输入口连接，中间串连阀门（4），三通阀门（5）输出口二与阀门（6）的输入端口连接，阀门（6）的输出端口与阀门（7）的输出端口并联后与三通阀门（9）输出端口一连接，三通阀门（9）的输入端口二与阀门（8）的输出连接，阀门（8）的输入与自来水连接，三通阀门（9）的输出与多功能地板（10）的换热器（10-3）的输入连接，阀门（7）的输入端与保温水箱（11）的热水出口端连接，冷却水温度传感器（13）安装在三通阀门（5）的进口端，地板温度传感器（14）安装在多功能地板（10）内部，冷却水温度传感器（13）与地板温度传感器（14）的信号输出与控制器（15）信号输入端口连接，控制器（15）的信号输出与分别与进水阀门（1）、阀门（4），阀门（6），阀门（7），阀门（8）的控制端口连接；保温水箱（11）的换热输出口与地热换热器（16）的能量输出端进口连接，地热换热器（16）的能量输出端出口与保温水箱（11）换热输入口连接，地热换热器（16）能量输入端的输出口与地热浅水井（19）的水管连接，地热换热器（16）能量输入端的输入口与泵（17）输出连接，泵（17）的输入与地热深水井（18）的水管连接；接收器（2）的电池（2-1）输出与直流母线装置（12）连接。
2.根据权利要求1所述的一种聚光光伏光热与地热能热电联供装置，其特征在于有三种工作模式：
模式一：聚光光伏冷却水取暖模式：
控制器（15）控制各阀门的工作状态为：阀门（4）关闭，阀门（6）打开，阀门（7）关闭，阀门（8）关闭；此时，地热能通过地热换热器（16）将保温水箱（11）中的水加热；
模式二：地热取暖模式：
控制器（15）控制各阀门的工作状态为：阀门（4）关闭，阀门（6）关闭，阀门（7）打开，阀门（8）关闭；
模式三：制冷模式：
控制器（15）控制各阀门的工作状态为：阀门（4）关闭，阀门（6）关闭，阀门（7）关闭，阀门（8）打开。
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