CN107014111A - 一种相变蓄热太阳能空气源双热源热泵热水发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种相变蓄热太阳能空气源双热源热泵热水发电系统，热泵热水发电系统包括制冷剂循环系统、水源加热系统和发电系统；本发明中光伏板与集热蒸发器组合在一起，利用相变蓄热材料来吸收光伏板热量，持续稳定地使制冷剂在集热蒸发器中吸收太阳能光伏板的热量而蒸发，一是达到了给光伏板降温的作用，提高了光伏板的光电转换效率，使光伏板稳定输出电能；二是达到了收集光伏板热量的作用。集热蒸发器吸收的太阳能与风冷式蒸发器吸收的空气热能，经热泵系统在水冷式冷凝器中与冷水交换热量，产出热水，实现了热能的有效利用。因此，本发明提高了能量的品质，有效利用和节约能源，具有稳定方便等优点。
Description
技术领域
本发明属于新能源领域，具体涉及一种相变蓄热太阳能空气源双热源热泵热水发电系统。
背景技术
太阳能光伏发电是近些年新兴发展较为迅速的一种发电形式。但是绝大部分的太阳辐射能量没有转化为电能，而是转化为热能或以电磁波形式辐射出去，这样造成太阳能光伏板温度升高。光伏电池(或者称为太阳能电池)对温度非常敏感。已测定在64℃的运行温度下，晶体硅太阳能电池的效率与标准测试条件(25℃)下所测量的效率相比下降了69％。
由于温度的增加总是导致光伏转换效率的下降，所以有必要保持太阳能电池温度尽可能地接近其最高运行温度，从而提高转换效率。对于不同的电池，最高运行温度是不同的，但所有目前可用的光伏电池会在阳光充足的白天被加热超过其最高运行温度。因此，经常必须应用外部装置以降低电池的温度或防止温度上升过高。实现了上述情况的一种方式为将冷却装置应用于太阳能电池，其反过来需要能量，使用不方面，且成本较高。
为了提高太阳能电池的转换效率，期望寻找一种更高效的太阳能过热管理的装置。期望存在一种不需要外部冷却装置或外部冷却源的管理太阳能电池热量的装置。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种相变蓄热太阳能空气源热泵热水发电系统。本发明中光伏板与集热蒸发器组合在一起，利用相变蓄热材料来吸收光伏板热量，持续稳定地使制冷剂在集热蒸发器中吸收太阳能光伏板的热量而蒸发，一是达到了给光伏板降温的作用，提高了光伏板的光电转换效率，使光伏板稳定输出电能；二是达到了收集光伏板热量的作用。集热蒸发器吸收的太阳能与风冷式蒸发器吸收的空气热能，经热泵系统在水冷式冷凝器中与冷水交换热量，产出热水，实现了热能的有效利用。因此，本发明提高了能量的品质，有效利用和节约能源，具有稳定方便等优点。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种相变蓄热太阳能空气源双热源热泵热水发电系统，所述热泵热水发电系统包括制冷剂循环系统、水源加热系统和发电系统；
所述制冷剂循环系统主要包括集热蒸发器、光伏板、风冷式蒸发器、水冷式冷凝器、压缩机和热力膨胀阀；集热蒸发器设于光伏板下用于吸收光伏板的热量，风冷式蒸发器与集热蒸发器并联，两者的并联端一端与压缩机相连，另一端与热力膨胀阀相连，压缩机和热力膨胀阀之间连接有水冷式冷凝器；制冷剂的循环过程为：集热蒸发器和风冷式蒸发器内的制冷剂吸热后蒸发汽化，然后进入压缩机压缩处理成高温高压的蒸汽，接着进入水冷式冷凝器中与其内的冷水换热使制冷剂冷却，制冷剂冷却后经热力膨胀阀节流后再次分别进入集热蒸发器和风冷式蒸发器内，从而实现制冷剂的循环过程；
所述水源加热系统包括水泵，水泵抽取冷水进入水冷式冷凝器内进行换热，冷水吸热变成热水储存在蓄热储水箱中，实现水源加热；
光伏板与蓄电池相连组成发电系统。
其中，为保证系统全天候产热稳定，集热蒸发器和风冷式蒸发器并联使用。
在太阳辐射正常的情况下，制冷剂经热力膨胀阀节流后，一部分进入集热蒸发器，而光伏板吸收的太阳能的热量传递给集热蒸发器，从而降低自身温度提高光电转换效率。在保证了内部制冷剂完全蒸发后，光伏板产生的电能储存到蓄电池里，到需要用时再从蓄电池取电。该部分制冷剂在集热蒸发器中吸热汽化。
另一部分制冷剂，经风冷式蒸发器，吸收热量后，与集热蒸发器组件输出的气液制冷剂汇合，经压缩机压缩后进入水冷式冷凝器，并与水泵提升的冷水在其中换热，冷水吸收制冷剂液化的热量，可以输出大约60度左右的热水，储存在蓄热热水箱中，提供给建筑使用。
光伏板发电电量由电路输送到蓄电池中进行储存，以备后续使用。电路中设有电源控制开关。开时光伏板发电，集热器吸热；关闭时光伏板仅进行吸热。
作为优选的技术方案：
优选的，所述集热蒸发器为管板式蒸发器，具体包括热媒管路、相变蓄热材料和保温层；集热蒸发器与光伏板之间设有导热膜，热媒管路无缝铺设在导热膜上，热媒管路和导热膜上覆盖有相变蓄热材料，保温层覆盖在相变蓄热材料上。光伏板和热媒管路之间铺设导热膜，在两者之间传递热量，以降低相邻热管之间的传热热阻，导热膜选用复合膜。相变蓄热材料填充覆盖，以达到充分吸收光伏板热量，保证全天候制冷剂能够稳定吸热蒸发，提高热传递的效率，相变蓄热材料外侧由保温层覆盖进行保温集热。
优选的，所述光伏板为单晶体硅太阳能电池板，所述导热膜表面涂敷有粘胶，用与热媒管路和光伏板的贴合；导热膜表面涂敷粘胶，与热媒管路和光伏板贴合；
所述导热膜为高导热石墨膜；，所述高导热石墨膜的导热系数为1700-1900w/m.k；
所述热媒管路由蛇形环绕的制冷剂管路组成。
优选的，所述光伏板的数目≥1，光伏板之间采用依靠制冷剂管路连接；所述保温层的表面覆盖有铝箔。保温层外表面覆盖铝箔，降低表面的辐射率，减少热量损失。
优选的，所述风冷式蒸发器与集热蒸发器的并联端与压缩机之间还设有气液分离器。气液分离器安装在蒸发器后，进入压缩机前，为防止系统制冷剂过多、蒸发器未完全蒸发的过潮过湿带颗粒性的混合气体、或气体中可能夹带的润滑油而专设的分离容器，能有效地保护压缩机。
所述热力膨胀阀和水冷式冷凝器之间以及水泵和水冷式冷凝器之间还共同增设有再冷却器。制冷剂在经过水冷式冷凝器后，进入热力膨胀阀前，加一组再冷却器，一是使制冷剂充分冷却，系统能够稳定运行；二是可以高效率的吸收光伏板和空气源的热能；三是使进入水冷式冷凝器前的冷水预热。
优选的，所述水冷式冷凝器为盘管式水冷冷凝器；所述压缩机为变频压缩机，所述蓄热储水箱表面包有蓄热材料。
优选的，所述光伏板嵌入在铝框支架中。
优选的，所述制冷剂为R134a。R134a作为使用最广泛的中低温环保制冷剂，由于其良好的综合性能，使其成为一种非常有效和安全的CFC-12的替代品，主要应用于在使用R12制冷剂的多数领域。
优选的，所述热力膨胀阀与集热蒸发器之间以及热力膨胀阀与风冷式蒸发器之间均设有截止阀；
所述水冷式冷凝器和蓄热储水箱之间设有截止阀；热力膨胀阀与集热蒸发器之间以及热力膨胀阀与风冷式蒸发器之间均设有截止阀和水冷式冷凝器和蓄热储水箱之间设有截止阀相同；
所述光伏板与蓄电池之间设有控制开关。
有益效果：
本发明的太阳能热泵系统，在正常太阳的情况下，不仅能提供生活热水也能产生电能。在太阳光照不充足的时候，也可以提供稳定的热水。
本发明的太阳能热泵系统中，制冷剂直接在集热器蒸发器内蒸发吸热，既可以吸收太阳辐射能也可以吸收光伏板周围的热能，大大提高了系统在不同工况下连续运行的可靠性和稳定性。
本发明的相变蓄热材料稳定吸收光伏板热量，而且集热蒸发器管道中流动的是制冷剂而非水，可有效避免冬季的冻管问题。而且与风冷式蒸发器并联使用，可大大提升热泵系统的稳定性及效率，充分满足用户的热水需求。
本发明的变频压缩机的使用，在太阳能辐照和周围空中温度波动较大的情况下，可以达到压缩机功率与蒸发器热负荷更好的匹配的目的，提高了整个太阳能热泵的效率。
本发明的导热膜表面贴在热媒管路和太阳能电池板上，减小了相邻热管之间的传导热阻，减少制冷剂管路数量，降低组件成本并且连接太阳能电池板和热媒管路，在两者之间传递热量。该装置维修方便，有利于市场推广。
附图说明
图1为本发明实施例2的相变蓄热太阳能空气源双热源热泵热水发电系统的示意图；
图2为本发明的光伏板与集热蒸发器组合部件的结构示意图；
图3为本发明的光伏板以铝框支架拼接起来的装置的结构示意图；
图4为本发明实施例3的相变蓄热太阳能空气源双热源热泵热水发电系统的示意图；
其中，1-光伏板，2-集热蒸发器，2.1-热媒管路，2.2-相变蓄热材料，2.3-保温层，3-风冷式蒸发器，4-压缩机，5-水冷式冷凝器，6-热力膨胀阀，7-水泵，8-蓄热储水箱，9-蓄电池，10-气液分离器，11-再冷却器，12-截止阀，13-控制开关，14-导热膜，15-铝框支架。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
一种相变蓄热太阳能空气源双热源热泵热水发电系统，热泵热水发电系统包括制冷剂循环系统、水源加热系统和发电系统；
制冷剂循环系统，主要包括光伏板1、集热蒸发器2、风冷式蒸发器3、水冷式冷凝器5、压缩机4和热力膨胀阀6；集热蒸发器2设于光伏板1下用于吸收光伏板的热量，风冷式蒸发器3与集热蒸发器2并联，两者的并联端一端与压缩机4相连，另一端与热力膨胀阀6相连，压缩机4和热力膨胀阀6之间连接有水冷式冷凝器5；制冷剂的循环过程为：集热蒸发器2和风冷式蒸发器3内的制冷剂吸热后蒸发汽化，然后进入压缩机4压缩处理成高温高压的蒸汽，接着进入水冷式冷凝器5中与其内的冷水换热使制冷剂冷却，制冷剂冷却后经热力膨胀阀6节流后再次分别进入集热蒸发器2和风冷式蒸发器3内，从而实现制冷剂的循环过程；
水源加热系统包括水泵7，水泵7抽取冷水进入水冷式冷凝器5内进行换热，冷水吸热变成热水储存在蓄热储水箱8中，实现水源加热；其中，水冷式冷凝器为盘管式水冷冷凝器；压缩机为变频压缩机，蓄热储水箱表面包有蓄热材料。
光伏板1与蓄电池9相连组成发电系统。其中，光伏板1与蓄电池5之间设有控制开关13，光伏板的数目为1，光伏板1为单晶体硅太阳能电池板。
集热蒸发器2为管板式蒸发器，具体如图2所示，包括热媒管路2.1、相变蓄热材料2.2和保温层2.3；集热蒸发器与光伏板之间设有导热膜14，热媒管路2.1无缝铺设在导热膜14上，热媒管路2.1和导热膜14上覆盖有相变蓄热材料2.2，保温层2.3覆盖在相变蓄热材料2.2上。导热膜14表面涂敷有粘胶，用与热媒管路和光伏板的贴合；导热膜为高导热石墨膜，高导热石墨膜的导热系数为1800w/m.k；热媒管路2.1由蛇形环绕的制冷剂管路组成。
热力膨胀阀6与集热蒸发器2之间以及热力膨胀阀6与风冷式蒸发器3之间均设有截止阀12；水冷式冷凝器5和蓄热储水箱8之间设有截止阀12。
实施例2
一种相变蓄热太阳能空气源双热源热泵热水发电系统，热泵热水发电系统包括制冷剂循环系统、水源加热系统和发电系统；
制冷剂循环系统，如图1所示，主要包括光伏板1、集热蒸发器2、风冷式蒸发器3、水冷式冷凝器5、压缩机4和热力膨胀阀6；集热蒸发器2设于光伏板1下用于吸收光伏板的热量，风冷式蒸发器3与集热蒸发器2并联，两者的并联端一端与压缩机4相连，另一端与热力膨胀阀6相连，压缩机4和热力膨胀阀6之间连接有水冷式冷凝器5；制冷剂的循环过程为：集热蒸发器2和风冷式蒸发器3内的制冷剂吸热后蒸发汽化，然后进入压缩机4压缩处理成高温高压的蒸汽，接着进入水冷式冷凝器5中与其内的冷水换热使制冷剂冷却，制冷剂冷却后经热力膨胀阀6节流后再次分别进入集热蒸发器2和风冷式蒸发器3内，从而实现制冷剂的循环过程；
水源加热系统包括水泵7，水泵7抽取冷水进入水冷式冷凝器5内进行换热，冷水吸热变成热水储存在蓄热储水箱8中，实现水源加热；
其中，热力膨胀阀6和水冷式冷凝器5之间以及水泵7和水冷式冷凝器5之间还共同增设有再冷却器11。
光伏板1与蓄电池9相连组成发电系统。其中，光伏板1与蓄电池5之间设有控制开关13，光伏板的数目为12，光伏1嵌入在铝框支架15中，如图3所示；光伏板之间采用依靠制冷剂管路连接，光伏板1为单晶体硅太阳能电池板。
集热蒸发器2为管板式蒸发器，包括热媒管路2.1、相变蓄热材料2.2和保温层2.3；集热蒸发器与光伏板之间设有导热膜14，热媒管路2.1无缝铺设在导热膜14上，热媒管路2.1和导热膜14上覆盖有相变蓄热材料2.2，保温层2.3覆盖在相变蓄热材料2.2上，保温2.3的表面覆盖有铝箔。导热膜14表面涂敷有粘胶，用与热媒管路和光伏板的贴合；导热膜为高导热石墨膜，高导热石墨膜的导热系数为1900w/m.k；热媒管路2.1由蛇形环绕的制冷剂管路组成。
热力膨胀阀6与集热蒸发器2之间以及热力膨胀阀6与风冷式蒸发器3之间均设有截止阀12；水冷式冷凝器5和蓄热储水箱8之间设有截止阀12。
制冷剂为R134a。
实施例3
一种相变蓄热太阳能空气源双热源热泵热水发电系统，热泵热水发电系统包括制冷剂循环系统、水源加热系统和发电系统；
制冷剂循环系统，如图4所示，主要包括光伏板1、集热蒸发器2、风冷式蒸发器3、水冷式冷凝器5、压缩机4和热力膨胀阀6；集热蒸发器2设于光伏板1下用于吸收光伏板的热量，风冷式蒸发器3与集热蒸发器2并联，两者的并联端一端与压缩机4相连，另一端与热力膨胀阀6相连，压缩机4和热力膨胀阀6之间连接有水冷式冷凝器5；制冷剂的循环过程为：集热蒸发器2和风冷式蒸发器3内的制冷剂吸热后蒸发汽化，然后进入压缩机4压缩处理成高温高压的蒸汽，接着进入水冷式冷凝器5中与其内的冷水换热使制冷剂冷却，制冷剂冷却后经热力膨胀阀6节流后再次分别进入集热蒸发器2和风冷式蒸发器3内，从而实现制冷剂的循环过程；
水源加热系统包括水泵7，水泵7抽取冷水进入水冷式冷凝器5内进行换热，冷水吸热变成热水储存在蓄热储水箱8中，实现水源加热；水冷式冷凝器左侧管线为制冷剂管路，右侧的管路为热水管路。左侧制冷剂由下而上经过水冷式冷凝器，制冷剂发生冷凝放热；再经过再冷却器，制冷剂温度再次下降，传导热量给热水系统中的冷水，使其预热。右侧热水管路，水由上而下依次经过再冷却器，吸收了制冷剂热量，温度稍微提升；又经过水冷式冷凝器，与制冷剂进行换热，此时温度大范围的达到了提升。
其中，风冷式蒸发器3与集热蒸发器2的并联端与压缩机4之间还设有气液分离器10，热力膨胀阀6和水冷式冷凝器5之间以及水泵7和水冷式冷凝器5之间还共同增设有再冷却器 11。
光伏板1与蓄电池9相连组成发电系统。其中，光伏板1与蓄电池5之间设有控制开关13，光伏板的数目为12，光伏1嵌入在铝框支架15中，如图3所示；光伏板之间采用依靠制冷剂管路连接，光伏板1为单晶体硅太阳能电池板。
集热蒸发器2为管板式蒸发器，包括热媒管路2.1、相变蓄热材料2.2和保温层2.3；集热蒸发器与光伏板之间设有导热膜14，热媒管路2.1无缝铺设在导热膜14上，热媒管路2.1和导热膜14上覆盖有相变蓄热材料2.2，保温层2.3覆盖在相变蓄热材料2.2上，保温2.3的表面覆盖有铝箔。导热膜14表面涂敷有粘胶，用与热媒管路和光伏板的贴合；导热膜为高导热石墨膜，高导热石墨膜的导热系数为1700w/m.k；热媒管路2.1由蛇形环绕的制冷剂管路组成。
热力膨胀阀6与集热蒸发器2之间以及热力膨胀阀6与风冷式蒸发器3之间均设有截止阀12；水冷式冷凝器5和蓄热储水箱8之间设有截止阀12。
制冷剂为R134a。
Claims (10)
1.一种相变蓄热太阳能空气源双热源热泵热水发电系统，其特征是：所述热泵热水发电系统包括制冷剂循环系统、水源加热系统和发电系统；
所述制冷剂循环系统主要包括集热蒸发器、光伏板、风冷式蒸发器、水冷式冷凝器、压缩机和热力膨胀阀；集热蒸发器设于光伏板下用于吸收光伏板的热量，风冷式蒸发器与集热蒸发器并联，两者的并联端一端与压缩机相连，另一端与热力膨胀阀相连，压缩机和热力膨胀阀之间连接有水冷式冷凝器；制冷剂的循环过程为：集热蒸发器和风冷式蒸发器内的制冷剂吸热后蒸发汽化，然后进入压缩机压缩处理成高温高压的蒸汽，接着进入水冷式冷凝器中与其内的冷水换热使制冷剂冷却，制冷剂冷却后经热力膨胀阀节流后再次分别进入集热蒸发器和风冷式蒸发器内，从而实现制冷剂的循环过程；
所述水源加热系统包括水泵，水泵抽取冷水进入水冷式冷凝器内进行换热，冷水吸热变成热水储存在蓄热储水箱中，实现水源加热；
光伏板与蓄电池相连组成发电系统。
2.根据权利要求1所述的一种相变蓄热太阳能空气源双热源热泵热水发电系统，其特征在于：所述集热蒸发器为管板式蒸发器，具体包括热媒管路、相变蓄热材料和保温层；集热蒸发器与光伏板之间设有导热膜，热媒管路无缝铺设在导热膜上，热媒管路和导热膜上覆盖有相变蓄热材料，保温层覆盖在相变蓄热材料上。
3.根据权利要求2所述的一种相变蓄热太阳能空气源双热源热泵热水发电系统，其特征在于：所述光伏板为单晶体硅太阳能电池板，所述导热膜表面涂敷有粘胶，用与热媒管路和光伏板的贴合；所述导热膜为高导热石墨膜，所述高导热石墨膜的导热系数为1700-1900w/m.k；
所述热媒管路由蛇形环绕的制冷剂管路组成。
4.根据权利要求3所述的一种相变蓄热太阳能空气源双热源热泵热水发电系统，其特征在于：所述光伏板的数目≥1，光伏板之间采用依靠制冷剂管路连接；所述保温层的表面覆盖有铝箔。
5.根据权利要求1所述的一种相变蓄热太阳能空气源双热源热泵热水发电系统，其特征在于：所述风冷式蒸发器与集热蒸发器的并联端与压缩机之间还设有气液分离器。
6.根据权利要求1所述的一种相变蓄热太阳能空气源双热源热泵热水发电系统，其特征在于：所述热力膨胀阀和水冷式冷凝器之间以及水泵和水冷式冷凝器之间还共同增设有再冷却器。
7.根据权利要求1所述的一种相变蓄热太阳能空气源双热源热泵热水发电系统，其特征在于：所述水冷式冷凝器为盘管式水冷冷凝器；所述压缩机为变频压缩机，所述蓄热储水箱表面包有蓄热材料。
8.根据权利要求4所述的一种相变蓄热太阳能空气源双热源热泵热水发电系统，其特征在于：所述光伏板嵌入在铝框支架中。
9.根据权利要求1所述的一种相变蓄热太阳能空气源双热源热泵热水发电系统，其特征在于：所述制冷剂为R134a。
10.根据权利要求1所述的一种相变蓄热太阳能空气源双热源热泵热水发电系统，其特征在于：所述热力膨胀阀与集热蒸发器之间以及热力膨胀阀与风冷式蒸发器之间均设有截止阀；
所述水冷式冷凝器和蓄热储水箱之间设有截止阀；
所述光伏板与蓄电池之间设有控制开关。
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