CN107461954A - 一种太阳能光伏冷热电联供的复合能源系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太阳能光伏冷热电联供的复合能源系统，包括太阳能电池温控供电供热单元和热泵单元，所述太阳能电池温控供电供热单元包括供电子单元和供热子单元，所述供电子单元与用户电路及电网连通，所述供热子单元与热泵单元、热用户单元及自来水连接，所述热泵单元与热用户单元及自来水连接。与现有技术相比，本发明将太阳能光伏、光热、热泵相结合，扩展太阳能的应用范围，实现太阳能电池发电、供暖、制冷为一体的冷热电联供复合能量利用，提升太阳能的综合利用效率和满足建筑的冷热电多形式能源需求。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能利用技术领域，具体涉及一种太阳能光伏冷热电联供的复合能源系统。
背景技术
随着化石能源及环境问题的日益紧张，清洁能源及低能耗系统备受关注。太阳能作为重要的清洁能源，其利用率决定整体清洁能源的利用率，市面上的太阳能电池的转换效率为16％-18％，剩余部分则被转换成电池的温升，一般的电池每升高1℃，功率降低0.4％，效率降低0.5％。通常，由于太阳电池温度的升高，其实际效率会损失5.5％。国内外学者主要采用水和空气作为工作介质对光伏电池进行冷却散热或对热量进行利用，该光伏光热(PV/T)技术存在流动工质泄露、设备复杂等问题。而具有固定形状的相变材料(PCM)是良好的热管理设备，其通过相变储能、释能使温度处于一定水平，目前尚没有利用相变材料对太阳能电池进行热管理的研究。
同时，热泵是一种将低位热源的热能转移到高位热源的装置，通过四通阀的转向实现冬天制热、夏天制冷的效果，也是全世界备受关注的新能源系统。然而在西部北部的冬季，空气能量很低，通过压缩机压缩过后的气体温度尚未达到生活热水温度，需外加热源继续加热，则热泵优势难以凸显。同时热泵在通电时才能运作，会导致用电高峰，引起电力供应不足等情况。
申请号为201410424135.0的专利公开了“一种太阳能光伏光热发电、热电联供综合系统”，公开了一种利用光伏板和热管综合利用太阳能的方法，该方法实质是利用真空玻璃管吸收太阳光的热量使自身升温，通过管内的第一热管将热量传递给半导体发电片，半导体发电片随之发电并通过冷却系统提供热水。同时光伏发电背板的热量通过板管式换热器将热量交换倒热水供应系统进一步提供热水。该方法充分利用太阳光的热电能，但其没有持续供热设备，即在阳光充足时尚可使用。该方法在环境温度较低时提供热水的温度达不到生活用，并且系统中存在流动液体，设备复杂且易发生泄露。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能量利用率高的太阳能光伏冷热电联供的复合能源系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种太阳能光伏冷热电联供的复合能源系统，该系统包括太阳能电池温控供电供热单元和热泵单元，所述太阳能电池温控供电供热单元包括供电子单元和供热子单元，所述供电子单元与用户电路及电网连通，所述供热子单元与热泵单元、热用户单元及自来水连接，所述热泵单元与热用户单元及自来水连接。
所述的热用户单元包括冷用户管路和热用户管路。
所述的供电子单元包括太阳能电池板以及分别位于太阳能电池板正极和负极连接的双刀双掷开关，每个所述双刀双掷开关的两个不动端分别与电网及用户电路连接。
所述的供热子单元包括紧贴在太阳能电池板背后的相变储能装置、埋设在相变储能装置中的导热管、与导热管一端依次连接的一号水泵、一号三通阀和二号三通阀，以及与导热管另一端依次连接的三号三通阀和四号三通阀，所述一号三通阀和三号三通阀均有一个出口连接自来水，所述二号三通阀和四号三通阀均有一个口与热泵单元连接，所述述二号三通阀和四号三通阀剩余的一个口与热用户管路连接。在太阳能电池板的后部设置相变储能装置，一方面可以有效降低太阳能电池板的温度，从而实现太阳能电池板较高效率的发电；另一方面，可以将这部分热能充分利用，起到能量的高效利用。
所述的相变储能装置中填充PCM相变材料。
所述的热泵单元包括室外换热器、室内换热器、压缩机、四通换向阀及膨胀阀，室外换热器管程的一端依次连接膨胀阀、室内换热器管程的一端，所述室外换热器管程的另一端连接四通换向阀的a接口，所述室内换热器管程的另一端连接四通换向阀的c接口，所述压缩机的两端分别与四通换向阀的b接口和d接口连接。
利用四通换向阀的切换，当相变储能装置的储存热量没有达到用户所需，室内换热器为冷凝器，室外换热器为蒸发器，由循环水泵将热量传递给热泵系统的室外换热器，工质吸收热量后经过压缩机到达室内换热器，实现品位热提升、用户侧供热。利用四通换向阀的切换，制冷模式下，室外换热器冷凝器，室内换热器为蒸发器，从压缩机排出的工质蒸汽进入室外换热器经冷凝后通过膨胀阀流入室内换热器，实现用户侧供冷。
所述的室外换热器包括管程和壳程，所述室外换热器壳程的一端连接六号三通阀的一个接口，所述六号三通阀的另两个接口分别与自来水及四号三通阀的一个接口连接，所述室外换热器壳程的另一端依次连接二号水泵及五号三通阀的一个接口，所述五号三通阀的另两个接口分别与自来水及二号三通阀的一个接口连接。
所述室内换热器包括管程和壳程，所述室内换热器壳程的两端分别连接七号三通阀与八号三通阀的一个接口，所述七号三通阀和八号三通阀剩余的两个接口分别连接在冷用户管路及热用户管路的两端。
本发明的工作原理介绍如下：
供电模式下，利用光-电转化实现太阳能电池板发电，向用户电路如冰箱、照明及本系统中的水泵、压缩机等供电，电量有多余时并入电网，电量不足时利用电网补充。该模式下，相变储能装置吸收太阳能电池板工作热，当相变储能装置储热接近饱和时，启动一号水泵将变储能装置中的导热管连通自来水进行强制对流，实现太阳能电池温控。
供热模式下，利用太阳能光-热转化实现太阳能集热，根据用户的需求，实现直接、升温供热。当相变储能装置储热量达到用户所需，控制相变储能装置两端、与热用户管路相连，即相将变储能装置、三号三通阀、四号三通阀、热用户管路、二号三通阀、一号三通阀、一号水泵循环连接，将相变储能装置中的热量直接输送给热用户管路，实现供热。当相变储能装置的储热量没有达到用户所需，控制相变储能装置两端与室外换热器的壳程连通，即将相变储能装置、三号三通阀、四号三通阀、六号三通阀、室外换热器壳程、二号水泵、五号三通阀、二号三通阀、一号三通阀、一号水泵循环连接，将相变储能装置的热量传递给热泵系统的室外换热器。利用四通换向阀的切换，室内换热器为冷凝器，室外换热器为蒸发器，热泵工质流经室外换热器吸收相变储能装置的热量，由压缩机压缩后进入室内换热器，通过室内换热回路用户侧供热，实现品位热提升。
供冷模式下，利用四通换向阀的切换，室内换热器为蒸发器，室外换热器为冷凝器，热泵工质吸收室内换热器的热量，通过压缩机压缩后进入室内换热器，实现室内供冷。在该模式下，用户若有供热需求，则控制相变储能装置和室外换热器的两端均与热用户管路相连，即将控制相变储能装置、三号三通阀、四号三通阀、热用户管路、二号三通阀、一号三通阀、一号水泵循环连接，同时，室外换热器、六号三通阀、四号三通阀、热用户管路、二号三通阀、五号三通阀、二号水泵循环连接，从而将相变储能装置及室外换热器中的热量全部传递给热用户管路。该模式下，若用户侧无供热需求，控制相变储能装置及室外换热器两端均直接与自来水连接，实现散热。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几方面：
(1)采用高导热相变储能复合材料，直接贴附于太阳能电池背板，进行相变冷却换热，温度分布均匀性较好，且冷却容量大。
(2)采用相变材料对太阳能电池进行能量的储存，可阶段性对相变材料强制对流，可以节省额外消耗的电量。
(3)采用PCM组件吸收和储存的热量作为热泵的低品位热源输入，提升热泵的供热性能，特别在寒冷的冬季，性能优势尤为突出。
(4)太阳能电池自身的发电量作为驱动电能，具有显著的节能效果。
(5)采用热泵技术提升太阳集热器热品位，显著拓宽太阳能热利用温度范围，避免传统太阳集热器供热技术因供热温度较低无法满足外界用户需求的局限。
(6)采用定形相变储热技术可实现紧凑式高密度储能，有效克服传统太阳集热器供热技术太阳能热量不稳定性和间歇性的影响，显著拓宽太阳能热利用时间，提升能源利用效率，减少能源浪费，实现节能减排。
(7)采用太阳能电池驱动热泵制冷，对太阳能集热温度无任何要求
(8)将太阳能光伏、光电、热泵相结合，扩展太阳能的应用范围，实现太阳能电池发电、供暖、制冷为一体的冷热电联供复合能量利用，提升太阳能的综合利用效率和满足建筑的冷热电多形式能源需求。
附图说明
图1为本发明的总体结构连接示意图；
图2为本发明供电模式原理示意图；
图3为本发明直接供热模式原理示意图；
图4为本发明升温热模式原理示意图；
图5为制冷模式供冷、供热原理示意图。
其中，1为太阳能电池板，2为相变储能装置，3为双刀双掷开关，4为三号三通阀，5为四号三通阀，6为六号三通阀，7为室外换热器，8为压缩机，9为膨胀阀，10为室内换热器，11为八号三通阀，12为七号三通阀，13为四通换向阀，14为二号水泵，15为五号三通阀，16为二号三通阀，17为一号三通阀，18为双刀双掷开关，19为一号水泵，20为冷用户管路，21为热用户管路，22为电网，23为用户电路。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种太阳能光伏冷热电联供的复合能源系统，其结构如图1所示，该系统包括太阳能电池温控供电供热单元和热泵单元，太阳能电池温控供电供热单元包括供电子单元和供热子单元，供电子单元与用户电路23及电网22连通，供热子单元与热泵单元、热用户单元及自来水连接，热泵单元与热用户单元及自来水连接。
热用户单元包括冷用户管路20和热用户管路21。
供电子单元包括太阳能电池板1以及分别位于太阳能电池板1正极和负极连接的双刀双掷开关3及双刀双掷开关18，双刀双掷开关3及双刀双掷开关18的两个不动端分别与电网22及用户电路23连接。
供热子单元包括紧贴在太阳能电池板1背后的相变储能装置2、埋设在相变储能装置2中的导热管、与导热管一端依次连接的一号水泵19、一号三通阀17和二号三通阀16，以及与导热管另一端依次连接的三号三通阀4和四号三通阀5，一号三通阀17和三号三通阀4均有一个出口连接自来水，二号三通阀16和四号三通阀5均有一个口与热泵单元连接，述二号三通阀16和四号三通阀5剩余的一个口与热用户管路21连接。在太阳能电池板1的后部设置相变储能装置2，一方面可以有效降低太阳能电池板1的温度，从而实现太阳能电池板1较高效率的发电；另一方面，可以将这部分热能充分利用，起到能量的高效利用。
相变储能装置2中填充PCM相变材料。
热泵单元包括室外换热器7、室内换热器10、压缩机8、四通换向阀13及膨胀阀9，室外换热器7管程的一端依次连接膨胀阀9、室内换热器10管程的一端，室外换热器7管程的另一端连接四通换向阀13的a接口，室内换热器10管程的另一端连接四通换向阀13的c接口，压缩机8的两端分别与四通换向阀13的b接口和d接口连接。
利用四通换向阀13的切换，当相变储能装置2的储存热量没有达到用户所需，室内换热器10为冷凝器，室外换热器7为蒸发器，由循环水泵将热量传递给热泵系统的室外换热器7，工质吸收热量后经过压缩机8到达室内换热器10，实现品位热提升、用户侧供热。利用四通换向阀13的切换，制冷模式下，室外换热器7冷凝器，室内换热器10为蒸发器，从压缩机8排出的工质蒸汽进入室外换热器7经冷凝后通过膨胀阀9流入室内换热器10，实现用户侧供冷。
室外换热器7包括管程和壳程，室外换热器7壳程的一端连接六号三通阀6的一个接口，六号三通阀6的另两个接口分别与自来水及四号三通阀5的一个接口连接，室外换热器7壳程的另一端依次连接二号水泵14及五号三通阀15的一个接口，五号三通阀15的另两个接口分别与自来水及二号三通阀16的一个接口连接。
室内换热器10包括管程和壳程，室内换热器10壳程的两端分别连接七号三通阀12与八号三通阀11的一个接口，七号三通阀12和八号三通阀11剩余的两个接口分别连接在冷用户管路20及热用户管路21的两端。
本装置的工作原理介绍如下：
供电模式下，其原理如图2所示，利用光-电转化实现太阳能电池板发电，向用户电路如冰箱、照明及本系统中的水泵、压缩机等供电，电量有多余时并入电网，电量不足时利用电网补充。该模式下，相变储能装置吸收太阳能电池板工作热，当相变储能装置储热接近饱和时，启动一号水泵将变储能装置中的导热管连通自来水进行强制对流，实现太阳能电池温控。
供热模式下，利用太阳能光-热转化实现太阳能集热，根据用户的需求，实现直接、升温供热。当相变储能装置储热量达到用户所需，其原理如图3所示，控制相变储能装置两端、与热用户管路相连，即相将变储能装置、三号三通阀、四号三通阀、热用户管路、二号三通阀、一号三通阀、一号水泵循环连接，将相变储能装置中的热量直接输送给热用户管路，实现供热。当相变储能装置的储热量没有达到用户所需，其原理如图4所示，控制相变储能装置两端与室外换热器的壳程连通，即将相变储能装置、三号三通阀、四号三通阀、六号三通阀、室外换热器壳程、二号水泵、五号三通阀、二号三通阀、一号三通阀、一号水泵循环连接，将相变储能装置的热量传递给热泵系统的室外换热器。利用四通换向阀的切换，室内换热器为冷凝器，室外换热器为蒸发器，热泵工质流经室外换热器吸收相变储能装置的热量，由压缩机压缩后进入室内换热器，通过室内换热回路向热用户管路供热，实现品位热提升。
供冷模式下，其原理如图5所示，利用四通换向阀的切换，室内换热器为蒸发器，室外换热器为冷凝器，热泵工质吸收室内换热器的热量，通过压缩机压缩后进入室内换热器，室内换热器与冷用户管路连接，实现室内供冷。在该模式下，用户若有供热需求，则控制相变储能装置和室外换热器的两端均与热用户管路相连，即将控制相变储能装置、三号三通阀、四号三通阀、热用户管路、二号三通阀、一号三通阀、一号水泵循环连接，同时，室外换热器、六号三通阀、四号三通阀、热用户管路、二号三通阀、五号三通阀、二号水泵循环连接，从而将相变储能装置及室外换热器中的热量全部传递给热用户管路。该模式下，若用户侧无供热需求，控制相变储能装置及室外换热器两端均直接与自来水连接，实现散热。
Claims (8)
1.一种太阳能光伏冷热电联供的复合能源系统，其特征在于，该系统包括太阳能电池温控供电供热单元和热泵单元，所述太阳能电池温控供电供热单元包括供电子单元和供热子单元，所述供电子单元与用户电路及电网连通，所述供热子单元与热泵单元、热用户单元及自来水连接，所述热泵单元与热用户单元及自来水连接。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏冷热电联供的复合能源系统，其特征在于，所述的热用户单元包括冷用户管路(20)和热用户管路(21)。
3.根据权利要求2所述的一种太阳能光伏冷热电联供的复合能源系统，其特征在于，所述的供电子单元包括太阳能电池板(1)以及分别位于太阳能电池板正极和负极连接的双刀双掷开关(3)、(18)，所述双刀双掷开关(3)、(18)的两个不动端分别与电网(22)及用户电路(23)连接。
4.根据权利要求3所述的一种太阳能光伏冷热电联供的复合能源系统，其特征在于，所述的供热子单元包括紧贴在太阳能电池板(1)背后的相变储能装置(2)、埋设在相变储能装置(2)中的导热管、与导热管一端依次连接的一号水泵(19)、一号三通阀(17)和二号三通阀(16)，以及与导热管另一端依次连接的三号三通阀(4)和四号三通阀(5)，所述一号三通阀(17)和三号三通阀(4)均有一个出口连接自来水，所述二号三通阀(16)和四号三通阀(5)均有一个口与热泵单元连接，所述述二号三通阀(16)和四号三通阀(5)剩余的一个口与热用户管路(21)连接。
5.根据权利要求4所述的一种太阳能光伏冷热电联供的复合能源系统，其特征在于，所述的相变储能装置(2)中填充PCM相变材料；所述的太阳能电池板(1)产生的电能作为热泵单元的驱动力实现供热和供冷。
6.根据权利要求4所述的一种太阳能光伏冷热电联供的复合能源系统，其特征在于，所述的热泵单元包括室外换热器(7)、室内换热器(10)、压缩机(8)、四通换向阀(13)及膨胀阀(9)，室外换热器(7)管程的一端依次连接膨胀阀(9)及室内换热器(10)管程的一端，所述室外换热器(7)管程的另一端连接四通换向阀(13)的a接口，所述室内换热器(10)管程的另一端连接四通换向阀(13)的c接口，所述压缩机(8)的两端分别与四通换向阀(13)的b接口和d接口连接。
7.根据权利要求6所述的一种太阳能光伏冷热电联供的复合能源系统，其特征在于，所述的室外换热器(7)包括管程和壳程，所述室外换热器(7)壳程的一端连接六号三通阀(6)的一个接口，所述六号三通阀(6)的另两个接口分别与自来水及四号三通阀(5)的一个接口连接，所述室外换热器(7)壳程的另一端依次连接二号水泵(14)及五号三通阀(15)的一个接口，所述五号三通阀(15)的另两个接口分别与自来水及二号三通阀(16)的一个接口连接。
8.根据权利要求6所述的一种太阳能光伏冷热电联供的复合能源系统，其特征在于，所述室内换热器(10)包括管程和壳程，所述室内换热器(10)壳程的两端分别连接七号三通阀(12)与八号三通阀(11)的一个接口，所述七号三通阀(12)和八号三通阀(11)剩余的两个接口分别连接在冷用户管路(20)及热用户管路(21)的两端。
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