CN106451724A - 太阳能与单井循环热泵调温、供电、供热水系统及方法 - Google Patents

太阳能与单井循环热泵调温、供电、供热水系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种太阳能与单井循环热泵调温、供电、供热水系统及方法，系统包括：供电单元、供热水单元以及制冷/供暖单元；供电单元包括：太阳能光伏阵列、光伏控制器、并网逆变器以及负载，太阳能光伏阵列产生的直流电经光伏控制器传输至并网逆变器，并由并网逆变器转换为交流电后向负载供电，光伏阵列背板上设置冷凝管；单井回灌单元包括：水泵、地下潜能供给端、地下潜能回收端、第一换热器以及第二换热器，第一换热器、第二换热器两端分别与地下潜能供给端和地下潜能回收端连接；制冷/供暖单元与单井回灌单元的第一换热器连接；供热水单元通过切换单元与供电单元的冷媒管或者单井回灌单元的第二换热器连接。本发明提高了系统的工作效率。

Description

太阳能与单井循环热泵调温、供电、供热水系统及方法
技术领域
本发明实施例涉及新能源技术领域，尤其涉及一种太阳能与单井循环热泵调温、供电、供热水系统及方法。
背景技术
太阳能发电是一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能也包括地球上的风能、化学能、水能等。太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式，光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，由几乎全部以半导体物料(例如硅)制成的固体光伏电池组成。简单的光伏电池可为手表以及计算机提供能源，较复杂的光伏系统可为房屋提供照明以及交通信号灯和监控系统，并入电网供电。光伏板组件可以制成不同形状，而组件又可连接，以产生更多电能。天台及建筑物表面均可使用光伏板组件，甚至被用作窗户、天窗或遮蔽装置的一部分，这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统。
现有技术中的建筑物内用电、生活热水、空调制冷(采暖)分别由公网用电，热水器，空调制冷，集中供暖等方式解决问题，系统集成度低，维护成本高，智能化程度低，投资成本较大。
发明内容
本发明提供一种太阳能与单井循环热泵调温、供电、供热水系统及方法，解决了上述技术问题。
本发明一种太阳能热泵与单井循环热泵二源调温、供电、供热水系统，包括：
供电单元、供热水单元以及制冷/供暖单元；
所述供电单元包括：太阳能光伏阵列、光伏控制器、并网逆变器以及负载，所述太阳能光伏阵列产生的直流电经所述光伏控制器传输至所述并网逆变器，并由所述并网逆变器转换为交流电后向所述负载供电，所述光伏阵列背板上设置冷凝管；
所述单井回灌单元包括：水泵、地下潜能供给端、地下潜能回收端、第一换热器以及第二换热器，所述第一换热器、第二换热器两端分别与所述地下潜能供给端和地下潜能回收端连接；
所述制冷/供暖单元与所述单井回灌单元的第一换热器连接；
所述供热水单元通过切换单元与所述供电单元的冷媒管或者单井回灌单元的第二换热器连接。
进一步地，所述单井回灌单元包括：
封闭式单井循环地热能采集井或者半封闭式单井循环地能采集井。
进一步地，所述冷凝管中采用制冷剂换热。
进一步地，所述切换单元包括：
第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀以及第四电磁阀；
所述第一电磁阀、所述第三电磁阀设置于冷媒管与供热水单元之间；
所述第二电磁阀、所述第四电磁阀设置于第二换热器的两端。
进一步地，所述供热水单元，包括：
压缩机、膨胀阀、过滤器、储液罐以及第三换热器；
所述压缩机一端与冷凝管一端连接，另一端与所述第三换热器连接，所述冷凝管另一端依次与所述膨胀阀、所述过滤器、所述储液罐以及所述第三换热器连接。
进一步地，所述制冷/供暖单元包括：
压缩机、第四换热器、毛细管、过滤器以及储液罐；
所述压缩机一端与第二换热器连接，另一端与所述第四换热器连接，所述第二换热器的另一端依次与所述毛细管、所述过滤器、储液罐以及所述第四换热器连接。
本发明还提供一种太阳能与单井循环热泵调温、供电、供热水方法，包括：
温度采集单元采集供电系统中太阳能光伏阵列的温度；
切换单元根据所述温度与阈值温度判断工作模式是否为夏季工作模式，若是，则切换单元中第一电磁阀、第三电磁阀开启，第二电磁阀、第四电磁阀关闭，若否，则所述切换单元中第一电磁阀、第三电磁阀关闭，第二电磁阀、第四电磁阀开启进入冬天工作模式，其中，所述夏天工作模式为太阳能供电单元提供电能，供电单元中的冷能管冷却太阳能光伏电池，并将热能传输至供热水单元，所述冬天工作模式为单井回灌单元为供冷/供暖单元提供热能。
本发明解决了建筑物内用电、生活热水、空调制冷不集中的问题，提高了系统的集成度，降低了维护的成本，提高了智能化程度，减少了投资的成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明太阳能与单井循环热泵调温、供电、供热水系统示意图；
图2为本发明太阳能供电单元连接示意图；
图3为本发明供热水单元与供电单元连接示意图；
图4a和图4b为本发明单井回灌单元结构示意图；
图5为本发明太阳能与单井循环热泵调温、供电、供热水系统连接示意图；
图6为本发明太阳能与单井循环热泵调温、供电、供热水方法流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明太阳能与单井循环热泵调温、供电、供热水系统示意图，本实施例系统包括；
供电单元101、单井回灌单元102、供热水单元103以及制冷/供暖单元104；
所述供电单元包括：太阳能光伏阵列、光伏控制器、并网逆变器以及负载，所述太阳能光伏阵列产生的直流电经所述光伏控制器传输至所述并网逆变器，并由所述并网逆变器转换为交流电后向所述负载供电，所述光伏阵列背板上设置冷凝管；
所述单井回灌单元包括：水泵、地下潜能供给端、地下潜能回收端、第一换热器以及第二换热器，所述第一换热器、第二换热器两端分别与所述地下潜能供给端和地下潜能回收端连接；
所述制冷/供暖单元与所述单井回灌单元的第一换热器连接；
所述供热水单元通过切换单元与所述供电单元的冷媒管或者单井回灌单元的第二换热器连接。
具体来说，太阳能储能并网系统：储能电站配合光伏并网系统应用，系统包括：光伏阵列组件、光伏控制器、蓄电池组、并网逆变器组成。如图2所示。并网光伏系统加入储能模块满足在剩余电量稳定上网的同时，畜电池电量满足在光伏阵列不能产生电能情况下不用公网电。
如图3所示，太阳能电池板在正常工作过程中，由于自身的发热而温度升高，会导致光电转换效率降低，结合热泵原理将太阳能PVT组件背部集热板做成盘管状冷剂盘管，内部流通制冷剂，作为夏季供热水单元的热泵蒸发器使用，这样在提高太阳能电池光电转换效率的同时，可以充分利用太阳能，解决热水供应问题。
如果在太阳能电池板不工作情况下，热泵机组单独运行，即可视为空气源热泵机组，该机组优点为：提高太阳能电池板发电效率，热泵热水机组比普通电热水器效能高出3倍左右。与传统的光伏发电面板相比，本系统能提高20％的发电量，同时还可以提供高温热水。除了提高了生产效率，它还能保护光伏面板避免过热从而延长面板的使用寿命。
进一步地，所述单井回灌单元包括：
封闭式单井循环地热能采集井或者半封闭式单井循环地能采集井。
具体来说，该机组存在的问题在于：在冬季，热泵机组的工作模式依旧是制备生活热水，制冷剂的蒸发温度随压力变化而不同，通常为10℃左右，热泵机组的制热性能受环境影响大，北方冬季室外环境温度约为-10～-15℃，有些地区会更低；而在南方，大部分地区的冬季室外平均温度在10℃以下。在环境温度较低时，通过组件背部集热板流道制冷剂循环降低电池温度从而提高电池片发电效率的效果不明显，同时空气源热泵在冬季运行，效率较低，有结霜的危险。
本实施例将太阳能PVT热泵与单井回灌地源热泵相结合的双源系统。
单井循环地(热)能采集技术是以地下水为介质，利用一口井及井内装置，采用半封闭循环回路，实现水与浅层土壤及砂岩的热交换，从土壤、砂岩中取热，实现抽水与回灌在能量交换与流量间的动态平衡及能量采集过程。由于井水就地原位循环，所以既不消耗水，也不污染水，不会破坏地下水的正常分布，也不会因为移砂而造成取水井坍塌和回灌井堵塞等问题。单井循环地(热)能采集技术分为半封闭式和封闭式。如图4a和图4b所示。
如图5所示，所述切换单元包括：
第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀以及第四电磁阀；
所述第一电磁阀、所述第三电磁阀设置于冷媒管与供热水单元之间；
所述第二电磁阀、所述第四电磁阀设置于第二换热器的两端。
夏季：利用太阳能电池板发电，有富余电量供蓄电池，再有就并入电网，光伏电池产生的电能或存储或上传电网，集热板内的制冷剂循环为电池片降温以提高光电转换效率，制备生活热水，若热能过剩，则利用单井回灌技术将多余的热水排入井中，将热能储存在土壤中；地源热泵机组为室内提供冷量，满足建筑冷负荷需求。电磁阀1、3开启；电磁阀2、4关闭。
冬季：太阳能电池板发电，PVT热泵制备生活热水，当太阳能供热量不足时，可利用地源热泵加以补充；地源热泵制备室内采暖热水，满足建筑热负荷需求。电磁阀1、3关闭；电磁阀2、4开启。
冬季运行模式状况下：太阳能电池热泵机组通过电磁阀断开，太阳能电池背板不做为供热水单元的热泵机组的蒸发器使用，取而代之的是板式换热器，通过单井系统作为水源热水泵使用，保证冬季热泵机组的热水生产。太阳能电池侧发生故障，也可将空气热泵切换成地源热泵。
进一步地，所述供热水单元，包括：
压缩机、膨胀阀、过滤器、储液罐以及第三换热器；
所述压缩机一端与冷凝管一端连接，另一端与所述第三换热器连接，所述冷凝管另一端依次与所述膨胀阀、所述过滤器、所述储液罐以及所述第三换热器连接。
进一步地，所述制冷/供暖单元包括：
压缩机、第四换热器、毛细管、过滤器以及储液罐；
所述压缩机一端与第二换热器连接，另一端与所述第四换热器连接，所述第二换热器的另一端依次与所述毛细管、所述过滤器、储液罐以及所述第四换热器连接。
本系统是将太阳能光伏技术、热泵热水技术、单井循环地(热)能采集技术的结合。一次性解决了光伏系统发电问题，提高系统发电效率；生活热水问题；以及室内采暖制冷负荷问题。本系统采用太阳能发电的方式解决用电问题，采用余电上网的方式可以免费用电的同时，有效的回收投资成本；为提高光伏系统的发电效率，结合热泵技术原理，提出太阳能热泵技术，提高太阳能发电效率，产生免费热水以满足生活用水的需求。考虑系统冬季运行工况，采用单井循环二源技术利用地下潜能满足冬季运行需求。这就同时解决了用电、用水、采暖制冷等问题。
采用智能化集中控制，从系统内实现结合，提高太阳能电池板效率同时生产免费生活热水。集成度高，相对分散的系统投资运行成本低；在当前太阳能电池技术阶段下，通过降低电池板温度提高太阳能电池的发电效率，更多的发电、更快的收回成本创造利润。
图6为本发明太阳能与单井循环热泵调温、供电、供热水方法流程图，如图6所示，本实施例方法包括；
步骤101、采用太阳能光伏阵列提供电能；
步骤102、温度采集单元采集供电系统中太阳能光伏阵列的温度；
步骤103、切换单元根据所述温度与阈值温度判断工作模式是否为夏季工作模式，若是，则切换单元中第一电磁阀、第三电磁阀开启，第二电磁阀、第四电磁阀关闭，若否，则所述切换单元中第一电磁阀、第三电磁阀关闭，第二电磁阀、第四电磁阀开启；
步骤104、采用地下单井回灌为制冷/供暖单元提供换热。
阈值温度设定为两个,即温度阈值C1和温度阈值C2，同时设定应急温度补偿切换时间T1，其中温度阈值C1大于温度阈值C2，当温度采集单元采集温度低于温度阈值C1时，切换单元进入待切换模式，此时判断温度采集单元采集的温度从温度阈值C1降到温度阈值C2的时间T同应急温度补偿切换时间T1的大小关系，如果T大于应急温度补偿切换时间T1，则所述切换单元中第一电磁阀、第三电磁阀关闭，第二电磁阀、第四电磁阀开启进入冬天工作模式；如果T小于应急温度补偿切换时间T1，切换单元切换供冷/供暖单元外接热水装置(这里会给切换单元外接供应热水装置，例如：热水器或供热锅炉等，由于热水器、供热锅炉等连接方式和供应方式，以及通过阀进行切换的方式都为本领域常用技术手段，这里对其如何实现不做赘述。此种设计是为了防止遇到极端天气，天气温度骤降影响生活热水的供应)。
本实施例方法原理与上述系统相同及效果，此处不再赘述。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种太阳能与单井循环热泵调温、供电、供热水系统，其特征在于，包括：
供电单元、供热水单元以及制冷/供暖单元；
所述供电单元包括：太阳能光伏阵列、光伏控制器、并网逆变器以及负载，所述太阳能光伏阵列产生的直流电经所述光伏控制器传输至所述并网逆变器，并由所述并网逆变器转换为交流电后向所述负载供电，所述光伏阵列背板上设置冷凝管；
所述单井回灌单元包括：水泵、地下潜能供给端、地下潜能回收端、第一换热器以及第二换热器，所述第一换热器、第二换热器两端分别与所述地下潜能供给端和地下潜能回收端连接；
所述制冷/供暖单元与所述单井回灌单元的第一换热器连接；
所述供热水单元通过切换单元与所述供电单元的冷媒管或者单井回灌单元的第二换热器连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述单井回灌单元包括：
封闭式单井循环地热能采集井或者半封闭式单井循环地能采集井。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述冷凝管中采用制冷剂换热。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述切换单元包括：
第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀以及第四电磁阀；
所述第一电磁阀、所述第三电磁阀设置于冷媒管与供热水单元之间；
所述第二电磁阀、所述第四电磁阀设置于第二换热器的两端。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述供热水单元，包括：
压缩机、膨胀阀、过滤器、储液罐以及第三换热器；
所述压缩机一端与冷凝管一端连接，另一端与所述第三换热器连接，所述冷凝管另一端依次与所述膨胀阀、所述过滤器、所述储液罐以及所述第三换热器连接。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述制冷/供暖单元包括：
压缩机、第四换热器、毛细管、过滤器以及储液罐；
所述压缩机一端与第二换热器连接，另一端与所述第四换热器连接，所述第二换热器的另一端依次与所述毛细管、所述过滤器、储液罐以及所述第四换热器连接。
7.一种太阳能与单井循环热泵调温、供电、供热水方法，其特征在于，包括：
温度采集单元采集供电系统中太阳能光伏阵列的温度；
切换单元根据所述温度与阈值温度判断工作模式是否为夏季工作模式，若是，则切换单元中第一电磁阀、第三电磁阀开启，第二电磁阀、第四电磁阀关闭，若否，则所述切换单元中第一电磁阀、第三电磁阀关闭，第二电磁阀、第四电磁阀开启进入冬天工作模式，其中，所述夏天工作模式为太阳能供电单元提供电能，供电单元中的冷能管冷却太阳能光伏电池，并将热能传输至供热水单元，所述冬天工作模式为单井回灌单元为供冷/供暖单元提供热能。
8.根据权利要求7所述的一种太阳能与单井循环热泵调温、供电、供热水方法，其特征在于，所述阈值温度设定为两个,即温度阈值C1和温度阈值C2，同时设定应急温度补偿切换时间T1，其中温度阈值C1大于温度阈值C2，当温度采集单元采集温度低于温度阈值C1时，切换单元进入待切换模式，此时判断温度采集单元采集的温度从温度阈值C1降到温度阈值C2的时间T同应急温度补偿切换时间T1的大小关系，如果T大于应急温度补偿切换时间T1，则所述切换单元中第一电磁阀、第三电磁阀关闭，第二电磁阀、第四电磁阀开启进入冬天工作模式；如果T小于应急温度补偿切换时间T1，切换单元切换供冷/供暖单元外接热水装置。
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