CN110145796A - 一种太阳能支撑的微能源网 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太阳能支撑的微能源网，包括太阳能光伏与复合集热一体装置部分、太阳能热泵供暖部分、土壤源热泵供暖部分、土壤源制冷空调部分、太阳能跨季储能部分、室内环境能储能部分、光电转换与智能控制的微电网部分、微能源网控制器，其特征是：供暖、制冷、太阳能跨季储能、室内环境能跨季储能部分共享地埋管换热器；太阳能供暖、太阳能跨季储能部分共享排管集热器；供暖、室内环境能跨季储能部分共享散热系统；微能源网控制器控制整个微能源网实现太阳能的高效吸收，及微能源网内能源的合理分配。其优点是：利用太阳能、土壤冷量、土壤储能和光伏发电等组成微能源网，实现整个系统内供暖、供冷、供电。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能支撑的微能源网，属于太阳能光电利用、热利用技术和微能源互联网领域。
背景技术
应对能源紧缺问题，提高开发利用太阳能等清洁资源的效率，前人做过众多相关相关研究。热泵系统蒸发器与太阳能光伏集热器复合热源装置（文件1：CN201246923Y），包括复合热源集热蒸发器、热泵热水系统和光电转化与蓄存装置，该装置的核心部件为对流型光电转化强化与光热回收全工况复合热源装置，该装置采用光伏电池板吸收太阳光能，同时空气将所得热量释放给固定在集热板背面的热泵系统蒸发器，从而能起到提升热泵蒸发温度的效果，提高热泵运行效率；此外，由于Z型旋转风门的设置，使得在太阳辐射较弱或没有太阳辐射时，热泵系统蒸发器能吸收环境空气中热量作为能量补充，进而保证热泵系统的连续运行。一种太阳能土壤源热泵联合互补供能的一体化系统（文件2：CN107166802A）中涉及一种太阳能土壤源热泵联合互补供能的一体化系统，实现将太阳能与土壤源热泵相结合，将全年的太阳热能储存起来，在供暖季使用，但专利中仅仅涉及到跨季储能采暖，并没有有效的利用夏季土壤源中的低温特性，没有夏季进行土壤源空调制冷，也没有制冷时把室内环境能储存于土壤。太阳能空气混合源热泵恒温供暖系统（文件3：CN107120719A）中涉及一种太阳能混合源热泵恒温供暖系统，专利中铝排管集热器裸露在大气环境中，当铝排管温度低于大气温度时，大气热能将传递给铝排管集热器，可同时吸收太阳能和空气热能，极大提高了集热器的集热效率，且成本低，效率高。但相同太阳辐射面积下又缺少光电转换产生的电能，且只是对太阳能单一的供暖利用。基于跨季节蓄热的太阳能土壤源热泵耦合空调供暖系统（文件4：CN205316456U）中涉及基于跨季节蓄热的太阳能土壤源热泵耦合空调供暖系统，主要针对严寒和寒冷地区供暖季吸热量远大于供冷季排热量的地区，利用太阳能集热器收集非供热季的太阳能，通过地埋管换热器储存到土壤中，在供热季通过土壤源热泵把热量取出进行供热，可实现夏季供冷，冬季供暖，其他季节蓄热，维持地下土壤以年为周期的热平衡。文件1不能利用土壤源，文件2、3、4没有利用光伏发电，文件1、2、3、4各个装置相对独立运行，没有把太阳能、空气源、环境能、室内环境能、土壤源合理调配进行供热、供冷、供电、储能形成微能源网，从而整体地、一体地、智能感知自主控制地运行，更有效提高能源利用率和提高可再生能源的利用率。
发明内容
针对上述分析，本发明的目的是为了克服上述技术现存的不足，提供一种太阳能支撑的微能源网。
本发明的目的是通过以下方式实现的：
一种太阳能支撑的微能源网，包括太阳能光伏与复合集热一体装置部分、太阳能热泵供暖部分、土壤源热泵供暖部分、土壤源制冷空调部分、太阳能跨季储能部分、室内环境能储能部分、光电转换与智能控制的微电网部分、微能源网控制器，其中：太阳能光伏与复合集热一体装置部分包括太阳能光伏电池和排管集热器，太阳能热泵供暖部分包括排管集热器、第一压缩机、第一膨胀阀、第一换热器、第一电磁阀、散热系统、第一循环水泵，土壤源热泵供暖部分包括地埋管换热器、第二循环水泵、第三电磁阀、第二换热器、第二压缩机、第二膨胀阀、第三换热器、散热系统、第一循环水泵，土壤源制冷空调部分包括地埋管换热器、第二循环水泵、第四电磁阀、风机盘管，太阳能跨季储能部分包括排管集热器、第一压缩机、第一膨胀阀、第一换热器、第二电磁阀、第二循环水泵、地埋管换热器，室内环境能储能部分包括地埋管换热器、第二循环水泵、第二电磁阀、第一电磁阀、散热系统、第一循环水泵，光电转换与智能控制的微电网部分包括分布式电源控制器、并网变流器、选择性开关，其特征是：土壤源热泵供暖部分、土壤源制冷空调部分、太阳能跨季储能部分、室内环境能跨季储能部分共享地埋管换热器和第二循环水泵；太阳能热泵供暖部分、太阳能跨季储能部分共享排管集热器；太阳能热泵供暖部分、土壤源热泵供暖部分、室内环境能跨季储能部分共享散热系统和第一循环水泵；通过微能源网控制器使整个微能源网实现太阳能的高效吸收、实现微能源网内能源的合理分配利用，在采暖季，有阳光时采用太阳能热泵供暖部分供暖，或者太阳能热泵供暖部分与土壤源热泵供暖部分联合供暖，没有阳光时采用土壤源热泵供暖部分供暖；在制冷季，运行土壤源制冷空调部分对室内制冷，同时将土壤源制冷空调运行时，吸收的室内环境能通过地埋管换热器传递到地下土壤储存；在非采暖季，运行太阳能跨季储能部分，将太阳能光伏与复合集热一体装置部分吸收的太阳能通过地埋管换热器传递到地下土壤储存；微能源网控制器智能感知土壤中储存的热能，储存的热能充足时，自主控制提高太阳能光伏与复合集热一体装置部分中的排管集热器获得的热能温度，以便提高整体能效。
太阳能热泵将太阳能光伏与复合集热一体装置部分中的排管集热器作为蒸发器，热泵工质与用户侧的第一换热器作为冷凝器，冷凝器把热能传递到用户侧循环水，散热系统再把用户侧循环水承载的热能传递到室内，供室内采暖；
土壤源热泵将第三换热器作为蒸发器，热泵工质与用户侧第二换热器作为冷凝器，地埋管换热器从土壤源获得热能，地埋管换热器的工质是水，工质水承载的热能通过第三换热器传递到土壤源热泵工质，通过冷凝器把热能传递到用户侧循环水，散热系统再把用户侧循环水承载的热能传递到室内，供室内采暖。
在制冷季，运行土壤源制冷空调，第二循环水泵开启，第四电磁阀打开，循环水承载的土壤冷量通过风机盘管传递到室内，向室内供应空调冷气。
在制冷季，运行土壤源制冷空调，同时开启第一、第二循环水泵，打开第一、第二电磁阀，循环水承载的土壤冷量通过散热系统传递到室内，向室内供应空调冷气；同时将土壤源制冷空调运行时，吸收的室内环境能通过地埋管换热器传递到地下土壤储存。
在非采暖季，太阳能跨季储能部分运行，将太阳能光伏与复合集热一体装置获得的热能，通过地埋管换热器传递到地下土壤储存，维持地下土壤的热平衡。
所述的太阳能光伏与复合集热一体装置是将太阳能光伏电池和板式的排管集热器以导热材料结合到一体。
所述的太阳能光伏与复合集热一体装置，在太阳能跨季储能的同时实现了光伏电池板的降温，可提高光电转换效率。
太阳能光伏与复合集热一体装置在同一个太阳辐照面积的前提下，可同时获得电能和热能，产生的电能经微电网光伏电源控制器用于维持微能源网内用电设备的运行，用电盈余时经并网变流器输送至大电网，避免额外的电能损失，可减少来自微能源网以外的电能补充。
所述的土壤源制冷空调部分，将土壤中的低温热源与室内的相对高温环境能通过热交换，实现夏季室内空调制冷，同时室内环境能储存于土壤，有利于土壤热平衡。
所述光电转换与智能控制的微电网部分中的选择性开关决定着电能的走向，开向分布式电源控制器时，光伏电池为系统供电；当开向并网变流器时，光伏系统发出的电能并向大电网。
所述光电转换与智能控制的微电网部分中的并网变流器可将光伏产生的直流电变换为与大电网同幅、同频、同相的交流电，并输送至大电网存储。
所述微能源网控制器可根据微能源网状态进行微能源网的智能感知与自主控制。
本发明的优点是：利用热能、制冷量和电能等组成微能源网，实现整个系统内冬夏季能量的合理调配，提高整个系统的能量利用效率。地埋管换热器与土壤源热泵供暖部分、土壤源制冷空调部分、太阳能跨季储能部分、室内环境能跨季储能部分相关联，供暖、制冷、跨季储能功能的实现用的是同一个地埋管换热器。太阳能光伏与复合集热一体装置部分与光电转换与智能控制的微电网部分、太阳能热泵供暖部分、土壤源热泵供暖部分、土壤源制冷空调部分、太阳能跨季储能部分相关联，这些功能的实现用的是同一个太阳能光伏与复合集热一体装置。这种太阳能支撑的微能源网并不是光伏发电、太阳能土壤源联合热泵采暖、土壤源制冷空调设备的简单独立组合使用，而是把太阳能、空气源、室内环境能、土壤源合理调配进行供热、供冷、供电、储能形成微能源网，微能源网整体地、一体地、智能感知自主控制地运行。太阳能热泵供暖为直接膨胀式热泵系统，土壤源热泵供暖为间接膨胀式热泵系统，两者联合供暖可合理调配太阳能和土壤源热能，从而提高一个采暖期的能效。北方寒冷地区，土壤源热能经过地埋管换热器传递到循环水，循环水温在10℃左右，循环水冷量直接用于制冷。普通压缩式制冷空调机组，冷凝器在室外机中，冷凝温度在40-60℃之间，本发明土壤源制冷空调冷凝温度在10℃左右，因此，本发明土壤源制冷空调能效系数COP远大于普通压缩式制冷空调机组能效系数COP，大大降低了电能消耗。
附图说明
图1是本发明的太阳能支撑的微能源网的示意图；
图2是太阳能热泵供暖部分和土壤源热泵供暖部分的示意图；
图3是土壤源制冷空调部分和太阳能跨季储能部分的示意图；
图4是室内环境能储能部分的示意图；
图5是太阳能光伏与复合集热一体装置部分的结构示意图。
图中：1、太阳能光伏与复合集热一体装置，2-1、第一电磁阀，2-2、第二电磁阀，2-3、第三电磁阀，2-4、第四电磁阀，3-1、第一压缩机，3-2、第一压缩机，4-1、第一膨胀阀，4-2、第二膨胀阀，5-1、第一换热器，5-2、第二换热器，5-3、第三换热器，6-1、第一循环水泵，6-2、第二循环水泵，7、是散热系统，8、风机盘管，9、地埋管换热器，10、分布式电源控制器，11、并网变流器，12、选择性开关，13、光伏电池，14、导热材料，15、光伏电池的末端引出正负极，16、排管集热器，17、排管集热器的工质流动部分，18、微能源网控制器。
具体实施方式
参照附图1，一种太阳能支撑的微能源网，包括太阳能光伏与复合集热一体装置部分、太阳能热泵供暖部分、土壤源热泵供暖部分、土壤源制冷空调部分、太阳能跨季储能部分、室内环境能储能部分、光电转换与智能控制的微电网部分、微能源网控制器18，地埋管换热器9是微能源网的一个部件，该部件共享于土壤源热泵供暖部分、土壤源制冷空调部分、太阳能跨季储能部分、室内环境能跨季储能部分，即：土壤源热泵供暖部分、土壤源制冷空调部分、太阳能跨季储能部分、室内环境能跨季储能部分用同一个地埋管换热器；光伏与复合集热一体装置1是微能源网的一个部件，该部件共享于太阳能热泵供暖部分、土壤源热泵供暖部分、土壤源制冷空调部分、太阳能跨季储能部分、光电转换与智能控制的微电网部分，即：太阳能热泵供暖部分、土壤源热泵供暖部分、土壤源制冷空调部分、太阳能跨季储能部分、光电转换与智能控制的微电网部分用同一个光伏与复合集热一体装置。太阳能热泵供暖部分、土壤源热泵供暖部分共享第一循环水泵6-1。
参照附图1、5，附图5是附图1的一部分，太阳能光伏与复合集热一体装置1，主要由太阳能光伏电池13和排管集热器16组成，两者之间以导热材料14连接，其中：太阳能光伏电池的末端引出正负极15，用于连接系统内用电设备或储存；排管集热器16主要由传热翅片和排管集热器的工质流动部分17组成。排管集热器的工质流动部分17内流动制热工质。
参照附图1、2，附图2是附图1 的一部分，在采暖季，太阳能光伏与复合集热一体装置1的排管集热器16作为太阳能热泵的蒸发器，热泵工质与用户侧循环水第一换热器5-1作为冷凝器，冷凝器把热能传递到用户侧循环水，散热系统7再把用户侧循环水承载的热能传递到室内，供室内采暖；土壤源热泵供暖的热能来源于地埋管换热器9获得的土壤源热能，地埋管换热器9的工质是水，工质水承载的热能通过第三换热器5-3传递到热泵工质，该第三换热器5-3作为土壤源热泵的蒸发器，热泵工质与用户侧循环水第二换热器5-2作为冷凝器，通过冷凝器把热能传递到用户侧循环水，散热系统7再把用户侧循环水承载的热能传递到室内，供室内采暖。有阳光时采用太阳能热泵供暖，或者太阳能热泵与土壤源热泵联合供暖。没有阳光时采用土壤源热泵供暖。智能感知土壤中储存的热能，储存的热能充足时，自主控制提高太阳能光伏与复合集热一体装置1中排管集热器16获得的热能温度，以便提高整体能效。
参照附图1、3，附图3是附图1 的一部分，夏季制冷时，运行土壤源制冷空调，第二循环水泵6-2开启，第四电磁阀2-4打开，土壤源制冷空调循环水回路是地埋管换热器9、第二循环水泵6-2、第四电磁阀2-4、风机盘管8、地埋管换热器9，循环水承载的土壤冷量通过风机盘管8传递到室内，向室内供应空调冷气。北方寒冷地区，土壤源热能经过地埋管换热器传递到循环水，循环水温在10℃左右，循环水冷量直接用于制冷。
参照附图1、4，附图4是附图1 的一部分，夏季制冷时，散热系统7是风机盘管类的，运行土壤源制冷空调，第一循环水泵6-1、第二循环水泵6-2开启，第一电磁阀2-1、第二电磁阀2-2打开，土壤源制冷空调循环水回路是地埋管换热器9、第二循环水泵6-2、第二电磁阀2-2、第一电磁阀2-1、风机盘管类型的散热系统7、第一循环水泵6-1、地埋管换热器9，循环水承载的土壤冷量通过风机盘管类型的散热系统7传递到室内，向室内供应空调冷气。
参照附图1、3、4，在非采暖季，跨季储能部分运行，热能通过地埋管换热器9换热后存储于地下土壤，热能来源有两部分：一部分是光伏与复合集热一体装置1获得的热能；另一部分是土壤源制冷空调运行时，吸收的室内环境能。将太阳能光伏与复合集热一体装置1获得的热能，通过地埋管换热器9传递到地下土壤储存，维持地下土壤的热平衡，此时，来自太阳能的热能温度高于地下土壤，可以采用热管技术进行热传递；在夏季，土壤源制冷空调运行时，吸收的室内环境能同时传递到地下土壤储存，在室内进行空调制冷，同时实现土壤中的蓄热，实现跨季节储能。整个微能源网可以实现太阳能的高效吸收，实现微能源网内能源的合理分配利用，提高整个系统的能源利用性能系数。
参照附图1，光电转换与智能控制的微电网部分，Wpv是太阳能光伏电池13输出的电能，W是微电网供给热能系统的电能，Ws是本微能源网与大电网交换的电能。在太阳能光伏电池的末端引出正负极15引线接出的输电线，经过选择性开关12，系统运行时，选择性开关开向分布式电源控制器10，分布式电源控制器10对电能进行逆变、稳压等进行控制，维持系统内用电设备的正常运行。微能源网控制器18对整个微能源网进行智能感知与自主控制。
参照附图1、5，太阳能光伏与复合集热一体装置1，太阳能跨季储能的同时实现了光伏电池板的降温，可提高光电转换效率。
参照附图1、2，太阳能热泵供暖为直接膨胀式热泵系统，土壤源热泵供暖为间接膨胀式热泵系统，两者联合供暖可合理调配太阳能和土壤源热能，从而提高一个采暖期的能效。
参照附图1、3、4，土壤源制冷空调部分，将土壤中的低温热源与室内的相对高温环境能通过热交换，实现夏季室内空调制冷，同时室内环境能储存于土壤，有利于土壤热平衡。
参照附图1，光电转换与智能控制的微电网部分中并网变流器11可将光伏产生的直流电变换为与大电网同幅、同频、同相的交流电，并输送至大电网存储。
参照附图1，光电转换与智能控制部分中选择性开关决定着电能的走向，开向分布式电源控制器10时，光伏电池13为太阳能支撑的微能源网系统供电；当开向并网变流器11时，光伏系统发出的电能并向大电网。
所述的微能源网控制器18可根据微能源网状态进行微能源网的智能感知与自主控制。
参照附图1，当光伏电池13产生的电能不足以维持系统内用电设备运行时，系统的用电量需经过大电网的补充；当系统运行于非用电高峰期时，光伏电池13产生的电能存在盈余，此时选择性开关12开向并网变流器11，将盈余的电能并入大电网。
Claims (7)
1.一种太阳能支撑的微能源网，包括太阳能光伏与复合集热一体装置部分、太阳能热泵供暖部分、土壤源热泵供暖部分、土壤源制冷空调部分、太阳能跨季储能部分、室内环境能储能部分、光电转换与智能控制的微电网部分、微能源网控制器，其中：太阳能光伏与复合集热一体装置部分包括太阳能光伏电池和排管集热器，太阳能热泵供暖部分包括排管集热器、第一压缩机、第一膨胀阀、第一换热器、第一电磁阀、散热系统、第一循环水泵，土壤源热泵供暖部分包括地埋管换热器、第二循环水泵、第三电磁阀、第二换热器、第二压缩机、第二膨胀阀、第三换热器、散热系统、第一循环水泵，土壤源制冷空调部分包括地埋管换热器、第二循环水泵、第四电磁阀、风机盘管，太阳能跨季储能部分包括排管集热器、第一压缩机、第一膨胀阀、第一换热器、第二电磁阀、第二循环水泵、地埋管换热器，室内环境能储能部分包括地埋管换热器、第二循环水泵、第二电磁阀、第一电磁阀、散热系统、第一循环水泵，光电转换与智能控制的微电网部分包括分布式电源控制器、并网变流器、选择性开关，其特征是：土壤源热泵供暖部分、土壤源制冷空调部分、太阳能跨季储能部分、室内环境能跨季储能部分共享地埋管换热器和第二循环水泵；太阳能热泵供暖部分、太阳能跨季储能部分共享排管集热器；太阳能热泵供暖部分、土壤源热泵供暖部分、室内环境能跨季储能部分共享散热系统和第一循环水泵；通过微能源网控制器使整个微能源网实现太阳能的高效吸收、实现微能源网内能源的合理分配利用，在采暖季，有阳光时采用太阳能热泵供暖部分供暖，或者太阳能热泵供暖部分与土壤源热泵供暖部分联合供暖，没有阳光时采用土壤源热泵供暖部分供暖；在制冷季，运行土壤源制冷空调部分对室内制冷，同时将土壤源制冷空调运行时，吸收的室内环境能通过地埋管换热器传递到地下土壤储存；在非采暖季，运行太阳能跨季储能部分，将太阳能光伏与复合集热一体装置部分吸收的太阳能通过地埋管换热器传递到地下土壤储存；微能源网控制器智能感知土壤中储存的热能，储存的热能充足时，自主控制提高太阳能光伏与复合集热一体装置部分中的排管集热器获得的热能温度，以便提高整体能效。
2.根据权利要求1所述的太阳能支撑的微能源网，其特征是：太阳能光伏电池和排管集热器之间以导热材料连接。
3.根据权利要求1所述的太阳能支撑的微能源网，其特征是：太阳能热泵将太阳能光伏与复合集热一体装置部分中的排管集热器作为蒸发器，热泵工质与用户侧的第一换热器作为冷凝器，冷凝器把热能传递到用户侧循环水，散热系统再把用户侧循环水承载的热能传递到室内，供室内采暖。
4.根据权利要求1所述的太阳能支撑的微能源网，其特征是：土壤源热泵将第三换热器作为蒸发器，热泵工质与用户侧第二换热器作为冷凝器，地埋管换热器从土壤源获得热能，地埋管换热器的工质是水，工质水承载的热能通过第三换热器传递到土壤源热泵工质，通过冷凝器把热能传递到用户侧循环水，散热系统再把用户侧循环水承载的热能传递到室内，供室内采暖。
5.根据权利要求1所述的太阳能支撑的微能源网，其特征是：运行土壤源制冷空调，第二循环水泵开启，第四电磁阀打开，循环水承载的土壤冷量通过风机盘管传递到室内，向室内供应空调冷气。
6.根据权利要求1所述的太阳能支撑的微能源网，其特征是：运行土壤源制冷空调，同时开启第一、第二循环水泵，打开第一、第二电磁阀，循环水承载的土壤冷量通过散热系统传递到室内，向室内供应空调冷气。
7.根据权利要求1所述的太阳能支撑的微能源网，其特征是：光电转换与智能控制部分中选择性开关开向分布式电源控制器时，光伏电池为太阳能支撑的微能源网系统供电；当开向并网变流器时，光伏电池发出的电能并向大电网。
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