CN107631398A - 一种离网式光伏直驱空调装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离网式光伏直驱空调装置包括离网式光伏发电系统、驱动电机系统、热泵系统，所述离网式光伏发电系统与所述驱动电机系统电连接、向所述驱动电机系统供电，所述热泵系统包括通过管路连通的空调压缩机、水冷冷凝器、节流阀、水冷蒸发器，制冷剂在管路内进行循环，所述驱动电机系统驱动所述热泵系统、带动热泵系统空调压缩机做功。本发明所述的离网式光伏直驱空调装置克服了现有的光伏空调的报装须审批、安装维护须资质、场地要求高和可靠性差的缺陷，消除了民用市场安装光伏空调的顾虑，同时具有电子式和机械式的能量均衡功能，有利于光伏空调的推广和应用，达到了节能环保的目的。

Description

一种离网式光伏直驱空调装置

技术领域

本发明涉及一种光伏空调，具体地，涉及一种离网式光伏直驱空调装置。

背景技术

在炎炎夏日，空调的耗电量接近整个电力系统耗电量的三分之一，而夏季又是太阳辐射能量最强的季节，因此，将太阳辐射能量应用于空调制冷是自然而合理的选择。太阳能空调如果能得到广泛的应用，将大大减少常规能源的消耗，是保护青山绿水，建设美好家园的必要举措。

太阳能光伏组件可以将太阳能辐射能量直接转化为直流电，具有无噪音、使用寿命长等显著优势，因此光伏空调是太阳能空调发展的重要方向。

光伏空调的发展目前尚处于起步阶段，市场上成熟的产品不多。目前投放市场的光伏空调，具有以下缺陷：

1、安装须得到供电部门审批同意。并网型光伏空调采用并网供电公网用电方式。当太阳辐射能量不足时，由供电公网补充电能，太阳辐射能量多余时，则向供电公网输出电能。由于阳光辐射能量的随机波动，并网方式容易造成电网能量波动，对供电公网的管理提出了较高要求，因此并网型光伏空调接入供电公网时，须得到当地供电部门的审批同意，手续繁琐。

2、安装和维护须电力施工资质。现有光伏空调为提高效率而提升系统电压，其直流电压可达500伏特以上，需要电力行业专业人士安装以及进行维护。

3、场地要求高。现有光伏空调要求至少提供30平方米以上连续无遮挡的屋顶，一般家庭不具备这个场地条件。

4、技术复杂、可靠性差。由于阳光辐射能量的随机波动，为保证系统的正常运作，现光伏空调采用电子式器件进行系统的能量均衡，一般须具备升压稳压、最大功率点跟踪MPPT控制、直流交流逆变、电网同步等技术复杂、成本高的部件，导致现有光伏空调价格高，可靠性差，一般家庭难于接受。

以上的缺陷制约了现有光伏空调在民用市场的推广和应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种离网式光伏直驱空调装置，以解决现有的光伏空调的报装须审批、安装维护须资质、场地要求高和可靠性差的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种离网式光伏直驱空调装置，包括离网式光伏发电系统、驱动电机系统、热泵系统，所述离网式光伏发电系统为不与供电公网连接的离网式系统，所述离网式光伏发电系统与所述驱动电机系统电连接、向所述驱动电机系统供电，所述热泵系统包括通过管路连通的空调压缩机、水冷冷凝器、节流阀、水冷蒸发器，制冷剂在管路内进行循环，所述空调压缩机将制冷剂气体压缩成高温高压的蒸汽、通过管道输入水冷冷凝器、在水冷冷凝器内被常温水冷却凝结成高压液体、再通过管道进入节流阀被节流成低温低压液体、再通过管道进入水冷蒸发器、在蒸发器内从常温水吸热并气化成低压蒸汽、再通过管道返回空调压缩机，常温水在水冷冷凝器和水冷蒸发器中与制冷剂进行热交换、分别输出高温水和低温水，所述驱动电机系统驱动所述热泵系统、带动热泵系统空调压缩机做功。

由于发电系统为离网式，不与供电公网连接，即不从供电公网获取电能，亦不向供电公网提供电能，不会如同并网式一样、对供电公网造成能量波动，因此所述离网式光伏直驱空调装置，省略了电网跟踪同步部件，其安装，也无须向供电部门申请，普通家庭可自行安装。

优选的，所述离网式光伏发电系统包括汇流端子、多个光伏组件及防反二极管，每个光伏组件的正极端分别通过电线对应串联1个防反二极管后通过汇流端子与所述驱动电机正极电连接，所述光伏组件的负极端通过汇流端子与所述驱动电机负极电连接，形成并联供电电路。这里，各光伏组件并联汇流后产生的电流直接驱动所述驱动电机。对比现有光伏空调多个光伏组件串联提升电压来提升功率的连接方式，并联直接驱动的连接方式是通过增加电流来提升系统功率的。

这里，所述防反二极管，当其串联在光伏组件正极时，只允许电流由光伏组件流向驱动电机，反向时则阻断。

对比现有光伏空调多个光伏组件串联的电连接方式，每一个光伏组件都是独立工作的，则每一个光伏组件自然是工作在最大功率点上的，因此系统并不需要设置最大功率点MPPT跟踪控制部件；另一方面，独立工作的光伏组件可以依据场地条件分散放置、灵活布设。分散布设的光伏组件带来的优势有：可以充分利用安装场地的所有日照面布设光伏组件，不再要求场地具有连续无遮挡的大面积屋顶；对光伏组件的电气一致性要求低，只要功率相同，可以混用不同品牌不同型号的光伏组件，灵活增减光伏组件数量；优化布设可以避免阴影效应降低所述离网式光伏发电系统的功率，提升太阳辐射能量的转化效率。

优选的，每个光伏组件的正极端与防反二极管之间串联有1个负温度系数热敏电阻。这里，所述负温度系数热敏电阻是一类电阻值随温度增大而减小的电阻，当其串联在光伏组件正极时，用于提供一个门限值作为光伏组件投入工作的最小电流值。当某一光伏组件产生的电流小于门限值时，所述负温度系数热敏电阻则用高阻值限制了该光伏组件投入工作；当产生的电流超过门限值时，通过的电流引起电阻体温度上升，所述负温度系数热敏电阻值下降至很小，光伏组件则正常工作。

这里，并联直驱方式，具有隔断发电电流低的光伏组件的功能，避免其拉低所述离网式光伏发电系统的工作电压，降低系统效率；可以保证光伏组件独立工作，不受逆电流影响；同时具有部件保护功能和能量均衡作用，从而达到依赖系统各部件的自有特性实现电子式能量均衡效果。

优选的，所述离网式光伏发电系统工作电压不高于36伏特。这样，整个系统的电压均在人体安全电压以下工作，从而确保了安全。所述离网式光伏发电系统工作电压不高于36伏特。主流300瓦光伏组件，其工作电压为36伏特，实际使用低于36伏特。这里，可以依据场地的条件，尽可能增加光伏组件的布设来提升发电系统的功率，增加电流但不会提升工作电压，系统工作电压保持在人体安全电压36伏特及以下。因此所述离网式光伏直驱空调装置的安装和维护，不需要电力施工资质，普通家庭成员也可以进行安装和维护。

优选的，所述驱动电机为带惯性轮的轮毂式直流旋转电机，包括激励线圈、惯性轮，所述激励线圈为定子，惯性轮为动子，所述惯性轮与所述空调压缩机传动连接，所述惯性轮的内侧设有永磁体、周侧设有均匀布置的配重块。这里，惯性轮的永磁体、配重块为一个整体，即旋转部件的所有质量都参与了动能的存储，是机械式能量均衡部件。从而能在波动的电流流过驱动电机时，不致于出现动子速度变化过于剧烈，具有存储动能，平衡转速的作用，从而利用惯性轮的蓄能作用实现机械式的能量均衡效果。

这里，轮毂式直流旋转电机的工作电压，是与所述离网式光伏发电系统的工作电压相匹配的，是直接驱动的，因此，对比现有光伏空调，所述离网式光伏直驱空调装置，无须设置升压稳压、直流交流逆变等电源部件。

优选的，所述惯性轮通过传动皮带与空调压缩机传动连接，惯性轮外侧设有用于对传动皮带进行定位的凹槽。

优选的，所述空调压缩机设有从动轮，所述从动轮的直径，依据系统所在地区的太阳辐射强度进行设计，使所述热泵系统的空调压缩机匹配所述驱动电机的最佳转速。太阳辐射强度是指到达地面的太阳辐射的强弱，各地区太阳辐射强度因纬度位置、天气状况、海拔高低和日照长短的不同而具有较大的差异。

优选的，所述空调压缩机、水冷冷凝器、节流阀、水冷蒸发器统一安装于一个机柜中，即所述热泵系统是一体安装的，输入常温水，输出高温水、低温水。现有的光伏空调的热泵系统是分体安装的，采用风冷冷凝器和风冷蒸发器，输出热风和冷风。这里，所述热泵系统将空调压缩机、节流阀、冷凝器和蒸发器安装在一个机柜中，采用热交换效率更高的水冷冷凝器和水冷蒸发器，输入常温水，输出高温水和低温水。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明所述的离网式光伏直驱空调装置克服了现有的光伏空调的报装须审批、安装维护须资质、场地要求高和可靠性差的缺陷，消除了民用市场安装光伏空调的顾虑，同时具有电子式和机械式的能量均衡功能，有利于光伏空调的推广和应用，达到了节能环保的目的。

附图说明

图1为本发明实施例的结构原理图；

其中：1.光伏组件，2.负温度系数热敏电阻与防反二极管组，3.汇流端子，4.惯性轮，5.配重块，6.驱动电机，7.传动皮带，8.从动轮，9.空调压缩机，10.水冷冷凝器，11.节流阀，12.水冷蒸发器，13.机柜。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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做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。

参照图1所示，一种离网式光伏直驱空调装置，包括离网式光伏发电系统、带惯性轮驱动电机和热泵系统。所述光伏组件1，串联负温度系数热敏电阻和二极管2后，在汇流端子3处相互并联，并联后通过导线向驱动电机6供电；驱动电机6动子上带有惯性轮4和皮带凹槽，通过传动皮带7与热泵系统的空调压缩机9上的从动轮8连接；驱动电机6旋转，带动热泵系统工作；所述热泵系统包括空调压缩机9、水冷冷凝器10、节流阀11、水冷蒸发器12，制冷剂通过管路连通并进行热泵系统内循环，分别在水冷冷凝器10和水冷蒸发器12中与常温水进行热交换，输出低温水和常温水。

这里，所述热泵系统通过管路连通空调压缩机9、水冷冷凝器10、节流阀11、水冷蒸发器12，制冷剂在管路内进行循环、空调压缩机9将制冷剂气体压缩成高温高压的蒸汽、通过管道输入水冷冷凝器10、在水冷冷凝器10内被常温水冷却凝结成高压液体、再通过管道进入节流阀11被节流成低温低压液体、再通过管道进入水冷蒸发器12、在蒸发器内从常温水吸热并气化成低压蒸汽、再通过管道返回空调压缩机9，常温水在水冷冷凝器10和水冷蒸发器12中与制冷剂进行热交换、分别输出高温水和低温水。

所述离网式光伏发电系统包括多个、串联了负温度系数热敏电阻和二极管2后、再相互并联的光伏组件1。这里，所述的光伏组件1的正极分别通过电线连通负温度系数热敏电阻和二极管2汇流后，再通过汇流端子3正极与所述带惯性轮的驱动电机6正极电连接，所述的光伏组件所有负极在汇流端子3负极汇流后，再与所述带惯性轮4的驱动电机6负极电连接，并联后产生的电流直接驱动所述带惯性轮的驱动电机6。这种并联直驱方式，具有隔断发电电流低的光伏组件的功能，避免其拉低系统工作电压；可以保证光伏组件独立工作，不受逆电流影响；同时具有部件保护功能和能量均衡作用。

根据场地的条件，将首先接受阳光照射位置，以相同的倾角平行布设2至3块光伏组件，就可以同时产生足够强的电流，供启动驱动电机使用，作为驱动电机的启动措施。其他光伏发电组件可以依据所在场地的日照条件，分散灵活布设，既可以安装在屋顶，也可以安装在墙面和地面，可以安装在向阳面，也可以安装在背阳面。通过增加光伏组件的覆盖面积，可以达到全部利用场地的所有太阳辐射能量的目的。这种并联直驱方式，即使分散布设的光伏组件随着太阳的移动、不同时段不同的光伏组件分别投入工作或退出工作，也不会导致光伏发电系统功率的大幅波动，这是现有光伏空调多组串联发电方式不具备的优势。

所述离网式光伏发电系统工作电压不高于36伏特。这里，可以依据场地的条件，尽可能增加光伏组件的布设来提升发电系统的功率，增加电流但不会提升工作电压，系统工作电压保持在人体安全电压36伏特及以下，从而保证了系统的总体安全性，降低了电气安全防护的成本。由于所述离网式光伏发电系统的工作电压不高于36伏特，因此所述离网式光伏直驱空调装置的安装和维护，不需要电力施工资质，普通家庭成员也可以进行安装和维护。

所述带惯性轮驱动电机6是激励线圈为定子、带凹槽和配重块5的惯性轮4为动子的轮毂式直流旋转电机。这里，驱动电机动子、配重块5和皮带凹槽设计为一个整体，即旋转部件的所有质量都参与了动能的存储，是机械式能量均衡部件，其作用是利用惯性，抑制因太阳辐射能量随机变化而引起的驱动电动转速的随机变化，使机械能量输出更加平顺，保证所述热泵系统的正常工作。这里，轮毂式直流旋转电机的工作电压，是与所述离网式光伏发电系统的工作电压相匹配的，是直接驱动的。因此，对比现有光伏空调，所述离网式光伏直驱空调装置，无须设置升压稳压、直流交流逆变等电源部件，有效地降低系统成本，提高系统可靠性。

所述离网式光伏发电系统直接电连通所述带惯性轮驱动电机，是同时具有电子式和机械式的能量均衡功能的。这里，电子式能量均衡是依赖系统各部件的自有特性实现的。光伏组件1有个重要的特性就是内阻是随负载的增加而增加，也就是说，依据光伏组件的V-C特性曲线，设计与之匹配的直流旋转电机，当电机转速增加内阻增大时，光伏组件的内阻也随之相向增大，确保电能全部消耗在直流旋转电机上，这是电子式能量均衡的基本原理。这里，机械式的能量均衡是依赖惯性轮4的蓄能作用，惯性轮旋转时，储备了动能。这里，所述离网式光伏发电系统安装完成后，可以在汇流端子3处，测量发电系统产生电流的大小，调整所述惯性轮4上配重块5的大小和位置，实验检出惯性轮的最佳质量，实现电子式和机械式的相结合的系统能量均衡。

所述驱动电机6通过传动皮带7与所述热泵系统连接，所述热泵系统设有从动轮8，安装在空调压缩机9主轴上，带有皮带凹槽，通过传动皮带7与驱动电机6连接，当驱动电机旋转时，带动从动轮8旋转，从而推动空调压缩机9做功。从动轮8直径依据系统所在地区的太阳辐射强度进行设计，不同直径的从动轮8与所述驱动电机有着不同的力矩比，可以使所述热泵系统的空调压缩机9匹配所述驱动电机6的最佳转速。

所述热泵系统是一体安装的，输入常温水，输出为高温水、低温水。热泵系统包括空调压缩机9、水冷冷凝器10、节流阀11和水冷蒸发器12。现有的光伏空调的热泵系统是分体安装的，采用风冷冷凝器和风冷蒸发器，输出热风和冷风。这里，所述热泵系统将空调压缩机9、节流阀11、水冷冷凝器10和水冷蒸发器12安装在一个机柜13中，采用热交换效率更高的水冷冷凝器10和水冷蒸发器12，输入常温水，输出高温水和低温水，既可以供生活使用、也可以供生产使用。与现有的光伏空调的热泵系统比较，具有能量效率更高、体积紧凑、安装简易、用途更广泛的优势，有利于光伏空调的推广和应用。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种离网式光伏直驱空调装置，其特征在于，包括离网式光伏发电系统、驱动电机系统、热泵系统，所述离网式光伏发电系统为不与供电公网连接的离网式系统，所述离网式光伏发电系统与所述驱动电机系统电连接、向所述驱动电机系统供电，所述热泵系统包括通过管路连通的空调压缩机、水冷冷凝器、节流阀、水冷蒸发器，制冷剂在管路内进行循环，所述空调压缩机将制冷剂气体压缩成高温高压的蒸汽、通过管道输入水冷冷凝器、在水冷冷凝器内被常温水冷却凝结成高压液体、再通过管道进入节流阀被节流成低温低压液体、再通过管道进入水冷蒸发器、在蒸发器内从常温水吸热并气化成低压蒸汽、再通过管道返回空调压缩机，常温水在水冷冷凝器和水冷蒸发器中与制冷剂进行热交换、分别输出高温水和低温水，所述驱动电机系统驱动所述热泵系统、带动热泵系统空调压缩机做功。

2.根据权利要求1所述的离网式光伏直驱空调装置，其特征在于，所述离网式光伏发电系统包括汇流端子、多个光伏组件及防反二极管，每个光伏组件的正极端分别通过电线对应串联1个防反二极管后通过汇流端子与所述驱动电机正极电连接，所述光伏组件的负极端通过汇流端子与所述驱动电机负极电连接，形成并联供电电路。

3.根据权利要求2所述的离网式光伏直驱空调装置，其特征在于，每个光伏组件的正极端与防反二极管之间串联有1个负温度系数热敏电阻。

4.根据权利要求1所述的离网式光伏直驱空调装置，其特征在于，所述离网式光伏发电系统的工作电压不大于36V。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的离网式光伏直驱空调装置，其特征在于，所述驱动电机为带惯性轮的轮毂式直流旋转电机，包括激励线圈、惯性轮，所述激励线圈为定子，惯性轮为动子，所述惯性轮与所述空调压缩机传动连接，所述惯性轮的内侧设有永磁体、周侧设有均匀布置的配重块。

6.根据权利要求5所述的离网式光伏直驱空调装置，其特征在于，所述惯性轮通过传动皮带与空调压缩机传动连接，惯性轮外侧设有用于对传动皮带进行定位的凹槽。

7.根据权利要求6所述的离网式光伏直驱空调装置，其特征在于，所述空调压缩机设有从动轮，所述惯性轮通过传动皮带与空调压缩机的从动轮连接，所述从动轮的直径，依据系统所在地区的太阳辐射强度进行设置。

8.根据权利要求7所述的离网式光伏直驱空调装置，其特征在于，所述空调压缩机、水冷冷凝器、节流阀、水冷蒸发器统一安装于一个机柜中，即所述热泵系统是一体安装的。