CN108571827A - 一种热泵热水器供电系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热泵热水器供电系统及其控制方法，用于为热泵热水器供电，该系统包括：使用光伏供电的第一供电电路，和用于在所述第一供电电路供电不足时切换使用的第二供电电路为热泵热水器供电。本发明使用光伏直驱的方式，将低品位的太阳能转换成高品位电能，直接用于驱动热泵变频压缩机，当太阳光不强，光伏发电不足以驱动压缩机时，使用其他的电力供应；与此同时将光伏供电电路产生的电力用于电加热电路，使光伏电充分得到利用，中间省去了常规光伏系统中的蓄电池，不仅最大限度的利用了绿色能源，而且节约了成本。

Description

一种热泵热水器供电系统及其控制方法

技术领域

本发明属于热泵热水器领域，具体地说，涉及一种热泵热水器供电系统及其控制方法。

背景技术

热泵是一种通过吸收外部热源的热能，再经由热交换原理，而可将水或空气加热以产生热水或暖气(即制热)的装置。热泵压缩机输入功启动系统后，由机械动能变成热能。所以热泵输的能量为压缩机做的功QB和热泵从环境中吸收的热量QA之和；输入一个QB，得到QB+QA，突破传统单一不同能之间转变无法达到100％效率的瓶颈；采用热泵技术能效比更高。热泵热水器相比电热水器、燃气热水器等节能、减排效果具有显著提升，是目前国家倡导的热水器发展方向。

在目前的热泵热水器系统中，运行的关键部件—压缩机一般是由市电进行驱动的，因此在热泵的运行过程中仍然要使用一定的电力供应。随着我国光伏产业的不断进步，采用光伏发电来驱动压缩机的应用方案也得到了发展，但是使用光伏发电具有难以避免的弊端。就是在光照不强的情况下光伏的供应电力并不足以驱动压缩机运行，从而使整个热泵系统无法正常运转，而此时产生光伏电也被白白浪费。为了解决这个问题，大部分的太阳能电力驱动的系统都为系统设计了太阳能蓄电池，虽然使用太阳能蓄电池虽然可以积蓄一部分的电能，但在能量转换和储存过程中会有极大的电量损失，同时也极大地增加了系统的建设成本。

有鉴于此特提出本发明。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种热泵热水器供电系统及其控制方法，用于为热泵热水器供电，该系统包括：使用光伏供电的第一供电电路，和用于在所述第一供电电路供电不足时切换使用的第二供电电路为热泵热水器供电。本发明使用光伏直驱的方式，将低品位的太阳能转换成高品位电能，直接用于驱动热泵变频压缩机，当太阳光不强，光伏发电不足以驱动压缩机时，使用其他的电力供应；与此同时将光伏供电电路产生的电力用于电加热电路，使光伏电充分得到利用，中间省去了常规光伏系统中的蓄电池，不仅最大限度的利用了绿色能源，而且节约了成本。

为了实现该目的，本发明采用如下技术方案：

一种热泵热水器供电系统，用于为热泵热水器供电，该系统包括：使用光伏供电的第一供电电路，和用于在所述第一供电电路供电不足时切换使用的第二供电电路为热泵热水器供电。

进一步地，所述供电系统包括用于进行第一供电电路和第二供电电路切换的电控制模块，所述电控制模块与所述第一供电电力路和第二供电电路分别电性连接；第一供电电路和第二供电电路并联连接。

进一步地，具有电加热装置的电加热电路与所述第一供电电路电性连接。

进一步地，所述电加热装置与第一供电电路中的光伏板电性连接，并与热泵热水器的电源输入端并联；

优选的，所述电加热装置为电加热棒。

进一步地，所述第二供电电路为市电。

一种使用上述的热泵热水器供电系统的控制方法，使用与用光伏供电的第一供电电路和第二供电电路分别电性连接的电控制模块，对热泵热水器的供电电路进行切换；当所述第一供电电路供电不足时切换使用的第二供电电路为热泵热水器供电。

进一步地，所述电控制模块实时跟踪供电电路的最大功率点。

进一步地，当所述最大功率点出现在第一供电电路时，所述电控制模块选择第一供电电路作为热泵热水器的供电电路；当所述最大功率点出现在第二供电电路时，所述电控制模块选择第二供电电路作为热泵热水器的供电电路。

进一步地，具有电加热装置的电加热电路与所述第一供电电路电性连接，当电控制模块选择第二供电电路作为热泵热水器的供电电路时，控制电加热电路闭合，并通第一供电电路为电加热设备供电；

优选的，所述第二供电电路为市电。

进一步地，所述电加热装置为电加热棒。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

本发明所揭示的一种热泵热水器供电系统及其控制方法，主要使用光伏发电的第一供电电路作为热泵热水器的压缩机驱动能量，同时采用包括市电在内的第二供电电路作为备用电源，并利用电控制模块进行两种供电电路的切换。本专利使用光伏直驱的方式，将低品位的太阳能转换成高品位电能，直接用于驱动热泵变频压缩机，当太阳光不强，光伏发电不足以驱动压缩机时，再通过第二供电电路进行热泵驱动。在本系统的设置中间省去了常规光伏系统中的蓄电池，不仅最大限度的利用了绿色能源，而且节约了建设成本。

本发明的第一供电电路和电加热电路电性连接，当热泵使用第二供电电路供电时，光伏发电产生的电能直接用于电加热电路的供电，电加热电路可以用于加热生活用水，或者放置于上述热泵加热器的水箱内，既节省部分电能也加快制热水速度，将太阳能转化为水的热能储存利用起来。

本发明使用电控制模块，对两种供电模式进行切换，使热泵无论在光照条件是否满足光伏发电驱动的情况下，都可以正常运行使用。采用电加热电路对光伏电加以充分利用，而不需要如传统的光伏驱动热泵一样，采用太阳能电池来解决光伏电的储存利用问题。从能量转换和利用的角度来看，效率更高，能量的损失更小，并且建设的成本更低，节能环保效果更显著。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：

图1是本发明的热泵热水器供电系统模式图；

图2是本发明的热泵热水器系统示意图；

图中：1、第一供电电路；2、第二供电电路；3、电加热电路；4、电控制模块；5、光伏板；6、热泵水箱；7、冷凝器；8、变频压缩机；9、蒸发器；10、储液罐；11、过滤器；12、电子膨胀阀；13、市电。

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图2所示，本发明公开了本发明公开了一种热泵热水器供电系统及其控制方法，用于为热泵热水器供电，该系统包括：使用光伏供电的第一供电电路1，和用于在所述第一供电电路1供电不足时切换使用的第二供电电路2为热泵热水器供电。本发明使用光伏直驱的方式，将低品位的太阳能转换成高品位电能，直接用于驱动热泵变频压缩机，当太阳光不强，光伏发电不足以驱动压缩机时，使用其他的电力供应；与此同时将光伏供电电路产生的电力用于电加热电路3，使光伏电充分得到利用，中间省去了常规光伏系统中的蓄电池，不仅最大限度的利用了绿色能源，而且节约了成本。

实施例一：

如图1和图2所示的热泵热水器供电系统。如图1所示，该热泵热水器包括两路用于为热泵热水器供电的供电电路，分别是使用光伏供电的第一供电电路1，和用于在所述第一供电电路1供电不足时切换使用的第二供电电路2。

在本实施例中，第二供电电路2使用常规的市电作为供电来源。在其他的实施例中，该第二供电电路还可以是其他的如风力发电或者化学能发电等其他的电源来源。比如将风力发电的输出端与第一供电电路并联，并且同时与电控制模块电性连接，成为该热泵供电系统的第二供电电路。

本实施例中，市电电路经过整流电路，可以整流为供热泵热水器的压缩机使用的电源。市电13即我们所说的工频交流电(AC)，是区别于发电的电，也就是从政府的电网里面提取的电力资源。交流电的常用三个量来表征：电压、电流、频率。世界各国的常用交流电工频频率有50Hz(赫兹)与60Hz(赫兹)两种，民用交流电压分布由100V至380V不等。各个国家有各个国家的行业标准，各国用电设备(电器)的行业标准也不一样，因此，各国的市电电压、频率不同。全世界市电有不相同的电压标准，如我国一般为220V(伏)，日本为110V(伏)，美国为110V(伏)。

我国使用的220V市电的供电，标准如下：

火线与零线间：220V±10％

零线与地线间：小于5V大于0V

火线与地线间：小于220V±10％。

第一供电电路1采用光伏供电，即使用光伏板，收集太阳能，并将太阳能转换为电能，通过电流型DC-DC变换器，变换为热泵热水器的压缩机使用的电源。用于切换的第一供电电路1和第二供电电路的电控制模块，与所述第一供电电力路1和第二供电电路2分别电性连接；第一供电电路1和第二供电电路2并联连接。

如图1所示，具有电加热装置的电加热电路3与第一供电电路1电性连接。本实施例中的电加热装置为电加热棒，电加热棒与第一供电电路1中的光伏板电性连接，并与热泵热水器的电源输入端并联。该电加热电路3用于在光伏电不足以驱动压缩机时，将第一供电电路1所产生的电能用于电加热装置的加热，该电加热装置可以放于热泵热水器的热泵水箱里，加速该热水器中热水的加热速度。当然，还可以将该加热装置放置于其他的生活用水水箱中，用于加热生活用水，以充分利用光伏板产生的电能。

电控制模块与第一供电电路1和第二供电电路2分别电性连接，控制热泵使用不同的电能来源。当第一供电电路1中光伏板产生的电能足以驱动热泵时，电控制模块快将热泵的变频控制器与第一供电电路1连接，使用光伏供电的第一供电电路1作为热泵热水器的电能来源。

当第一供电电路1的电能不足以驱动热泵热水器时，电控制模块则将第二供电电路2与热泵的变频控制器连接，将市电作为热泵的电源来源，同时将电加热电路3与第一供电电路1连接，将光伏板此时产生的电能充分利用。

在另一个实施例中，在第一供电电路1供电的过程中，当所产生的光伏电除了足以驱动热泵进行热循环外，还有剩余的电能时，电控制模块同样将电加热电路3与第一供电电路1连通，将这部分多余的光伏电用热能的形式进行储存和利用，同样起到加速热泵热水器的加热速度，和提高光伏电的能量了利用的技术效果。

以下，对该控制和实现过程进行详细描述。

如图2本实施例中的热泵热水器包括变频压缩机8、蒸发器9、冷凝器7、储液罐10、过滤器11和电子膨胀阀12等。系统选用410A环保冷媒、可工作在-15℃的工况下，且衰减较小。该热泵热水器的工作可分为两个运行模式：

第一种模式，光照充足，使用第一供电电路供电。

此时，第一供电电路1中的光板5整流之后输出直流电压高于第二供电电路2—市电13整流之后的母线电压，此时优先使用光伏发电(即第一供电电路1)，驱动变频压缩机8，低压气态冷媒被变频压缩机8吸入气缸压缩后，变为高温高压的过热蒸汽，经压缩机排气阀流入冷凝器7，本实施例中的冷凝器为了增强冷凝效果使用的是微通道冷凝器，发生冷却、冷凝过程，热泵水箱6里的水被加热，冷媒冷却过冷后流经储液罐10、过滤器11，最后通过电子膨胀阀12节流降温降压，流入蒸发器9进行对流换热来吸收阳光和空气中的低品位能源使自身受热蒸发，变为过热蒸汽，最后通过吸气口进入变频压缩机8，完成一次循环。此过程完全利用太阳能和空气能等绿色能源，来加热生活用水，节能环保效果显著。进一步地，当光伏板5所产生的光伏电除了驱动变频压缩机8，还有剩余的电能时，电控制模块4将电加热电路3与第一供电电路1连通，该加热电路3的电加热设备位于热泵水箱6内，加速热泵的加热效率。当然电加热电路3还可以用于其他需要加热的应用场景中，来充分利用光伏电能。

第二种模式，光照不足，使用第二供电电路供电。

当遇到阴天，或者是夜晚等光照不足的情况时，第一供电电路1中的光伏模块整流之后输出直流电压低于第二供电电路2—市电整流之后的母线电压，此时电控制模块控制优先使用市电(即第二供电电路)，驱动变频压缩机，完成与模式一相同的一次冷媒循环，为了尽可能多的利用太阳光的能量，本发明设计了电加热棒，用于消耗光伏发的电，加热生活用水。

如图1和图2所示热泵热水器供电系统模式图。热泵优先使用光伏发电的第一供电电路1供电，市用交流电-第二供电电路2作为一种备用模式，两者可实现瞬时切换。系统的工作原理为：市电13经整流电路整流后，变为直流电V1加在直流母线上，约310V；光伏板5受到太阳辐照产生直流电，经过全桥逆变，首先将直流电逆变成高频交流电，再经过高频变压器升压，整流滤波后V2可直接并在直流母线上，电控控制模块4会实时跟踪组件的最大功率点，将组件所发的电能，以最大功率输出到直流母线上。

当太阳辐照较强，光伏电整流滤波后V2≥V1，最大功率点出现在第一供电电路1时，电控制模块5选择第一供电电路1作为热泵热水器的供电电路，热泵优先使用光伏电，进行上述第一种模式的热泵驱动过程。

太阳辐照不够，光伏电整流滤波后V2＜V1时，最大功率点出现在第二供电电路2时，电控制模块5选择第二供电电路2作为热泵热水器的供电电路，市电代替光伏发电作为热泵的驱动电源，此时，电控值模块同时将K1接通，光伏电被电加热电路3中的电加热装置所消耗。

本实施例采用的电加热装置是电加热棒，电加热棒具有可以实现低电量启动，并且电利用率高，成本较低，电路简单等优点。所述电加热棒可以放置于热泵加热器的水箱内，既节省部分电能加快制热水速度，同时由于水的热容积较大，可以将电加热装置的热量很好的储存起来。

在其他的实施例中，电加热装置还可以用于其他的生活用水加热水箱内，或者其他的热驱动装置，将太阳能转化为水的热能储存利用起来，充分利用光伏产生的电能。

在本发明中的电加热电路3的目的是充分利用第一供电电路1在驱动热泵时产生的剩余电量，或者是在第二供电电路2为热泵供电时，第一供电电路1所产生的电能。电加热电路3的存在，使光伏电得到充分的利用。相类似的，还可以通过本发明的电控制模块的电路切换功能，将第一供电电路与其他的可以类似的低电量启动的用电设备电路相接，将多余的或者是低电量的光伏电能充分利用起来。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (10)

1.一种热泵热水器供电系统，用于为热泵热水器供电，其特征在于：该系统包括：使用光伏供电的第一供电电路，和用于在所述第一供电电路供电不足时切换使用的第二供电电路为热泵热水器供电。

2.根据权利要求1所述的热泵热水器供电系统，其特征在于：所述供电系统包括用于进行第一供电电路和第二供电电路切换的电控制模块，所述电控制模块与所述第一供电电力路和第二供电电路分别电性连接；第一供电电路和第二供电电路并联连接。

3.根据权利要求1所述的光伏直驱热泵热水器控制系统，其特征在于：具有电加热装置的电加热电路与所述第一供电电路电性连接。

4.根据权利要求3所述的光伏直驱热泵热水器控制系统，其特征在于：所述电加热装置与第一供电电路中的光伏板电性连接，并与热泵热水器的电源输入端并联；

优选的，所述电加热装置为电加热棒。

5.根据权利要求1-4任一所述的光伏直驱热泵热水器控制系统，其特征在于：所述第二供电电路为市电。

6.一种如权利要求1-5任一所述的热泵热水器供电系统的控制方法，其特征在于：使用与用光伏供电的第一供电电路和第二供电电路分别电性连接的电控制模块，对热泵热水器的供电电路进行切换；当所述第一供电电路供电不足时切换使用的第二供电电路为热泵热水器供电。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：所述电控制模块实时跟踪供电电路的最大功率点。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：当所述最大功率点出现在第一供电电路时，所述电控制模块选择第一供电电路作为热泵热水器的供电电路；当所述最大功率点出现在第二供电电路时，所述电控制模块选择第二供电电路作为热泵热水器的供电电路。

9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：具有电加热装置的电加热电路与所述第一供电电路电性连接，当电控制模块选择第二供电电路作为热泵热水器的供电电路时，控制电加热电路闭合，并通第一供电电路为电加热设备供电；

优选的，所述第二供电电路为市电。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于：所述电加热装置为电加热棒。