CN107388451B - 一种新型无蓄电池离网直驱户用光伏空调系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型无蓄电池离网直驱户用光伏空调系统。提出光伏组件输出功率匹配负载压缩机运行功率的控制策略，在多变天气下，减小压缩机变频范围，使其稳定运行。在制冷循环中，将传统蒸发器设计为单通道串联双盘管蒸发器结构，采用全覆盖融冰器，加速平衡冷量；此外，加装二位四通换向电磁阀，实现单通道双蒸发器制冷顺序对换，实现交叉蓄冷的功能。在用冷循环中，加装两个三通电磁水阀，可实现交叉用冷功能。控制器控制光伏组件的输入功率、四通电磁阀和三通电磁水阀的各通路的通断，实现智能蓄冷、用冷功能。本发明解决了多变天气下压缩机运行稳定性问题、制冰循环下制冷效率低等问题，可24小时不间断运行；系统维护较少，可广泛使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型离网无蓄电池直驱户用光伏空调系统，属于太阳能利用技术领域。
背景技术
随着社会进步与科技的发展，空调已成为人们对于追求高质量生活所必不可少的家用电器，尤其是在酷热的夏季，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，国家电网压力越来越大，炎热的夏季成为用电高峰期。为了解决这个难题，世界各国开始研究太阳能空调，由于其环境友好、节能减排且取之不尽等突出特性，引起各国研究人员的高度重视；其中光伏制冰蓄冷空调系统通过利用水转化为冰蓄冷，冰吸热相变为水释放冷量的方式供冷，相对于传统带有蓄电池的光伏空调，通过冰蓄冷代替蓄电储能，降低系统成本，也更加环保。
然而，对于光伏蓄冰制冷空调系统，其存在的几个难题一直困扰的它的发展与推广：1，由于辐照度的间歇性和不稳定性使得压缩机运行不稳定，制约着其使用寿命；2，蓄冷箱中随着冰层厚度的增加使得蒸发器温度降低，蒸发系数急剧下降，形成过冷冰，严重影响制冰效率；3，在无辐照度的夜晚，光伏空调不能继续工作，其使用受限其工作的条件，不适于大量推广。为了解决这些问题，研究人员做出了大量尝试，如改进蒸发器的分布，增大蓄冷箱的体积等等，使得冷量分布均匀，冷量储存增加，但是其工艺复杂，制作成本也大大提高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的光伏空调的不足，提供一种新型离网无蓄电池直驱户用光伏空调系统。系统分为光伏能源模块、制冰蓄冷模块和房间供冷模块3个模块，如图1所示；光伏能源模块由光伏阵列、控制器、多路电磁感应开关、光伏逆控一体机等组成，制冷模块包括制冷变频压缩机、冷凝器、储液器、毛细管、二位四通换向电磁阀、单通道串联双盘管蒸发器、气液分离器等，房间供冷模块由双蓄冷箱、三通电磁水阀、循环水泵、室内机等组成。需要解决的问题有：1、光伏空调双蓄冷箱过冷导致蒸发器换热效率低的问题；2、夜间无阳光下光伏空调的连续使用问题。3，多变天气下光伏阵列输出功率波动过大，压缩机变频过快、幅度过高，导致制冷变频压缩机运行不稳定且效率低的问题。
为解决上述难题，本发明的技术方案为：本系统设计了一种单通道串联双盘管蒸发器，将其浸没密封于不锈钢绝热双蓄冷箱中，单通道串联双盘管蒸发器管道穿过双蓄冷箱中间的小孔相连；蒸发器为单个通道串联两个盘管蒸发器而成，单通道串联双盘管蒸发器进、出口分别连接二位四通换向电磁阀的两个换向出口阀中， 二位四通换向电磁阀进口阀连接单向阀与毛细管的公共端出口，二位四通换向电磁阀另外一个出口阀连接气液分离器入口，具体如图1中的制冰供冷模块。
温度传感器分布在双蓄冷箱内的不同位置检测冰层和水层的温度，控制器以双蓄冷箱中蒸发器不同层的温度为输入信号，控制二位四通换向电磁阀和三通电磁水阀各通路的通断，智能调控制冷，具体如图2所示。
具体地，温度传感器分布在双蓄冷箱内的不同位置检测到冰层和水层的温度后，控制器通过理论公式计算出双蓄冷箱中每个蓄冷箱中的总冷量， 当蓄冷箱A的冷量多于蓄冷箱B的冷量的一定值时，控制器控制二位四通换向电磁阀换向蓄冷，制冷工质优先通过蓄冷箱B为蓄冷箱B蓄冷，且用冷循环中控制器控制两个三通电磁水阀均打开阀门1，关闭阀门2，优先使用蓄冷箱A中冷量；同样，当蓄冷箱A的冷量多于蓄冷箱B的冷量的一定值时，控制器控制二位四通换向电磁阀再次换向蓄冷，制冷工质优先通过蒸发器A为蓄冷箱A蓄冷，且用冷循环中控制器控制两个三通电磁水阀均打开阀门2，关闭阀门1，优先使用蓄冷箱A中冷量。
以上技术方案通过控制二位四通换向电磁阀和三通电磁水阀各通路的通断，智能调控制冷、用冷的策略，解决了光伏制冰蓄冷空调制冷蓄冷过程中过冷冰的形成，降低了单通道串联双盘管蒸发器的蒸发温度，最终解决了由于过冷冰导致蒸发器制冷系数降低，蒸发器换热效率降低的问题，同时，使得双蓄冷箱中储存的冷量最大化，提高系统的冷量容量，为夜间长时间供冷提供保障。
系统还设计了一种基于双蓄冷箱、三通电磁水阀的新型用冷系统，双蓄冷箱外胆均采用优质钢板加工而成，内胆采用高级不锈钢镜面板，保温材质为高密度玻璃纤维棉，设计外形为圆柱型外观，上下底面为类似抛物面半球形，双蓄冷箱之间侧面接合。
此外，蓄冰箱内加装全覆盖式融冰器，具体结构如图3、4所示，融冰器均匀分布流进蓄冷箱的用冷工质且全覆盖于冰面上，加速平衡冷量，进一步降低蒸发器过冷冰的形成；其中一个三通电磁水阀的2个进水口阀门分别接入双蓄冷箱的2个出水口，它的另外一个出水口阀门接入室内换热器进水口，另一个三通电磁水阀的2个出水口阀门分别接入双蓄冷箱的2个进水口，它的另外一个进水口阀门接入室内换热器出水口，房间供冷循环由两个三通电磁水阀的各个阀门的通断共同工作完成；控制器以双蓄冷箱中蒸发器不同层的温度为输入信号，控制两个三通电磁水阀的各通路的通断，智能调控用冷过程中的储冷与用冷需求，具体如图2所示。
具体地，温度传感器分布在双蓄冷箱内的不同位置检测到冰层和水层的温度后，控制器通过理论公式计算出双蓄冷箱中每个蓄冷箱中的总冷量，当白天制冰蓄冷模块在工作且房间供冷模块需要工作时，如果蓄冷箱A的冷量低于蓄冷箱B的冷量的一定值，三通电磁水阀均打开阀门2，关闭阀门1，优先使用蓄冷箱B中冷量；同样，当蒸发器B的冷量低于蒸发器A的冷量的一定值时，三通电磁水阀均打开阀门1，关闭阀门2，优先使用蒸发1中冷量；当夜间制冷机组不工作时，依次使用白天双蓄冷箱所储存的冷量；当房间供冷模块不工作时，三通电磁水阀关闭，循环水泵关闭。
以上技术方案通设计了一种新型用冷系统使得系统蓄冷量时刻保持最大蓄冷量，解决了一般离网无蓄电池光伏空调夜间无阳光时光伏能源模块不发电空调不能工作的问题，采用双蓄冷箱制冰蓄冷代替蓄电池蓄电功能，系统结构简单，能量利用率更高，更加环保，且能在夜间即开即用，解决了一般离网直驱无蓄电池光伏空调夜间工作的诸多问题。
系统还提出一种新的控制策略，根据制冷变频压缩机额定功率大小、稳定工作电压和电流，在多变天气光伏能源模块输出功率瞬时变化且不稳定情况下，确定需要耦合的太阳能电池串数量的；控制器以光伏组件输入的直流电压、直流电流为输入信号，控制多路电磁开关的通断，改变接入系统中的太阳能电池串的数量，使得光伏组件的输出功率稳定在制冷变频压缩机额定功率附近，制冷变频压缩机稳定工作；其中，最终系统工作的光伏阵列由输出的电流级、电压级相同的太阳能电池串并联连接组成，太阳能电池串为若干相同参数的太阳能电池组成，耦合接入阳能电池串的数量决定了光伏组件输出功率的大小，具体如图5所示。
具体地，光伏组件输出直流电经过控制器、光伏逆控一体机逆变变频为三相交流电为制冰蓄冷系统供电；多变天气下，太阳辐照度具有波动性，光伏能源系统输出的电能也不稳定；新的控制策略以光伏组件输入的直流电压、直流电流为输入信号，计算功率并与制冷变频压缩机额定功率进行对比，确定光伏阵列的大小，进而确定需要耦合的太阳能电池串的数量，控制器控制多路电磁开关各路的通断接入合适数量的太阳能电池串；光伏逆控一体机以制冷变频压缩机稳定运行电压、电流为输入信号，把光伏阵列输入的直流电压、电流逆变成制冷变频压缩机稳定运行所需的三相交流电压、三相交流电流，使得制冷变频压缩机最终能够稳定运行，。
以上技术方案解决了多变天气下，光伏能源模块发电具有波动性，最终导致制冷压缩机变频过快，压缩机运行噪音大、效率低且寿命低等问题；使得整个空调系统运行更加稳定，提高了离网无蓄电池光伏空调的实用性能。
本发明的创新点在于提出了一种新型离网无蓄电池直驱户用光伏空调系统，解决了当下光伏空调的诸多问题，具体如下：1，对于当下带有蓄电池储能联合工作的光伏空调，本光伏空调系统采用光伏直驱三相制冷变频压缩机制冰蓄冷，舍弃寿命有限且对环境污染的蓄电池，采用冰蓄冷代替蓄电池储电蓄能，降低系统的复杂性，减少前期投资成本。2，针对光伏直驱下的太阳能间歇性引起的系统工作不稳定、噪音大、效率低等一系列问题，尤其是复杂天气下压缩机运行不稳定、噪音大、效率低，进而大大缩短压缩机的使用寿命的问题，本光伏空调系统提出光伏组件耦合接入太阳能电池串数量自匹配的控制策略，通过确定制冷变频压缩机额定功率、稳定工作电压和电流等参数，调节匹配耦合太阳能电池串的数量使得输入功率在更小范围内波动，解决了系统稳定性差、效率低、寿命短等问题。3，系统中通过设计单通道串联双盘管蒸发器和双蓄冷箱，加装二位四通换向电磁阀、和三通电磁水阀及采用新的控制策略等方法对空调系统蓄冷箱中冷量的储存及使用进行改进优化，缓解了过冷冰的形成，提高系统蓄冷容量和制冷效率，使得本发明实用效果更佳，适用范围更加广泛，更加具有市场价值。
附图说明
图1是新型离网直驱户用光伏空调系统结构示意图。
图2是新型离网直驱户用光伏空调系统制冷用冷优化策略框图。
图3是新型离网直驱户用光伏空调系统双蓄冷箱设计结构示意图。
图4是新型离网直驱户用光伏空调系统双蓄冷箱侧视图。
图5是新型离网直驱户用光伏空调系统光伏组件自匹配策略框图。
图6是新型离网直驱户用光伏空调系统实施例中各个部件参数表图。
附图标记说明：1.光伏阵列 2.多路电磁开关 3.光伏逆控一体机 4.制冷变频压缩机 5.冷凝风扇 6.冷凝器 7.储液器 8.单向阀 9.毛细管 10.二位四通换向电磁阀 11.温度传感器 12.A蒸发器 13.B蒸发器 14.气液分离器 15.控制器 16.1号三通电磁水阀 17.室内机 18.供冷房间 19.循环水泵 20.2号三通电磁水阀 21.B蓄冷箱 22.A蓄冷箱 23.双蓄冷箱侧截面通道口 24.A蓄冷箱进水口 25.B蓄冷箱进水口 26.B蓄冷箱出水口 27.A蓄冷箱出水口 28.全覆盖融冰器。
具体实施方式
以下介绍本发明一种新型离网直驱户用光伏空调系统的具体实施方式。一种新型离网直驱户用光伏空调系统。整体工作分为光伏能源模块、制冰蓄冷模块和房间供冷模块3个模块；光伏能源模块由光伏阵列 1 、多路电磁开关 2 、控制器 15 、光伏逆控一体机 3组成，制冷模块包括制冷变频压缩机 4 、冷凝器 6 、储液器 7 、单向阀 8 、毛细管 9 、二位四通换向电磁阀 10 、单通道串联双盘管蒸发器 （12 、13） 、气液分离器 14 、全覆盖融冰器等，房间供冷模块由循环水泵 19 、双蓄冷箱 （21 、22）、三通电磁水阀 （16 、20）、 循环水泵 19 、室内机 17 等组成，系统结构如图1所示。
光伏能源模块中光伏阵列 1 置于楼顶并由电池板支架固定，接收太阳光并产生直流电，经过正极输出线和负极输出线后把电能传输给控制器 15 ，控制器 15 通过控制多路电磁开关 2各路的通断，确定接入的太阳能电池串的串数，经过光伏逆控一体机 3的直流-交流转化作用后变为适合制冷变频压缩机 4 稳定运行的三相电，三相电通过三相输出线供给制冷机组，制冷机组制冰蓄冷后为房间供冷，实施例中各个部件参数如图6所示。
当由太阳辐照度降低（云层覆盖）时，光伏阵列 1 输入功率减小，控制器 15 接收到信号后控制多路电磁开关 2 的通断打开相应数量太阳能电池串的电磁开关，使得光伏阵列 1 输出功率增加，最终达到制冷变频压缩机 4 的额定功率大小，满足制冷变频压缩机 4 稳定运行要求；相反，当由太阳辐照度增大时（云层离开）时，光伏阵列 1输入功率增大，控制器 15接收到信号后控制多路电磁开关 2 关闭相应数量太阳能电池串的电磁开关，使得光伏阵列 1输出功率减小，满足制冷变频压缩机 4稳定运行要求。
制冷模块中制冷变频压缩机 4将制冷剂压缩为高温高压的气体，气体流经冷凝器6 时在冷凝辅助风扇 5 的作用下转换为低温低压液体，制冷剂液体在流经单通道串联双盘管蒸发器 （12 、13） 时蒸发吸热，双蓄冷箱 （21 、22） 中的水由于被吸收了热量由变成零摄氏度的水继而变成零摄氏度的冰水混合物最后结成冰，从而把冷量储存，同时实现了冰蓄冷的功能；未完全升华的制冷剂流经气液分离器 14 分离为气态制冷剂和液态制冷剂，气态制冷剂最终到制冷变频压缩机 4时再次被压缩为高温高压气体，进而形成了制冷剂的状态循环，从而达到了循环制冷的效果。
当太阳辐照度降低（云层覆盖）时，制冷变频压缩机 4 经过短暂的低频运行后，较快的提高到稳定范围频率稳定运行；当太阳辐照度增大（云层离开）时，制冷变频压缩机 4经过短暂的高频运行后，较快的降低到稳定频率范围内，制冷变频压缩机稳定运行。
房间供冷模块中，供冷工质低温水通过循环水泵 19 带动循环流动，进入三通电磁水阀 （16 、20），流经室内机 17换热供冷，工质低温水释放潜热为中温水回到双蓄冷箱（21 、22） 中，与双蓄冷箱 （21 、22）中的冷量平衡后变成低温水继续流动循环供冷。
白天空调运行时，制冷工质由A蒸发器 12 流进，B蒸发器 13流出，蓄冷优先级A蒸发器 12 高于B蒸发器 13，当 B蓄冷箱21 的蓄冷总量高于A蓄冷箱 22约10MJ时，房间供冷模式中优先使用B蓄冷箱21 中的冷量，此时，三通电磁水阀（16 、20）均打开阀门2，关闭阀门1，低温水由B蓄冷箱出水口 26 流出，进入1号三通电磁水阀 16 阀门1，流进室内机17换热器换热，为供冷房间18 降温，换热后的循环中温水流进循环水泵 19 ，经B蓄冷箱进水口 25 流回B蓄冷箱，由此往复循环；当B蓄冷箱21 中的冷量少于A蓄冷箱 22 约10MJ时，控制器 15 控制二位四通换向电磁阀 10 改变制冷工质流动方向，制冷工质由B蒸发器 13流进，A蒸发器 12流出，蓄冷优先级B蒸发器 13 高于A蒸发器 12 ，房间供冷模式优先使用A蓄冷箱 22中的冷量，此时，三通电磁水阀（16 、20）均打开阀门1，关闭阀门2，低温水由A蓄冷箱出水口 27 流出，进入1号三通电磁水阀 16 阀门2，流进室内机17 换热器换热，为供冷房间18 降温，换热后的循环中温水流进循环水泵 19 ，经A蓄冷箱进水口 24 流回A蓄冷箱，由此往复循环；当A蓄冷箱 22 低于B蓄冷箱21约10MJ时，控制器 15 控制二位四通换向电磁阀 10 改变制冷工质流动方向换向蓄冷，这样往复循环，使得双蓄冷箱 （21 、22） 中冷量时刻达到其最大储冷量，单通道串联双盘管蒸发器 （12 、13） 也能工作效率最大化；同样，在晚上无阳光辐照度时，双蓄冷箱 （21 、22） 达到其最大蓄冷量，晚上依次使用其白天双蓄冷箱 （21 、22） 中的冷量。
Claims (4)
1.一种新型离网无蓄电池直驱户用光伏空调系统，其特征在于对传统静态制冰系统的浸入式蒸发器设计为单通道串联双盘管蒸发器结构并浸没于双蓄冷箱水中，同时，双蓄冷箱进水口采用全覆盖融冰设计，加速融冰，平衡冷量；在制冷循环模块中加装二位四通换向电磁阀，实现单通道双蒸发器制冷顺序对换，达到交叉蓄冷的功能；在用冷循环中，加装两个三通电磁水阀，实现双蓄冷箱冷量互补，交叉用冷;提出一种光伏组件耦合接入的太阳能电池串串数自匹配的控制策略，用于匹配耦合负载制冷压缩机，在间歇辐照度影响下，跟踪辐照度后通过改变接入空调系统的太阳能电池串的串数匹配制冷变频压缩机的额定功率，降低制冷变频压缩机的变频范围，压缩机稳定运行；通过控制器控制光伏组件输入功率、二位四通换向电磁阀和三通电磁水阀各通路的通断，实现上述功能；双蓄冷箱进水口处均加装全覆盖式融冰器，均匀融冰，加速平衡冷量；其中一个三通电磁水阀的2个进水口阀门分别接入双蓄冷箱的2个出水口，另外一个出水口阀门接入室内换热器进水口；另一个三通电磁水阀的2个出水口阀门分别接入双蓄冷箱的2个进水口，另一个进水口阀门接入室内换热器出水口；为实现交叉蓄冷、用冷功能，控制器以双蓄冷箱中蒸发器不同层的温度为输入信号，控制二位四通换向电磁阀和两个三通电磁水阀的各通路的通断，智能调控制冷与用冷；当蓄冷箱A的冷量低于蓄冷箱B的冷量的一定值时，二位四通换向电磁阀换向蓄冷，制冷工质优先通过蒸发器A为蓄冷箱A蓄冷，且用冷循环中优先使用蓄冷箱B中冷量；同样，当蓄冷箱B的冷量低于蓄冷箱A的冷量的一定值时，二位四通换向电磁阀换向蓄冷，制冷工质优先通过蒸发器B为蓄冷箱B蓄冷，且用冷循环中优先使用蓄冷箱A中冷量。
2.根据权利要求1所述的一种新型离网无蓄电池直驱户用光伏空调系统，其特征在于蒸发器分别密封于不锈钢绝热双蓄冷箱中，单通道串联双盘管蒸发器的管道穿过双蓄冷箱中间小孔密封相连，蒸发器工质进出口分别连接四通电磁阀的两个可控阀门，另外的两个阀门分别连接单向阀与毛细管的公共端出口端和气液分离器的进口端。
3.根据权利要求1所述的一种新型离网无蓄电池直驱户用光伏空调系统，外胆均采用优质钢板加工而成，内胆采用高级不锈钢镜面板，保温材质为高密度玻璃纤维棉，设计外形为圆柱型外观，上下底面为抛物面半球形，双蓄冷箱之间侧面切合，单通道串联双盘管蒸发器管道侧面穿孔密封连接。
4.根据权利要求1所述的一种新型离网无蓄电池直驱户用光伏空调系统，其特征在于，把若干电压、电流级相同的光伏电池串并联耦合接入多路电磁感应开关，再接入光伏逆控一体机，最后接入 制冷变频压缩机；控制器以多路电磁感应开关流出的直流电压和直流电流为检测信号，计算出接入组件总输出功率，与制冷变频压缩机额定功率对比后，通过控制电磁感应开关的 通断改变接入的光伏电池串的数量，从而改变接入组件的总输出功率，最终匹配制冷变频 压缩机的额定功率。
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