CN107940771A - 一种太阳能光热/谷电储热互补储热供热系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳能光热/谷电储热互补储热供热系统，至少包括太阳能集热器、水箱、设置在水箱内的电加热器、储热单元和热用户，其中，所述的太阳能集热器和水箱通过管路循环连接并构成一次加热回路，所述的水箱和储热单元通过管路循环连接并构成二次储热回路，所述的储热单元和热用户通过管路循环连接并构成三次供热回路，所述的水箱与热用户通过管路循环连接并构成四次供热回路。与现有技术相比，本发明将太阳能光热和谷电储热相结合形成互补，可以提高太阳能光热利用能源系统的可靠性，更充分灵活地利用太阳能光热互补并减小储热水箱的体积和大幅度减少电加热耗电量，具有良好的经济性和节能性等。

Description

一种太阳能光热/谷电储热互补储热供热系统

技术领域

本发明涉及能源利用领域，尤其是涉及一种太阳能光热/谷电储热互补储热供热系统。

背景技术

现代社会主要依靠化石能源转换成的电力来运转，我国电力负荷持续增加，电网峰谷差越来越大，而谷电浪费现象十分严重，全国大部分区域实行峰谷电价，大力鼓励使用低谷电，如何高效利用谷电是一个亟待解决的问题。

储能技术是解决能源供求不匹配，提高能源利用效率的关键技术之一。近年来，相变储热技术以其高储热密度、吸放热温度稳定等优势受到广泛关注。相变储能是利用相变储热材料在相变过程中，吸收或释放相变潜热来进行能量储存和释放的技术。相变储能技术在太阳能热利用、废热余热回收、电力“削峰填谷”、采暖及建筑节能等诸多领域具有广泛的应用前景。

我国太阳能资源十分丰富，太阳能热水系统使用也十分广泛。但传统的太阳能热水系统受太阳能资源能量密度低、不稳定、不连续等缺点的限制，给实际应用带来了许多困难。

对现有技术的文献检索，实现太阳能光热/谷电储热互补的相关先进技术主要有：专利申请号为2014-20797505.0的发明专利公开了“住宅楼太阳能/低谷电热水共享系统”，由通过管道连接的太阳能集热器、带内置换热器的储热水箱、电热锅炉、恒温阀、自动稳压供水器等组成，在太阳能供热不足时可利用晚间电网低廉的低谷电由电锅炉补充，由此生产成本低供热稳定的洗浴热水，并能让楼宇中全体住户共享太阳能、低谷电低成本的洗浴热水。但是该系统不具备储能装置，不能在夜间不需要热水时把低谷电储存起来供峰电时段使用，白天太阳能不足时仍需利用峰电供热，因而不能充分利用夜间低谷电和白天多余的太阳能资源，且该系统只能用于供热水而不能用于采暖。专利申请号为20152082-2183.5的发明专利公开了“一种相变储热式太阳能热水系统”，通过循环管路依次连接相变储热热池、太阳能集热器、循环泵和电加热管，通过太阳能集热器或电加热器给相变储热热池充热，能随时为用户提供热水。但是该系统冷流体要严格按照太阳能集热器、电加热管、相变储热热池依次流动，从而增加了热损，降低了能量利用效率。

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太阳能光热/谷电储热互补储热供热系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种太阳能光热/谷电储热互补储热供热系统，至少包括太阳能集热器、水箱、设置在水箱内的电加热器、储热单元和热用户，其中，所述的太阳能集热器和水箱通过管路循环连接并构成一次加热回路，所述的水箱和储热单元通过管路循环连接并构成二次储热回路，所述的储热单元和热用户通过管路循环连接并构成三次供热回路，所述的水箱与热用户通过管路循环连接并构成四次供热回路。

优选的，所述互补储热供热系统通过不同回路的互补切换实现以下运行模式：

太阳能供热储热模式：一次加热回路、二次储热回路和四次供热回路运行，其余回路切断，电加热器不工作，太阳能集热器收集热量由循环水通过一次加热回路带回水箱暂存，水箱中暂存的热量同时由循环水分别通过二次储热回路和四次供热回路送到储热单元与热用户，实现储热和供热；

太阳能直接供热模式：一次加热回路和四次供热回路运行，其余回路切断，电加热器不工作，太阳能集热器收集热量由循环水通过一次加热回路带回水箱暂存，水箱中暂存的热量由循环水经四次供热回路送到热用户处，实现供热；

太阳能直接储热模式：一次加热回路和二次储热回路运行，其余回路切断，电加热器不工作，太阳能集热器收集热量由循环水通过一次加热回路带回水箱暂存，水箱中暂存的热量由循环水经二次储热回路送到储热单元处储存，实现储热；

太阳能/电加热互补供热模式：一次加热回路和四次供热回路运行，其余回路切断，电加热器工作水箱中的循环水加热，同时太阳能集热器收集热量由循环水通过一次加热回路带回水箱，水箱中暂存的热量由循环水经四次供热回路送到热用户处，实现供热；

谷电加热储热模式：二次储热回路运行，电加热器工作，其余回路切断，电加热器利用谷电对水箱中的循环水加热，同时，水箱中的循环水携带谷电所加热量经二次储热回路送至储热单元处储存，实现储热；

谷电加热储热供热模式：二次储热回路和四次供热回路运行，电加热器工作，其余回路切断，电加热器利用谷电对水箱中的循环水加热，同时，水箱中的循环水携带谷电所加热量分别经二次储热回路与四次供热回路送至储热单元与热用户，同时实现储热和供热；

储热单元供热模式：三次供热回路运行，其余回路切断，电加热器不工作，储热单元中储存热量经管路中循环水送至热用户处实现供热。

优选的，所述一次加热回路、二次储热回路、三次供热回路和四次供热回路中均带有驱动回路运行的循环泵，并分别设有控制各回路运行状况的流量控制阀；

所述的一次加热回路、水箱、储热单元和热用户的进水管路处分别设有温度传感器。

更优选的，所述的流量控制阀、温度传感器、循环泵和电加热器均与PLC控制系统连接，通过监控系统管路压力、温度和流量的变化，控制电加热器的启停、回路的切换和回路内水流量的大小，实现自动监控与控制。

优选的，所述的储热单元包括由外壳围成的储热腔体，在储热腔体内填充有相变材料，并同时安置有置于相变材料中的换热管，所述换热管的两端伸出储热腔体并接入外部管路中，在换热管上还设有翅片。

更优选的，所述的相变材料为水合盐相变材料中的一种或几种的复合，或是有机相变材料中的一种或几种的复合。

更优选的，所述的外壳采用双层金属外壳，中间填充有保温材料。

优选的，所述的水箱具有保温功能，其底部安装有排污阀。

优选的，所述的太阳能集热器为平板太阳能集热器、真空管太阳能集热器或槽式太阳能集热器。

所述的热用户可以是家庭等小型用户，也可以是写字楼等大型用户，可以用于采暖，也可以用于供热水。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明结合太阳能和谷电这两种低廉的能源，再与相变储热装置相结合，一方面可以用低廉的成本获取所需热能，另一方面可以将富余的低成本能源储存起来以供用电高峰或太阳能不足时使用，大大降低了用户使用成本，经济性好。

(2)本发明采用储热密度高、相变温度合适的相变储热材料作为储热装置的填充材料，相比传统的水箱可有效减小占地面积，且放热平稳、持续时间长，舒适度高；引入储热装置后，可以大大减小传统太阳能集热器庞大体积的水箱，水箱和太阳能集热器可以分开布置，更加方便灵活。

(3)本发明将太阳能光热和谷电储热相结合形成互补，与传统太阳能集热系统相比，由于采用谷电储热互补技术一方面可以提高太阳能光热利用能源系统的可靠性，另一方面可以更充分灵活地利用太阳能并减小储热水箱的体积；与传统电加热热水器相比，本发明白天可有效利用太阳能光热互补实现供热从而大幅度减少电加热耗电量，另一方面采用储热技术可充分利用夜间谷电储热通过能量调配实现白天放热供暖从而降低运行费用，具有良好的经济性和节能性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的储热单元的结构示意图；

图3-9为本发明的系统在不同工作模式下的运行原理示意图；

图中，1为太阳能集热器，2-1为流量控制阀a，2-2为流量控制阀b，2-3为流量控制阀c，2-4为流量控制阀d，2-5为流量控制阀e，2-6为流量控制阀f，2-7为流量控制阀g，2-8为流量控制阀h，3为储热单元，3-1为外壳，3-2为相变材料，3-3为翅片，3-4为换热管，4-1为第一温度传感器，4-2为第二温度传感器，4-3为第三温度传感器，4-4为第四温度传感器，5为热用户，6为水箱，7为排污阀，8为电加热器，9-1为循环泵一，9-2为循环泵二。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

一种太阳能光热/谷电储热互补储热供热系统，参见图1所示，至少包括太阳能集热器1、水箱6、设置在水箱6内的电加热器8、储热单元3和热用户5，其中，太阳能集热器1和水箱6通过管路循环连接并构成一次加热回路，水箱6和储热单元3通过管路循环连接并构成二次储热回路，储热单元3和热用户5通过管路循环连接并构成三次供热回路，水箱6与热用户5通过管路循环连接并构成四次供热回路。

作为本发明一种优选的实施方式，互补储热供热系统通过不同回路的互补切换实现以下运行模式：

太阳能供热储热模式，参见图3所示，：一次加热回路、二次储热回路和四次供热回路运行，其余回路切断，电加热器8不工作，太阳能集热器1收集热量由循环水通过一次加热回路带回水箱6暂存，水箱6中暂存的热量同时由循环水分别通过二次储热回路和四次供热回路送到储热单元3与热用户5，实现储热和供热；

太阳能直接供热模式，参见图4所示：一次加热回路和四次供热回路运行，其余回路切断，电加热器8不工作，太阳能集热器1收集热量由循环水通过一次加热回路带回水箱6暂存，水箱6中暂存的热量由循环水经四次供热回路送到热用户5处，实现供热；

太阳能直接储热模式，参见图5所示：一次加热回路和二次储热回路运行，其余回路切断，电加热器8不工作，太阳能集热器1收集热量由循环水通过一次加热回路带回水箱6暂存，水箱6中暂存的热量由循环水经二次储热回路送到储热单元3处储存，实现储热；

太阳能/电加热互补供热模式，参见图6所示：一次加热回路和四次供热回路运行，其余回路切断，电加热器8工作水箱6中的循环水加热，同时太阳能集热器1收集热量由循环水通过一次加热回路带回水箱6，水箱6中暂存的热量由循环水经四次供热回路送到热用户5处，实现供热；

谷电加热储热模式，参见图7所示：二次储热回路运行，电加热器8工作，其余回路切断，电加热器8利用谷电对水箱6中的循环水加热，同时，水箱6中的循环水携带谷电所加热量经二次储热回路送至储热单元3处储存，实现储热；

谷电加热储热供热模式，参见图8所示：二次储热回路和四次供热回路运行，电加热器8工作，其余回路切断，电加热器8利用谷电对水箱6中的循环水加热，同时，水箱6中的循环水携带谷电所加热量分别经二次储热回路与四次供热回路送至储热单元3与热用户5，同时实现储热和供热；

储热单元3供热模式，参见图9所示：三次供热回路运行，其余回路切断，电加热器8不工作，储热单元3中储存热量经管路中循环水送至热用户5处实现供热。

作为本发明一种优选的实施方式，一次加热回路、二次储热回路、三次供热回路和四次供热回路中均带有驱动回路运行的循环泵，并分别设有控制各回路运行状况的流量控制阀；

一次加热回路、水箱6、储热单元3和热用户5的进水管路处分别设有温度传感器。更优选的，流量控制阀、温度传感器、循环泵和电加热器8均与PLC控制系统连接，通过监控系统管路压力、温度和流量的变化，控制电加热器8的启停、回路的切换和回路内水流量的大小，实现自动监控与控制。

作为本发明一种优选的实施方式，储热单元3包括由外壳3-1围成的储热腔体，在储热腔体内填充有相变材料3-2，并同时安置有置于相变材料3-2中的换热管3-4，换热管4的两端伸出储热腔体并接入外部管路中，在换热管3-4上还设有翅片4-4，参见图2所示。更优选的，相变材料3-2为水合盐相变材料中的一种或几种的复合，或是有机相变材料中的一种或几种的复合。更优选的，外壳3-1采用双层金属外壳，中间填充有保温材料。

作为本发明一种优选的实施方式，水箱6具有保温功能，其底部安装有排污阀7。

作为本发明一种优选的实施方式，太阳能集热器1为平板太阳能集热器、真空管太阳能集热器或槽式太阳能集热器。热用户5可以是家庭等小型用户，也可以是写字楼等大型用户，可以用于采暖，也可以用于供热水。

实施例1

一种太阳能光热/谷电储热互补储热供热系统，如图1所示，包括太阳能集热器1、流量控制阀a 2-1、流量控制阀b 2-2、流量控制阀c 2-3、流量控制阀d 2-4、流量控制阀e2-5、流量控制阀f 2-6、流量控制阀g 2-7、流量控制阀h 2-8、储热单元3、第一温度传感器4-1、第二温度传感器4-2、第三温度传感器4-3、第四温度传感器4-4、热用户5、水箱6、排污阀7、电加热器8、循环泵一9-1和循环泵二9-2。

其中，水箱6的一个出口通过管路依次连接流量控制阀h 2-8、循环泵一9-1、太阳能集热器1，并返回连接水箱6同一侧的进水口，组成一次加热回路，在一次加热回路的水箱6进水口处的管路上还设有第三温度传感器4-3。

水箱6另一侧的出水口通过管路连接流量控制阀g 2-7和循环泵二9-2，从循环泵二9-2出水口引出两条支路，其中一条支路依次设置流量控制阀a 2-1、储热单元3、流量控制阀d 2-4，并通过流量控制阀e 2-5返回水箱6另一侧的进水口，组成二次储热回路，

另一条支路上依次设置流量控制阀b 2-2、流量控制阀c 2-3和热用户5，并同样经过流量控制阀e 2-5返回水箱6另一侧的进水口，组成四次供热回路。储热单元3的出水口还同样经过四次供热回路中的部分管路经流量控制阀流量控制阀c 2-3连接热用户5，并由热用户5处另起一条支路，然后通过流量控制阀f 2-6连接循环泵二9-2的入口，最后共用二次储热回路中的部分管路经流量控制阀a 2-1返回储热单元3，从而组成三次供热回路。

本实施例中，储热单元3包括由外壳3-1围成的储热腔体，在储热腔体内填充有相变材料3-2，并同时安置有置于相变材料3-2中的换热管3-4，换热管3-4的两端伸出储热腔体并接入外部管路中，在换热管3-4上还设有翅片3-3，如图2所示。本实施例中的相变材料3-2可以是水合盐相变材料中的某一种或几种的复合，亦或是有机相变材料中的一种或几种的复合。此外，外壳3-1采用双层金属外壳，中间填充有保温材料。水箱6具有保温功能，其底部安装有排污阀7。

本实施例的系统包括以下几种工作模式：

如图3所示，太阳能供热储热模式，当太阳能充足，热用户所需热能不多时，可一边向热用户供热一边储热，此时打开循环泵一9-1、循环泵二9-2和流量控制阀g 2-7、流量控制阀h 2-8、流量控制阀a 2-1、流量控制阀b 2-2、流量控制阀c 2-3、流量控制阀e 2-5，关闭流量控制阀d 2-4、流量控制阀f 2-6，电加热器8不工作，储热单元3储热，供热量和储热量可通过调节流量控制阀b 2-2、流量控制阀c 2-3的开度来调节，系统在这种模式下工作，一方面为热用户供热，另一方面将多余热能储存下来在太阳能不足时释放出来供热，最大限度利用太阳能，经济性最好。

如图4所示，太阳能直接供热模式，当太阳能较充足时，太阳能即可满足热用户需求，此时打开循环泵一9-1、循环泵二9-2和流量控制阀h 2-8、流量控制阀g 2-7、流量控制阀b 2-2、流量控制阀c 2-3、流量控制阀e 2-5，关闭流量控制阀a 2-1、流量控制阀d 2-4、流量控制阀f 2-6，电加热器8和储热装置3不工作，供热量可通过调节阀门2-3的开度来调节，系统在这种模式下工作，热用户所需热能全部来自太阳能，经济性好。

如图5所示，太阳能直接储热模式，当太阳能充足且热用户不需要供热时，此时打开循环泵一9-1、循环泵二9-2和流量控制阀h 2-8、流量控制阀g 2-7、流量控制阀a 2-1、流量控制阀d 2-4、流量控制阀e 2-5，关闭流量控制阀b 2-2、流量控制阀c 2-3、流量控制阀f2-6，电加热器8不工作，热用户5不供热，系统在这种模式下工作，将太阳能储存起来供太阳能不足时或夜间使用，能充分利用太阳能，经济性好。

如图6所示，太阳能/电加热互补供热模式，当太阳能不足时，则需要电加热补充，此时打开循环泵一9-1、循环泵二9-2和流量控制阀h 2-8、流量控制阀g 2-7、流量控制阀b2-2、流量控制阀c 2-3、流量控制阀f 2-5，关闭流量控制阀d 2-4、流量控制阀f 2-6、流量控制阀a 2-1，储热装置3不工作，系统在这种模式下工作，尽可能多的使用太阳能这种可再生清洁能源，具有一定的经济效益。

如图7所示，谷电加热储热模式，夜间热用户不需要供热时，可将低廉的谷电转换成热能储存在储热装置内，在需要供热时释放出来供热，此时打开循环泵二9-2和流量控制阀g 2-7、流量控制阀a 2-1、流量控制阀d 2-4、流量控制阀e 2-5，关闭循环泵一9-1和流量控制阀h 2-8、流量控制阀b 2-2、流量控制阀c 2-3、流量控制阀f 2-6，太阳能集热器不工作，热用户不供热，系统在这种模式下工作，将低廉的谷电储存起来，既能“削峰填谷”、节约能源，又能降低热用户使用成本，经济性和节能性好。

如图8所示，谷电加热储热供热模式，夜间没有太阳能而需要供热时，此时打开循环泵二9-2和流量控制阀g 2-7、流量控制阀a 2-1、流量控制阀b 2-2、流量控制阀c 2-3、流量控制阀e 2-5，打开电加热器8，关闭循环泵一9-1和流量控制阀h 2-8、流量控制阀d 2-4、流量控制阀f 2-6，太阳能集热器1不工作，储热器3储热，供热量和储热量可通过调节流量控制阀b 2-2、流量控制阀c 2-3的开度来调节，系统在这种模式下工作，利用低廉的谷电一方面为热用户供热，另一方面进行储热，在峰电时释放出来供热，经济性好。

如图9所示，储热装置供热模式，峰电时段且无太阳能可用时，可打开循环泵二9-2和流量控制阀a 2-1、流量控制阀c 2-3、流量控制阀f 2-6，关闭循环泵一9-1和流量控制阀h 2-8、流量控制阀g 2-7、流量控制阀b 2-2、流量控制阀d 2-4、流量控制阀e 2-5，太阳能集热器1和电加热器6不工作，供热量可通过调节流量控制阀c 2-3的开度来调节，系统在这种模式下工作，利用夜间低谷电储存的热量供热用户使用，经济性好。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种太阳能光热/谷电储热互补储热供热系统，其特征在于，至少包括太阳能集热器(1)、水箱(6)、设置在水箱(6)内的电加热器(8)、储热单元(3)和热用户(5)，其中，所述的太阳能集热器(1)和水箱(6)通过管路循环连接并构成一次加热回路，所述的水箱(6)和储热单元(3)通过管路循环连接并构成二次储热回路，所述的储热单元(3)和热用户(5)通过管路循环连接并构成三次供热回路，所述的水箱(6)与热用户(5)通过管路循环连接并构成四次供热回路。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能光热/谷电储热互补储热供热系统，其特征在于，所述互补储热供热系统通过不同回路的互补切换实现以下运行模式：

太阳能供热储热模式：一次加热回路、二次储热回路和四次供热回路运行，其余回路切断，电加热器(8)不工作，太阳能集热器(1)收集热量由循环水通过一次加热回路带回水箱(6)暂存，水箱(6)中暂存的热量同时由循环水分别通过二次储热回路和四次供热回路送到储热单元(3)与热用户(5)，实现储热和供热；

太阳能直接供热模式：一次加热回路和四次供热回路运行，其余回路切断，电加热器(8)不工作，太阳能集热器(1)收集热量由循环水通过一次加热回路带回水箱(6)暂存，水箱(6)中暂存的热量由循环水经四次供热回路送到热用户(5)处，实现供热；

太阳能直接储热模式：一次加热回路和二次储热回路运行，其余回路切断，电加热器(8)不工作，太阳能集热器(1)收集热量由循环水通过一次加热回路带回水箱(6)暂存，水箱(6)中暂存的热量由循环水经二次储热回路送到储热单元(3)处储存，实现储热；

太阳能/电加热互补供热模式：一次加热回路和四次供热回路运行，其余回路切断，电加热器(8)工作水箱(6)中的循环水加热，同时太阳能集热器(1)收集热量由循环水通过一次加热回路带回水箱(6)，水箱(6)中暂存的热量由循环水经四次供热回路送到热用户(5)处，实现供热；

谷电加热储热模式：二次储热回路运行，电加热器(8)工作，其余回路切断，电加热器(8)利用谷电对水箱(6)中的循环水加热，同时，水箱(6)中的循环水携带谷电所加热量经二次储热回路送至储热单元(3)处储存，实现储热；

谷电加热储热供热模式：二次储热回路和四次供热回路运行，电加热器(8)工作，其余回路切断，电加热器(8)利用谷电对水箱(6)中的循环水加热，同时，水箱(6)中的循环水携带谷电所加热量分别经二次储热回路与四次供热回路送至储热单元(3)与热用户(5)，同时实现储热和供热；

储热单元(3)供热模式：三次供热回路运行，其余回路切断，电加热器(8)不工作，储热单元(3)中储存热量经管路中循环水送至热用户(5)处实现供热。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能光热/谷电储热互补储热供热系统，其特征在于，所述一次加热回路、二次储热回路、三次供热回路和四次供热回路中均带有驱动回路运行的循环泵，并分别设有控制各回路运行状况的流量控制阀；

所述的一次加热回路、水箱(6)、储热单元(3)和热用户(5)的进水管路处分别设有温度传感器。

4.根据权利要求3所述的一种太阳能光热/谷电储热互补储热供热系统，其特征在于，所述的流量控制阀、温度传感器、循环泵和电加热器(8)均与PLC控制系统连接，通过监控系统管路压力、温度和流量的变化，控制电加热器(8)的启停、回路的切换和回路内水流量的大小，实现自动监控与控制。

5.根据权利要求1所述的一种太阳能光热/谷电储热互补储热供热系统，其特征在于，所述的储热单元(3)包括由外壳围成的储热腔体，在储热腔体内填充有相变材料，并同时安置有置于相变材料中的换热管，所述换热管的两端伸出储热腔体并接入外部管路中，在换热管上还设有翅片。

6.根据权利要求5所述的一种太阳能光热/谷电储热互补储热供热系统，其特征在于，所述的相变材料为水合盐相变材料中的一种或几种的复合，或是有机相变材料中的一种或几种的复合。

7.根据权利要求5所述的一种太阳能光热/谷电储热互补储热供热系统，其特征在于，所述的外壳采用双层金属外壳，中间填充有保温材料。

8.根据权利要求1所述的一种太阳能光热/谷电储热互补储热供热系统，其特征在于，所述的水箱(6)具有保温功能，其底部安装有排污阀(7)。

9.根据权利要求1所述的一种太阳能光热/谷电储热互补储热供热系统，其特征在于，所述的太阳能集热器(1)为平板太阳能集热器、真空管太阳能集热器或槽式太阳能集热器。