CN107401855B - 一种可利用太阳辐射和天空冷辐射实现昼夜分时热电冷供应的pvt热泵系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可利用太阳辐射和天空冷辐射实现昼夜分时热电冷供应的PVT热泵系统，同时利用了光伏发电技术和PVT热泵技术，二者之间在功能上相对独立而又互相促进。系统的主要能量来源为太阳辐射能和天空长波冷辐射能，分别在不同时段不同工作模式下经由PVT光电‑蒸发/冷凝组件将能量转化为电能、热能和冷量。本发明的系统集发电、制热和制冷等多种功能于一体，设备组成简单，设备利用率高，节能效果显著，在最大程度上提高能量利用率，实现一机多用、昼夜分时热电冷三联供。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用太阳能光伏发电技术和PVT热泵技术，吸收太阳辐射和天空冷辐射，实现昼夜分时热电冷供应的PVT热泵系统。
背景技术
太阳能资源是一种取之不尽用之不竭的新型可再生能源，面对化石燃料资源日益枯竭、环境污染严重的现状，太阳能等可再生能源是化石燃料的有效替代者。太阳能光热利用和光电利用技术目前已经较为成熟，已经在能源动力、制冷空调、社会生活、航天科技等领域中有着十分广泛的应用，但是由于太阳能资源本身存在的能量密度低、周期性强、稳定性差等缺点，对太阳能能源的利用也存在诸多问题，对太阳能资源利用率低和太阳能系统设备利用率低是目前太阳能能源利用的瓶颈，其原因不仅与当前的发展技术有关，而且还与其对太阳能使用的单一性有关。
为克服太阳能资源使用的单一性，前人已有的研究成果已经在太阳能PVT 热电联供技术方面做了探索，该技术可以利用太阳辐射能量在白天实现热能和电能的输出，但在夏季有冷量需求时却无法实现冷量输出，不能全天候运行，设备利用率低。另有研究表明，直膨式太阳能热泵空调及热水系统可以实现白天和夜晚的联合运行，输出热能和空调制冷量，但是需要辅助风冷换热器和设置阀门切换，系统较为复杂且控制难度高，而且系统不具备发电功能，无法输出高品位的电能资源，系统运行需要额外的大量的电能输入，使得系统的性能系数不高，能量利用率低。而且常用的太阳能PVT组件以管板式为主，另有吹胀式组件多以双面吹胀型为主，虽然加工难度低，但其双面外鼓型流道不利于与光伏组件相层压结合，对其整体制热发电性能的提高造成阻碍。建筑是人类赖以生存的环境，在全年不同时段具有电能、热能和冷量的能源需求，但建筑自身可利用的空间有限，如何能在最小的空间占用面积上、利用最简化的系统来实现三种能量的分时输出，是提高系统设备利用率和能量利用率的关键。
昼夜分时热电冷供应的PVT热泵系统是PVT热泵技术与太阳能光伏发电技术的有机结合，可以在不同时段和不同工作模式下，实现在同一套系统上同时输出电能、热能和冷量的一机多用的目的，并且能够在最大程度上提高能源的利用率，系统全天候运行，提高了设备利用率，节能效果显著。因此，发明一种设备组成简单、能源利用率高、系统内设备利用率高、实现昼夜分时热电冷供应的新型PVT热泵系统及PVT光电-蒸发/冷凝组件，具有重要的实用价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种以太阳辐射和天空长波冷辐射为主要能量来源的，同时利用了太阳能光伏发电技术和PVT热泵技术，能量利用率高，系统组成简单且设备利用率高的一种可利用太阳辐射和天空冷辐射实现昼夜分时热电冷供应的PVT热泵系统及新型PVT光电-蒸发/冷凝组件。
本发明的技术方案：
一种可利用太阳辐射和天空冷辐射实现昼夜分时热电冷供应的PVT热泵系统，同时利用了光伏发电技术和PVT热泵技术，二者间在功能上相对独立而又互相促进；系统的主要能量来源为太阳辐射能和天空长波冷辐射能，能量传递方式为辐射和导热，并辅助以对流换热的方式，实现在不同时段以及不同工作模式下，在同一套系统上，输出电能、热能和冷量，实现一机多用、昼夜分时热电冷三联供；
PVT热泵系统包括PVT光电-蒸发/冷凝组件1、压缩机2、四通换向阀3、蓄热水箱4、干燥过滤器5、电子膨胀阀6、制冷剂单向阀组7、用冷末端蒸发器，通过四通换向阀3和制冷剂电磁阀8～11的控制，实现热泵制热/制冷模式的切换；电力系统包括逆变器12以及相应的配电柜和蓄电池等；
在太阳辐射强度较大的白天工作在热电联供模式下，PVT热泵系统内的制冷剂经过压缩机2排汽通过四通换向阀3，与作为热泵系统冷凝器的蓄热水箱4 内的高效换热器进口相连，出口通过制冷剂单向阀组7后，依次与干燥过滤器5、电子膨胀阀6相连，然后与作为PVT热泵系统蒸发器的PVT光电-蒸发/冷凝组件1的进口相连，液态制冷剂在PVT光电-蒸发/冷凝组件1内吸热蒸发，体积逐渐膨胀，制冷剂流道也沿管路逐渐分流，由两管制分流为多管制，由出口流出，通过四通换向阀3再与压缩机2吸汽口相连，构成封闭的热泵系统制热循环；蓄热水箱内置的高效换热器进口和出口处分别由第三制冷剂电磁阀10和第四制冷剂电磁阀11控制；在蓄热水箱4内，内置的高效换热器直接加热蓄热水箱4内的水，作为采暖或生活热水的热量来源。
在夏季和有冷量需求的过渡季夜晚以及阴雨天气的白天工作在制冷模式下，用冷末端蒸发器出口内的制冷剂通过四通换向阀3进入压缩机2排汽后，与作为PVT热泵系统冷凝器的PVT光电-蒸发/冷凝组件1的进口相连；气态制冷剂在PVT光电-蒸发/冷凝组件1内放热冷凝，由气态冷凝为液态，体积逐渐缩小，制冷剂流道也沿管路由多管制汇流为两管制，最终由出口流出，经过制冷剂单向阀组7后依次与干燥过滤器5、电子膨胀阀6相连，进入用冷末端蒸发器入口；用冷末端蒸发器出口和入口处分别由第一制冷剂电磁阀8和第二制冷剂电磁阀9控制；PVT热泵系统产生的冷量通过用冷末端的各个蒸发器输送到各用冷区域，也可经过储存再输送到不同时段不同冷量需求的用冷区域。
所述的制冷剂单向阀组7由四个单向阀连接为环形，分为两组，对向连接；干燥过滤器5和电子膨胀阀6分别连接在两组单向阀间，保证制冷剂流向始终从干燥过滤器5到电子膨胀阀6；
所述的PVT光电-蒸发/冷凝组件1，由高效吹胀式换热板和光伏组件层压而成；换热板是采用全铝制板单面吹胀加工工艺制作而成的，其顶面为平板，底面为制冷剂流道，为蛇形盘管式流道，由进口的两管制逐渐分流为多管制，分流和汇流处均由圆滑管路过渡，设置有一进两出共三个连接口，为了提高换热板的抗变形强度，四周制作L形向下的折边，换热板的表面均喷涂利于增强光谱吸收能力的选择性吸收涂层。顶面的平板更容易与光伏组件通过层压相紧密结合，减小传热热阻，增加导热性能，提高能量利用率。光伏组件采用黑色的光伏背板，以增强吸收光谱的能力和增加导热强度。EVA胶膜作为层压过程中的粘性介质，它是一种热固性有粘性的胶膜，用于放在光伏组件与换热板中间。由于EVA胶膜在粘着力、耐久性、光学特性等方面具有的优越性，在组件中对光伏组件起粘附和保护作用，而且具有较高的透光性，稳定性和绝缘性。
本发明的有益效果：
1.一种可利用太阳辐射和天空冷辐射实现昼夜分时热电冷供应的PVT热泵系统的发电、制热和制冷三联供的效果是在PVT光电-蒸发/冷凝组件上实现的。在冬季、夏季和过渡季太阳辐射强度较大的白天，系统可工作在热电联供模式，此时PVT光电-蒸发/冷凝组件是作为热泵系统的蒸发器吸收热量的，组件在白天吸收太阳辐射能量，一部分能量通过光生伏特效应将光能转化为电能输出，另一部分太阳辐射能量则被组件下层的换热板吸收。另外，光伏组件发电的同时自身会发热而产生大量的热量，这部分热量聚积在光伏组件上则会降低其发电效率。PVT光电-蒸发/冷凝组件在热电联供模式下工作时，光伏组件自身发热量会以热传导的方式传到下层换热板上，这部分热量连同太阳辐射热量，以及换热板与空气自然对流换热量，作为热泵系统的热量来源，被作为蒸发器的PVT 光电-蒸发/冷凝组件吸收，制取热水储存在蓄热水箱中，同时可以显著提高光伏组件的发电效率，实现高效率的热电联产。在夏季和有冷量需求的过渡季夜晚，系统可工作在制冷模式下，PVT光电-蒸发/冷凝组件是作为热泵系统的冷凝器放出热量的，组件吸收来自天空的长波冷辐射能，通过组件背面作为冷凝器的换热板，以辐射换热和自然对流换热的方式，与天空和空气换热，通过制冷循环制取冷量，直接供给用冷区域的末端蒸发器，产生的冷量可直接利用或储存。在夏季阴雨天气下太阳辐射强度较低的白天，系统同样可工作在制冷模式下，组件吸收天空长波冷辐射能，以及风雨对组件表面冲刷的对流换热量，通过制冷循环制取冷量。
2.PVT光电-蒸发/冷凝组件为易于与建筑相结合实现太阳能建筑一体化的构件，为平板型结构，结构简单轻薄，成本低廉，不仅适用于倾斜安装在斜屋顶或平屋面上，而且适用于做成建筑幕墙的形式垂直挂装在建筑外立面上，为实现由耗能型建筑到产能型建筑的转变奠定了基础，真正实现太阳能建筑一体化及昼夜分时热电冷三联供，为大规模工程应用奠定了基础。
3.一种可利用太阳辐射和天空冷辐射实现昼夜分时热电冷供应的PVT热泵系统采用PVT热泵技术，大大提高了组件的效率和热泵系统性能系数。热泵循环带走了光伏组件发电过程中的自身发热量，起到了给光伏电池片降温的效果，从而显著提高了系统的发电量和发电效率，系统产生的直流电能通过逆变器转换为交流电能直接供给用电负载使用或并入国家电网使用，还可以将电能储存在蓄电池中随时随地取用。整套系统可以实现电能的自给自足，白天的发电量足以供给系统内耗电设备全天的使用，多余电量用于储存或并网。
4.一种可利用太阳辐射和天空冷辐射实现昼夜分时热电冷供应的PVT热泵系统集供热、制冷和发电等多种功能于一体，系统设备组成简单，全天候运行设备利用率高，节能效果显著，可在最大程度上提高能量利用率，实现昼夜分时热电冷三联供。系统易于与建筑相结合实现太阳能建筑一体化，满足了建筑的多种用能需求，且电能自给自足，多余发电量并网或存储，而且有利于利用城市峰谷电价，实现电力错峰。综上诸多优点，该系统是一种适用范围广，具有极大推广价值的绿色节能环保型复合能量系统。
附图说明
图1为一种可利用太阳辐射和天空冷辐射实现昼夜分时热电冷供应的PVT 热泵系统制热模式系统循环原理图。
图2为一种可利用太阳辐射和天空冷辐射实现昼夜分时热电冷供应的PVT 热泵系统制冷模式系统循环原理图。
图3为PVT光电-蒸发/冷凝组件结构形式图。
图中：1PVT光电-蒸发/冷凝组件；2压缩机；3四通换向阀；
4蓄热水箱；5干燥过滤器；6电子膨胀阀；7制冷剂单向阀组；
8第一制冷剂电磁阀；9第二制冷剂电磁阀；10第三制冷剂电磁阀；
11第四制冷剂电磁阀；12光伏逆变器。
具体实施方式
一种可利用太阳辐射和天空冷辐射实现昼夜分时热电冷供应的PVT热泵系统，同时利用了光伏发电技术和PVT热泵技术，二者间在功能上相对独立而又互相促进。系统可以实现全天候工作，主要能量来源为太阳辐射能和天空长波辐射能，主要能量传递方式为辐射和导热，并辅助以对流换热的方式，可实现在不同时段以及不同工作模式下，在同一套系统上，输出电能、热能和冷量，实现一机多用、昼夜分时热电冷三联供。
PVT热泵系统的设备组成较为简单，系统形式简化，主要由机组、室外机、室内机组成。室外机为PVT光电-蒸发/冷凝组件1，可以兼作热泵系统的蒸发器和冷凝器，又是白天利用光生伏特效应发电的设备；机组部分主要由压缩机2、四通换向阀3、干燥过滤器5、电子膨胀阀6、制冷剂单向阀组7组成；室内机形式变化多样，既有用于热利用的蓄热水箱4，又有各末端用冷设备蒸发器，可进行冷量直接供应，也可进行冷量储存和分时段供应。通过四通换向阀3和制冷剂电磁阀8～11的控制，实现热泵制热/制冷模式的切换。电力系统由逆变器、配电柜、蓄电池等设备组成。
如附图1 所示，在冬季、夏季和过渡季太阳辐射强度较大的白天，系统可工作在热电联供模式，此时PVT光电-蒸发/冷凝组件是作为PVT热泵系统的蒸发器吸收热量的，吸收的热量主要为太阳辐射能量、光伏组件自身发热向换热板的导热量，以及换热板与空气自然对流换热量。PVT热泵系统内的制冷剂经过压缩机2排汽通过四通换向阀3，与作为热泵系统冷凝器的蓄热水箱4内的高效换热器进口相连，出口通过制冷剂单向阀组7后，依次与干燥过滤器5、电子膨胀阀6相连，然后与PVT光电-蒸发/冷凝组件1的进口相连，液态制冷剂在PVT光电-蒸发/冷凝组件1内吸热蒸发，体积逐渐膨胀，制冷剂流道也沿管路逐渐分流，由两管制分流为多管制，由出口流出，通过四通换向阀3再与压缩机2 吸汽口相连，构成封闭的热泵系统制热循环；高效换热器进口和出口处分别通过第三制冷剂电磁阀10和第四制冷剂电磁阀11控制；在蓄热水箱4内，内置的高效换热器直接加热蓄热水箱4内的水，作为采暖或生活热水的热量来源。
如图2 所示，在夏季和有冷量需求的过渡季夜晚，以及阴雨天气下太阳辐射强度较低的白天，系统可工作在制冷模式下，PVT光电-蒸发/冷凝组件是作为热泵系统的冷凝器放出热量的，换热能量来源主要为天空长波冷辐射能，以及换热板与空气和风雨冲刷的自然对流换热量。用冷末端蒸发器出口内的制冷剂通过四通换向阀3进入压缩机2排汽后，与PVT光电-蒸发/冷凝组件1的进口相连，气态制冷剂在PVT光电-蒸发/冷凝组件1内放热冷凝，由气态冷凝为液态，体积逐渐缩小，制冷剂流道也沿管路由多管制汇流为两管制，最终由出口流出，经过制冷剂单向阀组7后依次与干燥过滤器5、电子膨胀阀6相连，进入用冷末端蒸发器入口；用冷末端蒸发器出口和入口处分别通过第一制冷剂电磁阀8和第二制冷剂电磁阀9控制；PVT热泵系统产生的冷量通过用冷末端的各个蒸发器输送到各用冷区域，也可经过储存再输送到不同时段不同冷量需求的用冷区域。
所述的制冷剂单向阀组7由四个单向阀连接为环形，分为两组，对向连接；干燥过滤器5和电子膨胀阀6分别连接在两组单向阀间，保证制冷剂流向始终从干燥过滤器5到电子膨胀阀6。
所述的PVT光电-蒸发/冷凝组件1，是由高效吹胀式换热板和光伏组件层压而成。换热板是采用全铝制板单面吹胀加工工艺制作而成的，其顶面为平板，底面为制冷剂流道，为蛇形盘管式流道，由进口的两管制逐渐分流为多管制，分流和汇流处均由圆滑管路过渡，设置有一进两出共三个连接口，为了提高换热板的抗变形强度，四周制作L形向下的折边，换热板的表面均喷涂利于增强光谱吸收能力的选择性吸收涂层。吹胀工艺需经过刻画流道形式图、焊接、热轧、冷轧和退火等工艺，最后用氮气进行整体吹胀，此过程保证一面平板，一面外鼓，将管路吹胀成半圆式流道，顶面的平板更容易与光伏组件通过层压相紧密结合，减小传热热阻，增加导热性能，提高能量利用率。光伏组件采用黑色的光伏背板，以增强吸收光谱的能力和增加导热强度。EVA胶膜作为一种粘性介质，用于放在光伏组件与换热板之间。
一种可利用太阳辐射和天空冷辐射实现昼夜分时热电冷供应的PVT热泵系统采用PVT热泵系统，大大提高了组件的效率和热泵系统性能系数。热泵循环带走了光伏组件发电过程中的自身发热量，起到了给光伏电池片降温的效果，从而显著提高了系统的发电量和发电效率，两系统互相促进。且整套系统可以实现电能的自给自足，白天的发电量足以供给系统内耗电设备全天的使用。
一种可利用太阳辐射和天空冷辐射实现昼夜分时热电冷供应的PVT热泵系统集供热、制冷和发电等多种功能于一体，系统设备组成简单，全天候运行设备利用率高，节能效果显著，可在最大程度上提高能量利用率，实现热电冷三联供，是一种适用范围广，具有极大推广价值的绿色节能环保型复合能量系统。
Claims (8)
1.一种可利用太阳辐射和天空冷辐射实现昼夜分时热电冷供应的PVT热泵系统，同时利用了光伏发电技术和PVT热泵技术，二者在功能上相对独立而又互相促进；系统的主要能量来源为太阳辐射能和天空长波冷辐射能，能量传递方式为辐射和导热，并辅助以对流换热方式，实现在不同时段以及不同工作模式下，在同一套系统上，输出电能、热能和冷量，实现一机多用、昼夜分时热电冷三联供；其特征在于，
PVT热泵系统包括PVT光电-蒸发/冷凝组件(1)、压缩机(2)、四通换向阀(3)、蓄热水箱(4)、干燥过滤器(5)、电子膨胀阀(6)、制冷剂单向阀组(7)和用冷末端蒸发器，通过四通换向阀(3)和制冷剂电磁阀的控制，实现热泵制热/制冷模式的切换；电力系统包括逆变器(12)以及相应的配电柜和蓄电池；
在太阳辐射强度较大的白天工作在热电联供模式下，PVT热泵系统内的制冷剂经过压缩机(2)排汽通过四通换向阀(3)，与作为热泵系统冷凝器的蓄热水箱(4)内的高效换热器进口相连，出口通过制冷剂单向阀组(7)后，依次与干燥过滤器(5)、电子膨胀阀(6)相连，然后与作为PVT热泵系统蒸发器的PVT光电-蒸发/冷凝组件(1)的进口相连，液态制冷剂在PVT光电-蒸发/冷凝组件(1)内吸热蒸发，体积逐渐膨胀，制冷剂流道也沿管路逐渐分流，由两管制分流为多管制，由出口流出，通过四通换向阀(3)再与压缩机(2)吸汽口相连，构成封闭的热泵系统制热循环；蓄热水箱内置的高效换热器进口和出口处分别由第三制冷剂电磁阀(10)和第四制冷剂电磁阀(11)控制；在蓄热水箱(4)内，内置的高效换热器直接加热蓄热水箱(4)内的水，作为采暖或生活热水的热量来源；
在夏季和有冷量需求的过渡季夜晚以及阴雨天气的白天工作在制冷模式下，用冷末端蒸发器出口内的制冷剂通过四通换向阀(3)进入压缩机(2)排汽后，与作为PVT热泵系统冷凝器的PVT光电-蒸发/冷凝组件(1)的进口相连；气态制冷剂在PVT光电-蒸发/冷凝组件(1)内放热冷凝，由气态冷凝为液态，体积逐渐缩小，制冷剂流道也沿管路由多管制汇流为两管制，最终由出口流出，经过制冷剂单向阀组(7)后依次与干燥过滤器(5)、电子膨胀阀(6)相连，进入用冷末端蒸发器入口；用冷末端蒸发器出口和入口处分别由第一制冷剂电磁阀(8)和第二制冷剂电磁阀(9)控制；PVT热泵系统产生的冷量通过用冷末端的各个蒸发器输送到各用冷区域，或经过储存再输送到不同时段不同冷量需求的用冷区域。
2.根据权利要求1所述的可利用太阳辐射和天空冷辐射实现昼夜分时热电冷供应的PVT热泵系统，其特征在于，所述的制冷剂单向阀组(7)由四个单向阀连接为环形，分为两组，对向连接；干燥过滤器(5)和电子膨胀阀(6)分别连接在两组单向阀间，保证制冷剂流向始终从干燥过滤器(5)到电子膨胀阀(6)。
3.根据权利要求1或2所述的可利用太阳辐射和天空冷辐射实现昼夜分时热电冷供应的PVT热泵系统，其特征在于，所述的PVT光电-蒸发/冷凝组件(1)，由高效吹胀式换热板和光伏组件层压而成。
4.根据权利要求3所述的可利用太阳辐射和天空冷辐射实现昼夜分时热电冷供应的PVT热泵系统，其特征在于，所述的高效吹胀式换热板是采用全铝制板单面吹胀加工工艺制作而成的，其顶面为平板，底面为制冷剂流道，为蛇形盘管式流道，由进口的两管制逐渐分流为多管制，分流和汇流处均由圆滑管路过渡，设置有一进两出共三个连接口。
5.根据权利要求3所述的可利用太阳辐射和天空冷辐射实现昼夜分时热电冷供应的PVT热泵系统，其特征在于，为提高高效吹胀式换热板的抗变形强度，四周制作L形向下的折边，高效吹胀式换热板的表面均喷涂利于增强光谱吸收能力的选择性吸收涂层。
6.根据权利要求4所述的可利用太阳辐射和天空冷辐射实现昼夜分时热电冷供应的PVT热泵系统，其特征在于，为提高高效吹胀式换热板的抗变形强度，四周制作L形向下的折边，高效吹胀式换热板的表面均喷涂利于增强光谱吸收能力的选择性吸收涂层。
7.根据权利要求3所述的可利用太阳辐射和天空冷辐射实现昼夜分时热电冷供应的PVT热泵系统，其特征在于，所述的光伏组件层采用黑色的光伏背板，以增强吸收光谱的能力和增加导热强度。
8.根据权利要求4、5或6所述的可利用太阳辐射和天空冷辐射实现昼夜分时热电冷供应的PVT热泵系统，其特征在于，所述的光伏组件层采用黑色的光伏背板，以增强吸收光谱的能力和增加导热强度。
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