CN109883075B - 一种风光互补制热系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风光互补制热系统，包括风能收集装置、空气动力加热炉和PV/T集热器；所述空气动力加热炉内设置有节流孔板和轴流叶片；所述风能收集装置的动力输出端与轴流叶片的动力输入端配合连接；所述轴流叶片驱动空气动力加热炉内的空气穿过节流孔板摩擦升温；所述空气动力加热炉的出气端与PV/T集热器的进气端连通；通过风能与光能有机结合来提高空气能热泵的入口温度，从而提高空气能热泵低温条件下的能效系数和工作的可靠性和热量利用效率。
Description
技术领域
本发明涉及风能利用领域、太阳能利用领域和空气能利用领域，具体涉及一种风光互补制热系统。
背景技术
当前能源和环境问题日益严重，各类清洁能源得到迅速发展。空气能作为一种无污染、易获取、不枯竭的能源，已被广泛应用于热水、采暖、制冷等多个领域。
空气能热泵就是一种节能、环保、经济的设备，但该类设备普遍存在低温环境适应性差的问题，在寒冷地区热效率很低甚至不能适用。目前国内空气加热方面的最新趋势主要是采用电机驱动叶轮旋转空气动力加热炉，叶轮与空气摩擦产生热量，使空气加热，同时利用叶轮的旋转推动炉腔内的空气循环流动，从而使整个炉腔内的温度不断上升，实现加热。实际运用证明，空气动力加热炉具有热效率高、能耗低、温控精度高、炉内温度场均匀、无须电热元件、设备安全性好等诸多优点。空气动力加热炉和产生热能的方法(专利号：200910021648.6)以及一种空气动力加热炉(专利号：201721740321.0)，均是以电机驱动作为加热炉的动力源，电能消耗大，节能效果并不明显；而一种风能制热系统(专利号：201820126602.5)则单纯依靠风能制热，受风速影响较大，空气温升小，实用性有限。同时，喷气增焓空调机组(专利号：CN201710042227.6)则单纯地利用空气与冷媒流动进行热交换，节能效果有限。
考虑到目前国内对于空气能热泵提效方式以电能为主，耗能过大的缺陷，结合我国风能、太阳能资源相对丰富的特点，有必要发明一种综合利用太阳能光伏、光电效应及风能，热效率高的风光互补制热系统。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种综合利用太阳能光伏、光电效应及风能，热效率高的风光互补制热系统。
技术方案：为实现上述目的，本发明的一种风光互补制热系统，包括风能收集装置、空气动力加热炉和PV/T集热器；所述空气动力加热炉内设置有节流孔板和轴流叶片；所述风能收集装置的动力输出端与轴流叶片的动力输入端配合连接；所述轴流叶片驱动空气动力加热炉内的空气穿过节流孔板摩擦升温；所述空气动力加热炉的出气端与PV/T集热器的进气端连通。
进一步地，所述PV/T集热器包括吸热板和太阳能电池板；所述吸热板贴合设置在太阳能电池板下方；所述吸热板对应太阳能电池板之间间隙的部分设置有吸热材料；所述吸热板背向太阳能电池板的一侧上设置有导热管组；所述空气动力加热炉的出气端具体与导热管组连通；所述空气动力加热炉的出气端还设置有半导体加热器；所述半导体加热器的电力输入端与太阳能电池板的电力输出端电性连接。
进一步地，所述风能收集系统包括第一传动轴和旋转叶片；若干所述节流孔板在空气动力加热炉内沿其高度方向间隔分布；所述空气动力加热炉内还设置有第二传动轴；所述第一传动轴与第二传动轴之间通过增速调节器配合连接；所述第二传动轴沿空气动力加热炉高度方向设置，贯穿节流孔板；若干所述轴流叶片安装在第二传动轴上，与相邻节流孔板之间的间隙对应。
进一步地，所述旋转叶片为弯叶垂直轴式升力型，驱动空气动力加热炉内的空气沿高度方向向下流动。
进一步地，所述导热管组包括若干支管；相邻所述支管首尾相连，构成S型风路通道；位于风路通道中段上连通设置有滤尘装置；所述滤尘装置包括通风腔、滤网和集污腔；所述通风腔连通设置在支管上；所述滤网与通风腔侧面铰接相连，通风腔上下端为曲面，与滤网边缘的旋转路径贴合；所述通风腔侧壁上设置有排气口；所述排气口内设置有密封活塞；所述集污腔连通设置在排气口处；所述排污腔由过滤网围合而成；所述通风腔在沿风路方向的两侧上嵌设有第一封闭块和第二封闭块。
进一步地，所述空气动力加热炉和导热管组之间连通设置有导管；所述导管包括转接盘、第一管体和第二管体；所述转接盘上设置有第一接口和第二接口；所述第一接口、第二接口分别连接导热管组的两端；所述第一管体和第二管体绕两者的对称轴旋转，且面向转接盘一侧的旋转路径与第一接口、第二接口位置对应；所述第一管体远离转接盘的一端与空气动力加热炉的出气端连通；所述第二管体远离转接盘的一端与用气设备的进气端连通。
进一步地，所述吸热板包括第一板体、第二板体和夹持件；所述第二板体固定设置在第一板体背向太阳能电池板的一侧；所述导热管组设置在第一板体、第二板体之间；所述夹持件与支管贴合，与第一板体、第二板体固定连接。
进一步地，所述第二板体采用隔热材料制成；所述夹持件采用石墨制成，与第一板体钎焊固定。
有益效果：本发明的一种风光互补制热系统，包括风能收集装置、空气动力加热炉和PV/T集热器；所述空气动力加热炉内设置有节流孔板和轴流叶片；所述风能收集装置的动力输出端与轴流叶片的动力输入端配合连接；所述轴流叶片驱动空气动力加热炉内的空气穿过节流孔板摩擦升温；所述空气动力加热炉的出气端与PV/T集热器的进气端连通；通过风能与光能有机结合来提高空气能热泵的入口温度，从而提高空气能热泵低温条件下的能效系数和工作的可靠性和热量利用效率。
附图说明
附图1为制热系统剖视图；
附图2为制热系统整体示意图；
附图3为节流孔板结构示意图；
附图4为滤尘装置结构示意图；
附图5为导管结构示意图；
附图6为吸热板结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种风光互补制热系统，如附图1和附图2所示，包括风能收集装置1、空气动力加热炉8和PV/T集热器15；所述空气动力加热炉8内设置有节流孔板6和轴流叶片7；所述风能收集装置1的动力输出端与轴流叶片7的动力输入端配合连接；所述轴流叶片7驱动空气动力加热炉8内的空气穿过节流孔板6摩擦升温；所述空气动力加热炉8的出气端与PV/T集热器15的进气端连通，经过升温的空气进入PV/T集热器15内通过进一步加热，最后传输至空气能热泵等用气设备中，因为气体的初始温度升高，所以用气设备在升温上所花费的耗电量大大减少，从而达到节能的效果；且空气动力加热炉8的动力来源是风能收集装置1所收集的风能，摆脱了传统空气能设备对电机的依赖，真正意义上实现了节能环保；对于风能输出稳定性和输出量不如电机稳定的问题，本方案中通过PV/T集热器15借助太阳能对输入用气设备之前的空气进行二次加热，从而增强了制热系统的整体加热能力，显著提高了系统的实用性和节能效果。
所述PV/T集热器15包括吸热板13和太阳能电池板14，上述组件通过支撑架17和承重的壳体18保持位置稳定；所述太阳能电池板14朝阳一侧表面设置有玻璃盖板12，可以保护电池板不被刮花撞击；所述吸热板13贴合设置在太阳能电池板14下方，将太阳能电池板14工作时散发的热量转移至自身；所述吸热板13对应太阳能电池板14之间间隙的部分设置有深色的吸热材料，可以进一步增加单位时间内所积蓄的热量；所述吸热板13背向太阳能电池板14的一侧上设置有导热管组16，可以将吸热板13上的热量传导至管壁上；所述空气动力加热炉8的出气端具体与导热管组16连通，空气在通过导热管组16时与管壁接触，温度升高，从而达到令空气升温的目的；所述空气动力加热炉8的出气端还设置有半导体加热器9；所述半导体加热器9的电力输入端与太阳能电池板14的电力输出端电性连接，半导体的热端置于空气动力加热炉8内，冷端置于空气动力加热炉8外；通过利用太阳能电池为半导体提供电能，半导体产生帕尔贴效应从而令热端发热，这样就能对流出空气动力加热炉8的空气进行加热，提升制热系统的加热效果和低温环境的适应能力；炉体底部周向布置七块半导体；炉壁整体采用双层保温结构，导管采用岩棉管保温，PV/T集热器15的背面及侧面采用玻璃纤维保温，防止能量损失。
所述风能收集系统1包括第一传动轴2和旋转叶片3，旋转叶片3在风力作用下产生转动，从而带动第一传动轴2同步旋转；若干所述节流孔板6在空气动力加热炉8内沿其高度方向间隔分布；所述空气动力加热炉8内还设置有通过固定架11进行稳固的第二传动轴5；所述第一传动轴2与第二传动轴5之间通过增速调节器4配合连接；增速调节器4可采用变速齿轮组，实现第一传动轴2与第二传动轴5之间从低速到高速的转换；所述第二传动轴5沿空气动力加热炉8高度方向设置，贯穿节流孔板6；若干所述轴流叶片7安装在第二传动轴5上，与相邻节流孔板6之间的间隙对应；轴流叶片7将空气动力加热炉8顶部的空气向下吹动，这些空气在穿过节流孔板6的时候依靠摩擦产生的热量提高自身温度，通过多层节流孔板6的逐级加热，最终将热空气从空气动力加热炉8的底部输送出来，这种风能和热能之间的直接转化可以有效降低能量损失，提升能效系数。
在实际安装时，可将风能收集装置1放置在建筑物顶部，从而免去了提升高度的支架，安装时打孔用膨胀螺丝将筒体固定于建筑物之上，保证通风良好，且安全性够高；所述旋转叶片3为弯叶垂直轴式升力型，驱动空气动力加热炉8内的空气沿高度方向向下流动，空气产生的反向推力恰好可以抵消掉一部分设备的自重，从而减小了设备转动时的运行磨损，延长了使用寿命，降低了维护成本。
该系统的工作原理：1)由风能带动风能收集器转动，为加热炉提供动能；2)通过增速装置，将风能收集器所获得的转速提升到轴流叶片所需速度，通过传动轴传递给加热炉；3)基于摩擦生热原理的空气动力加热炉通过轴流叶片高速旋转，摩擦产生高温空气；4)在炉体底部的半导体利用泊尔帖效应，对增温后的空气进行加热，所需电能源于PV/T太阳能电池板；5)加热后的空气进入PV/T集热器中，利用太阳能的热辐射进行最终加热，提升空气温度，其风光结合、优势互补，使用方便。PV/T集热器输出端通过壳体与空气能热泵进气端相连，将高温空气作为空气能热泵的初始空气，以提高空气能热泵进口空气温度，从而提高空气能热泵能量转化效率，拓展其适用范围。
所述导热管组16包括若干支管161；相邻所述支管161首尾相连，构成S型风路通道，来自空气动力加热炉8的空气在S型的风路通道内充分与支管161进行热交换，从而得到充分加热；如附图4所示，位于风路通道中段上连通设置有滤尘装置162；所述滤尘装置162包括通风腔101、滤网102和集污腔103；所述通风腔101连通设置在支管161上；所述滤网102与通风腔101侧面铰接相连，通风腔101上下端为曲面，与滤网102边缘的旋转路径贴合；空气在经过滤网102时，所携带的灰尘颗粒被筛下，从而保证了制热系统供气的洁净度；所述通风腔101侧壁上设置有排气口104；所述排气口104内设置有密封活塞105，活塞如图中双向箭头所示在排气口和排污腔103之间往复移动，控制该通道的打开和关闭；所述集污腔103连通设置在排气口104处；所述排污腔103由过滤网围合而成；所述通风腔101在沿风路方向的两侧上嵌设有第一封闭块106和第二封闭块107；移动通风腔101出风口一侧的封闭块将风路堵住，随后旋转滤网102将腔内空间分隔为上下两部分；空气在进入排污腔103后可直接逸散到空气中，而灰尘颗粒则积攒在腔内，工作人员只需要定期更换清洁即可。
如附图5所示，所述空气动力加热炉8和导热管组16之间连通设置有导管19；所述导管19包括转接盘191、第一管体192和第二管体193；所述转接盘191上设置有第一接口194和第二接口195；所述第一接口194、第二接口195分别连接导热管组16的两端；所述第一管体192和第二管体193绕两者的对称轴旋转，且面向转接盘191一侧的旋转路径与第一接口194、第二接口195位置对应；所述第一管体192远离转接盘191的一端与空气动力加热炉8的出气端连通；所述第二管体193远离转接盘191的一端与用气设备的进气端连通；通过第一管体192和第二管体193的旋转，完成导热管组16的进风口在两端之间的切换，从而有效避免单侧过滤灰尘导致的滤网堵塞现象，大大节省了设备维护成本。
如附图6所述，所述吸热板13包括第一板体131、第二板体132和夹持件133；所述第二板体132固定设置在第一板体131背向太阳能电池板14的一侧；所述导热管组16设置在第一板体131、第二板体132之间；所述夹持件133与支管161贴合，与第一板体131、第二板体132固定连接；通过夹持件133对支管161管壁的包围，显著增加吸热板13和热管之间的换热面积，提高加热效率。
所述第二板体132采用隔热材料制成，防止热量逸散；所述夹持件133采用石墨制成，与第一板体131钎焊固定。
本发明以空气温度从-15℃提高到15℃后供给一台五口之家1.5匹空气源热泵为例，每小时可节省1.003度电，以燃烧煤炭的火力发电为参考，理论上相当于节省0.40千克标准煤，同时减少污染物排放0.29千克粉尘、0.84千克二氧化碳、0.032千克二氧化硫、0.021千克氮氧化物。而与传统热水器相比，一年共可节省5298.57度电，相当于2140.62千克标准煤，同时减少污染物排放1337.89千克粉尘、5351.56千克二氧化碳、160.55千克二氧化硫、80.27千克氮氧化物。
以内蒙地区使用热水器为例，1户家庭采用基于空气动力加热炉的新型风能制热系统后，以1度电花费0.55元计算，每年可节省2649.29元。以整个地区一年的需求量为例，以1度电花费0.55元计算与传统电加热器相比，传统的空气能热水器比电加热热水器可节省3.2亿元，而使用提升初温后的空气能热水器比传统空气能热水器可再节省3.24亿元。
所以，该制热系统在现有空气能设备相比，能量利用率更高，环境适应能力更好，节能效果更显著，具有非常广阔的推广应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种风光互补制热系统，其特征在于：包括风能收集装置（1）、空气动力加热炉（8）和PV/T集热器（15）；所述空气动力加热炉（8）内设置有节流孔板（6）和轴流叶片（7）；所述风能收集装置（1）的动力输出端与轴流叶片（7）的动力输入端配合连接；所述轴流叶片（7）驱动空气动力加热炉（8）内的空气穿过节流孔板（6）摩擦升温；所述空气动力加热炉（8）的出气端与PV/T集热器（15）的进气端连通；
所述PV/T集热器（15）包括吸热板（13）和太阳能电池板（14）；所述吸热板（13）贴合设置在太阳能电池板（14）下方；所述吸热板（13）对应太阳能电池板（14）之间间隙的部分设置有吸热材料；所述吸热板（13）背向太阳能电池板（14）的一侧上设置有导热管组（16）；所述空气动力加热炉（8）的出气端具体与导热管组（16）连通；所述空气动力加热炉（8）的出气端还设置有半导体加热器（9）；所述半导体加热器（9）的电力输入端与太阳能电池板（14）的电力输出端电性连接；
所述风能收集系统（1）包括第一传动轴（2）和旋转叶片（3）；若干所述节流孔板（6）在空气动力加热炉（8）内沿其高度方向间隔分布；所述空气动力加热炉（8）内还设置有第二传动轴（5）；所述第一传动轴（2）与第二传动轴（5）之间通过增速调节器（4）配合连接；所述第二传动轴（5）沿空气动力加热炉（8）高度方向设置，贯穿节流孔板（6）；若干所述轴流叶片（7）安装在第二传动轴（5）上，与相邻节流孔板（6）之间的间隙对应；
所述导热管组（16）包括若干支管（161）；相邻所述支管（161）首尾相连，构成S型风路通道；位于风路通道中段上连通设置有滤尘装置（162）；所述滤尘装置（162）包括通风腔（101）、滤网（102）和集污腔（103）；所述通风腔（101）连通设置在支管（161）上；所述滤网（102）与通风腔（101）侧面铰接相连，通风腔（101）上下端为曲面，与滤网（102）边缘的旋转路径贴合；所述通风腔（101）侧壁上设置有排气口（104）；所述排气口（104）内设置有密封活塞（105）；所述集污腔（103）连通设置在排气口（104）处；所述集污腔（103）由过滤网围合而成；所述通风腔（101）在沿风路方向的两侧上嵌设有第一封闭块（106）和第二封闭块（107）；
所述滤尘装置包括通风腔、滤网和集污腔；所述通风腔连通设置在支管上；所述滤网与通风腔侧面铰接相连，通风腔上下端为曲面，与滤网边缘的旋转路径贴合；空气在经过滤网时，所携带的灰尘颗粒被筛下；所述通风腔侧壁上设置有排气口；所述排气口内设置有密封活塞，活塞在排气口和排污腔之间往复移动，控制该通道的打开和关闭；所述集污腔连通设置在排气口处；所述排污腔由过滤网围合而成；所述通风腔在沿风路方向的两侧上嵌设有第一封闭块和第二封闭块；移动通风腔出风口一侧的封闭块将风路堵住，随后旋转滤网将腔内空间分隔为上下两部分；空气在进入排污腔后可直接逸散到空气中，而灰尘颗粒则积攒在腔内；
所述空气动力加热炉和导热管组之间连通设置有导管；所述导管包括转接盘、第一管体和第二管体；所述转接盘上设置有第一接口和第二接口；所述第一接口、第二接口分别连接导热管组的两端；所述第一管体和第二管体绕两者的对称轴旋转，且面向转接盘一侧的旋转路径与第一接口、第二接口位置对应；所述第一管体远离转接盘的一端与空气动力加热炉的出气端连通；所述第二管体远离转接盘的一端与用气设备的进气端连通；通过第一管体和第二管体的旋转，完成导热管组的进风口在两端之间的切换，避免单侧过滤灰尘导致的滤网堵塞。
2.根据权利要求1所述的一种风光互补制热系统，其特征在于：所述旋转叶片（3）为弯叶垂直轴式升力型，驱动空气动力加热炉（8）内的空气沿高度方向向下流动。
3.根据权利要求1所述的一种风光互补制热系统，其特征在于：所述吸热板（13）包括第一板体（131）、第二板体（132）和夹持件（133）；所述第二板体（132）固定设置在第一板体（131）背向太阳能电池板（14）的一侧；所述导热管组（16）设置在第一板体（131）、第二板体（132）之间；所述夹持件（133）与支管（161）贴合，与第一板体（131）、第二板体（132）固定连接。
4.根据权利要求3所述的一种风光互补制热系统，其特征在于：所述第二板体（132）采用隔热材料制成；所述夹持件（133）采用石墨制成，与第一板体（131）钎焊固定。
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