CN109059313B - 一种高效太阳能集热联合电能供热系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效太阳能集热联合电能供热系统，包括太阳能加热系统、供给水系统、电加热单元和控制系统，还包括循环加热系统，所述供水系统包括一级储热水箱和二级储热水箱，所述循环加热系统分别与太阳能加热系统、一级储热水箱和进水管路连接，所述一级储热水箱通过连通阀门与二级储热水箱连接，所述二级储热水箱通过出水管路与电加热单元连接后，所述电加热单元的出水管与用户用水管路连接。本系统根据太阳能集热器集热特性，设置两级储热水箱，尽可能最大化利用太阳能，采用太阳能和电能联合供热，保证供热的稳定性和经济性。

Description

一种高效太阳能集热联合电能供热系统

技术领域

本发明涉及太阳能供热系统技术领域，具体为一种高效太阳能集热联合电能供热系统。

背景技术

太阳能是可再生能源中具有良好应用前景的能源形式之一。在当今的能源短缺和环境污染的形势下，开发新能源和提高现有能源利用率是解决当前能源和环境的问题的有效手段。太阳能以其独特的优势而广泛的被人们利用。目前，对太阳能的利用主要有两种方式，一种是利用太阳能电池板进行光伏发电，一种是利用太阳能热水器进行太阳能集热。不论时太阳能光伏发电还是太阳能集热都需要较大的太阳光照射接收面积，但是由于当今高层建筑越来越多，导致一栋建筑的太阳能接收面积很小，不足以满足人们日常生活对能量的需求。

为解决建筑太阳能接收面积小的问题，技术人员研发处平板式集热器，平板式集热器悬挂在建筑阳台上，平板式集热器利用导热介质的相变原理，处在建筑阳台上的平板式集热器内部的导热介质吸收太阳能的热量由液体变为气体，气体通过管路进入储热水箱，与储热水箱内部的水进行热量交换，换热后的导热介质相变为液体，液体经管路及泵回流到平板集热器内，再次吸收太阳能吸热相变，实现介质的循环。导热介质的相变原理，提高太阳能利用效率，能够使太阳能在高层建筑上得到使用。但是，在阴雨等天气状况不好的情况下，平板式集热器无法使用。

在利用太阳能电池板进行光伏发电时，一个很大的问题就是太阳能电池板的温度直接影响太阳能光电转换的效率，太阳能电池组件处于较高的温度(高于40摄氏度)或较低的温度(低于0摄氏度)时，太阳能电池组件光电转换效率明显降低，并且对太阳能电池板本身也会造成伤害，降低太阳能电池板的使用寿命。

太阳能由于受到自然条件和环境的影响很大，周期性和波动性性不可避免，而太阳能联合电能供能可以克服新能源的自然缺陷，并且达到降低单纯电供能成本的目的。

电能替代和用能终端再电气化是能源需求侧的变化趋势之一。稳步推进电能替代，有利于构建层次更高、范围更广的新型电力消费市场，扩大电力消费，提升我国电气化水平，提高人民群众生活质量。

发明内容

本发明提供了一种高效太阳能集热联合电能供热系统，该系统根据太阳能集热器集热特性，设置两级储热水箱，尽可能最大化利用太阳能，采用太阳能和电能联合供热，保证供热的稳定性和经济性。

本发明可以通过以下技术方案来实现：

一种高效太阳能集热联合电能供热系统，包括太阳能加热系统、供给水系统、电加热单元和控制系统，还包括循环加热系统，所述供水系统包括一级储热水箱和二级储热水箱，所述循环加热系统分别与太阳能加热系统、一级储热水箱和进水管路连接，所述一级储热水箱通过连通阀门与二级储热水箱连接，所述二级储热水箱通过出水管路与电加热单元连接后，所述电加热单元的出水管与用户用水管路连接。

进一步地，所述太阳能加热系统包括太阳能系统变频水泵、太阳能系统阀门、太阳能集热器和换热器，所述太阳能系统变频水泵出口经太阳能系统阀门后与太阳能集热器进口相连，所述太阳能集热器出口与换热器进口相连，换热器出口与太阳能系统变频水泵进口相连。

进一步地，所述太阳能加热系统还包括减压阀和膨胀箱，所述太阳能系统阀门与太阳能集热器进口之间的管路上设置有一旁路，所述旁路上自内向外依次设有减压阀和膨胀箱。

进一步地，所述循环加热系统包括一级储热水箱、循环加热系统变频水泵、循环加热系统阀门和换热器，所述换热器为所述太阳能加热系统中的换热器，所述一级储热水箱的冷水出口依次经循环系统变频水泵、循环加热系统阀门后与换热器冷水进口相连，所述换热器的热水出口与一级储热水箱的热水进口相连。

进一步地，所述电加热单元包括依次相连的供水变频水泵和电加热器件，所述供水变频水泵的进口与二级储热水箱的出口相连，所述供水变频水泵的出口与电加热器件的进口相连，所述电加热器件的出口与供水阀门的进口相连，所述供水阀的出口与用户用水管路相连。

进一步地，所述太阳能加热系统和循环加热系统上分别接有太阳能水源管路和循环加热水源管路，所述太阳能水源管路和循环加热水源管路分别与水源总管相连。

进一步地，所述水源总管上依次设有给水泵、进水阀门和太阳能补水阀门，所述给水泵和进水阀门位于循环加热水源管路的前面，所述太阳能补水阀门位于太阳能水源管路和循环加热水源管路之间。

进一步地，所述控制系统包括控制中枢，分别与控制中枢连接的环境温度传感器、集热器进口温度传感器、集热器出口温度传感器、换热器出水温度传感器、换热器进水温度传感器、一级储热水箱温度传感器、二级储热水箱温度传感器、供水温度传感器、给水温度传感器，以及分别与控制中枢连接的给水泵、太阳能变频水泵、循环加热水泵和供水变频水泵。

本发明高效太阳能集热联合电能供热系统，具有如下的有益效果：本系统根据太阳能集热器集热特性，设置两级储热水箱，尽可能最大化利用太阳能，采用太阳能和电能联合供热，保证供热的稳定性和经济性。

第一、太阳能利用率高，本发明高效太阳能集热联合电能供热系统，根据太阳能集热器集热特性，结合循环加热系统及两级储热水箱的设置，在有太阳，但用户无需用热水时，通过两级储热水箱先进行储热水，待无太阳时用户即可使用两级储热水箱内的热水即可，无需启动电热单元，太阳能利用率高；

第二、供热稳定性好，本发明高效太阳能集热联合电能供热系统，根据太阳能集热器集热特性，结合循环加热系统、两级储热水箱以及电热单元的设置，采用太阳能和电能联合供热，当无太阳，同时两级储热水箱均没有储存到热水或者储热水箱内的热水温度不足时，启动电热单元，及时保证用户用热水的需求，进而确保供热的稳定性和经济性。

附图说明

附图1为本发明高效太阳能集热联合电能供热系统的结构框图；

附图2为太阳能集热器瞬时效率与太阳辐照度关系图；

附图3为太阳能集热器瞬时效率与环境温度关系图；

附图4为太阳能集热器瞬时效率与进口水温度关系；

附图5为太阳能集热器瞬时效率与集热器内水流速关系；

附图6为本发明高效太阳能集热联合电能供热系统太阳能与电能分区间加热示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明产品作进一步详细的说明。

如图1所示，一种高效太阳能集热联合电能供热系统，包括太阳能加热系统、供给水系统、电加热单元和控制系统，还包括循环加热系统，所述供水系统包括一级储热水箱12和二级储热水箱14，所述循环加热系统分别与太阳能加热系统、一级储热水箱12和进水管路连接，所述一级储热水箱12通过连通阀门13与二级储热水箱14连接，所述二级储热水箱14通过出水管路与电加热单元连接后，所述电加热单元的出水管与用户用水管路连接。所述太阳能加热系统包括太阳能系统变频水泵4、太阳能系统阀门5、太阳能集热器8和换热器9，所述太阳能系统变频水泵4出口经太阳能系统阀门5后与太阳能集热器8进口相连，所述太阳能集热器8出口与换热器9进口相连，换热器9出口与太阳能系统变频水泵4进口相连。所述太阳能加热系统还包括减压阀6和膨胀箱7，所述太阳能系统阀门5与太阳能集热器8进口之间的管路上设置有一旁路，所述旁路上自内向外依次设有减压阀6和膨胀箱7。所述循环加热系统包括一级储热水箱12、循环加热系统变频水泵11、循环加热系统阀门10和换热器9，所述换热器9为所述太阳能加热系统中的换热器9，所述一级储热水箱12的冷水出口依次经循环加热系统变频水泵11、循环加热系统阀门10后与换热器9冷水进口相连，所述换热器9的热水出口与一级储热水箱12的热水进口相连。所述电加热单元包括依次相连的供水变频水泵15和电加热器件16，所述供水变频水泵15的进口与二级储热水箱14的出口相连，所述供水变频水泵15的出口与电加热器件16的进口相连，所述电加热器件16的出口与供水阀门17的进口相连，所述供水阀门17的出口与用户用水管路相连。所述太阳能加热系统和循环加热系统上分别接有太阳能水源管路和循环加热水源管路，所述太阳能水源管路和循环加热水源管路分别与水源总管相连。所述水源总管上依次设有给水泵1、进水阀门2和太阳能补水阀门3，所述给水泵1和进水阀门2位于循环加热水源管路的前面，所述太阳能补水阀门3位于太阳能水源管路和循环加热水源管路之间。所述控制系统包括控制中枢27，分别与控制中枢27连接的环境温度传感器21、集热器进口温度传感器19、集热器出口温度传感器20、换热器出水温度传感器22、换热器进水温度传感器23、一级储热水箱温度传感器24、二级储热水箱温度传感器25、供水温度传感器26、给水温度传感器18，以及分别与控制中枢27连接的给水泵1、太阳能系统变频水泵4、循环加热系统变频水泵11和供水变频水泵15。

如图1至图6所示，本发明高效太阳能集热联合电能供热系统，采用太阳能和电能联合供能，在上述太阳能和电能联合供能系统中，总供能量不变的前提下，太阳能和电能是此消彼长的关系，所以，根据用能需求，尽量提高太阳能集热器8效率，增加太阳能供能量是提高可再生能源率的根本所在。太阳能集热器8瞬时效率主要与太阳辐照度，环境温度，工质进口温度，工质流速有关，环境风速，浮尘覆盖等因素因为实时变化或难以具体量化暂不考虑。

如图1至图6所示，以下是文献《平板型太阳能集热器8关键参数变化对其集热效率影响的研究》中平板型太阳能集热器8瞬时效率与太阳辐照度，环境温度，集热器进口水温度，集热器内水流速的关系。

环境温度、集热器进口水温度、集热器内水流速以及其他环境参数保持不变时，太阳能集热器8瞬时效率与太阳辐照度的关系如图2所示。

太阳辐照度，集热器进口水温度，集热器内水流速以及其他环境参数保持不变时，太阳能集热器8瞬时效率与环境温度的关系如图3所示。

太阳辐照度，环境温度，集热器内水流速以及其他环境参数保持不变时，太阳能集热器8瞬时效率与进口水温度的关系如图4所示。

太阳辐照度，环境温度，集热器进口水温度以及其他环境参数保持不变时，太阳能集热器8瞬时效率与集热器内水流速的关系如图5所示。

基于以上参数关系可以得到以下结论：

(1)其他影响因素不变时，太阳能辐照强度越强，集热器瞬时效率越高。

(2)其他影响因素不变时，环境温度越高，集热器瞬时效率越高。

(3)其他影响因素不变时，太阳能进口水温越低，集热器瞬时效率越高。

(4)其他影响因素不变时，集热器内流速越高，集热器瞬时效率越高。

基于以上原则，本发明高效集热太阳能联合电能供热系统的使用和控制方法：

一、水量控制

当太阳能集热器8效率较低，无法单独满足加热需求时，需要额外的电加热补充，此时太阳能集热器8适合加热较低温度段内的热水，即图6中的T_x到T_y温度段，当水温达到T_y时，将水由一级储热水箱12排放至二级储热水箱14，T_y以上温度区间由电加热执行，然后给水进行补水，太阳能集热器8继续加热一级储热水箱12内较低温度段内的水。

二、水速控制

设t时间段内太阳能加热水量为x吨，太阳能加热功率为P_s，太阳能一次系统循环变频水泵在t时间段内的消耗电量为P₄，循环加热系统变频水泵11消耗电量为P₁₁，由图5可知，太阳能循环系统水速越快，太阳能集热效果越好，但耗电量P₄越高，同理，循环加热系统中水速越高，逆向换热效果越好，但耗电量P₁₁越高，所以有如下优化：

设x吨水加热到用户需求温度所需热量为Q_z，其中太阳能加热部分为Q₁,电加热部分为Q₂；则

∫P_sdt＝Q₁

∫P₄dt＝Q₄

∫P₁₁dt＝Q₁₁

Q_z＝Q₁+Q₂

f(t)＝min(Q₄+Q₁₁+Q₂)

根据t时间段内的用水量和用水温度需求，则Q_z为定值，在变频水泵流速变化范围内，可求得用电量函数的局部最小值f(t)，从而确定最经济的运行控制方法。本控制需要提前设定一段时间内的用水量和用水需求。

三、阀门及水泵开闭控制

几种典型系统工况的阀门及水泵控制情况：

(一)用户侧不供水，有太阳，循环加热模式。

进水阀门2、太阳能补水阀门3、供水阀门17关闭；

太阳能系统阀门5、循环加热系统阀门10打开；

给水泵1、供水变频水泵15关闭；

太阳能系统变频水泵4、循环加热系统变频水泵11打开；

连通阀门13打开或关闭。

(二)用户侧供水，有太阳，直供模式。

太阳能补水阀门3、循环加热系统阀门10关闭；

进水阀门2、太阳能系统阀门5、供水阀门17打开；

循环加热系统变频水泵11关闭；

给水泵1、太阳能系统变频水泵4、供水变频水泵15打开；

连通阀门13打开或关闭。

(三)用户侧供水，有太阳，一级储热水箱12中水温高于用户需求温度。

太阳能补水阀门3、循环加热系统阀门10关闭；

进水阀门2、太阳能系统阀门5、供水阀门17打开；

循环加热系统变频水泵11关闭；

给水泵1、太阳能系统变频水泵4、供水变频水泵15打开；

连通阀门13打开。

(四)用户侧供水，有太阳，一级储热水箱12中水温低于用户需求温度。

进水阀门2、太阳能补水阀门3关闭；

太阳能系统阀门5、循环加热系统阀门10、供水阀门17打开；

给水泵1打开或关闭；

循环加热系统变频水泵11、太阳能系统变频水泵4、供水变频水泵15打开；

连通阀门13打开或关闭。

(五)用户侧供水，无太阳。

太阳能补水阀门3、太阳能系统阀门5、循环加热系统阀门10关闭；

进水阀门2、供水阀门17打开；

连通阀门13打开；

太阳能系统变频水泵4、循环加热系统变频水泵11关闭；

供水变频水泵15打开；

给水泵1打开或者关闭。

图1所示，本发明高效太阳能集热联合电能供热系统，根据太阳能集热器8集热特性，设置两级储热水箱，尽可能最大化利用太阳能，采用太阳能和电能联合供热，保证供热的稳定性和经济性。具体地，本发明高效太阳能集热联合电能供热系统，根据太阳能集热器8集热特性，结合循环加热系统及两级储热水箱的设置，在有太阳，但用户无需用热水时，通过两级储热水箱先进行储热水，待无太阳时用户即可使用两级储热水箱内的热水即可，无需启动电热单元，太阳能利用率高；而且本发明高效太阳能集热联合电能供热系统，根据太阳能集热器8集热特性，结合循环加热系统、两级储热水箱以及电热单元的设置，采用太阳能和电能联合供热，当无太阳，同时两级储热水箱均没有储存到热水或者储热水箱内的热水温度不足时，启动电热单元，及时保证用户用热水的需求，进而确保供热的稳定性和经济性。

以上所述，仅为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；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，可利用以上所揭示的技术内容而作出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高效太阳能集热联合电能供热系统，包括太阳能加热系统、供给水系统、电加热单元和控制系统，其特征在于：还包括循环加热系统，所述供给水系统包括一级储热水箱和二级储热水箱，所述循环加热系统分别与太阳能加热系统、一级储热水箱和进水管路连接，所述一级储热水箱通过连通阀门与二级储热水箱连接，所述二级储热水箱通过出水管路与电加热单元连接后，所述电加热单元的出水管与用户用水管路连接；

所述太阳能加热系统包括太阳能系统变频水泵、太阳能系统阀门、太阳能集热器和换热器，所述太阳能系统变频水泵出口经太阳能系统阀门后与太阳能集热器进口相连，所述太阳能集热器出口与换热器进口相连，换热器出口与太阳能系统变频水泵进口相连；

所述循环加热系统包括一级储热水箱、循环加热系统变频水泵、循环加热系统阀门和换热器，所述换热器为所述太阳能加热系统中的换热器，所述一级储热水箱的冷水出口依次经循环系统变频水泵、循环加热系统阀门后与换热器冷水进口相连，所述换热器的热水出口与一级储热水箱的热水进口相连。

2.根据权利要求1所述的高效太阳能集热联合电能供热系统，其特征在于：所述太阳能加热系统还包括减压阀和膨胀箱，所述太阳能系统阀门与太阳能集热器进口之间的管路上设置有一旁路，所述旁路上自内向外依次设有减压阀和膨胀箱。

3.根据权利要求1所述的高效太阳能集热联合电能供热系统，其特征在于：所述电加热单元包括依次相连的供水变频水泵和电加热器件，所述供水变频水泵的进口与二级储热水箱的出口相连，所述供水变频水泵的出口与电加热器件的进口相连，所述电加热器件的出口与供水阀门的进口相连，所述供水阀的出口与用户用水管路相连。

4.根据权利要求1至3任一项权利要求所述的高效太阳能集热联合电能供热系统，其特征在于：所述太阳能加热系统和循环加热系统上分别接有太阳能水源管路和循环加热水源管路，所述太阳能水源管路和循环加热水源管路分别与水源总管相连。

5.根据权利要求4所述的高效太阳能集热联合电能供热系统，其特征在于：所述水源总管上依次设有给水泵、进水阀门和太阳能补水阀门，所述给水泵和进水阀门位于循环加热水源管路的前面，所述太阳能补水阀门位于太阳能水源管路和循环加热水源管路之间。

6.根据权利要求5所述的高效太阳能集热联合电能供热系统，其特征在于：所述控制系统包括控制中枢，分别与控制中枢连接的环境温度传感器、集热器进口温度传感器、集热器出口温度传感器、换热器出水温度传感器、换热器进水温度传感器、一级储热水箱温度传感器、二级储热水箱温度传感器、供水温度传感器、给水温度传感器，以及分别与控制中枢连接的给水泵、太阳能变频水泵、循环加热水泵和供水变频水泵。