CN112197333A - 基于光伏发电余热的地源热泵供暖系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于光伏发电余热的地源热泵供暖系统，包括：光伏发电系统，用于将采集的太阳能转换为电能和热能；光伏余热利用系统，用于将所述光伏发电系统输出的热能通过冷却介质转移至土壤蓄热；地源热泵供暖系统，用于利用土壤储存的热能为用户采暖；以及控制系统，用于在所述光伏发电系统接收的太阳辐射强度大于预设强度或者所述光伏发电系统的温度大于预设温度时控制所述光伏余热利用系统工作且所述地源热泵供暖系统停止工作，否则，控制所述光伏余热利用系统停止工作且所述地源热泵供暖系统工作。上述供暖系统提高了光电转换效率，实现了系统的节能环保，还提高了可再生能源的利用效率。

Description

基于光伏发电余热的地源热泵供暖系统
技术领域
本发明涉及太阳能光伏光热技术领域，特别是涉及一种基于光伏发电余热的地源热泵供暖系统。
背景技术
目前，由于太阳能具有可再生、无污染等优点而被广泛应用，例如可以将太阳能作为用户进行采暖的能源。
然而，传统的供暖系统在对太阳能的采集和为用户供暖同时进行，如此，对太阳能的利用率较低。
发明内容
基于此，有必要针对传统技术中对太阳能利用率较低的问题，提供一种基于光伏发电余热的地源热泵供暖系统。
一种基于光伏发电余热的地源热泵供暖系统，包括：
光伏发电系统，用于采集太阳能，并将采集的太阳能转换为电能和热能；
光伏余热利用系统，与所述光伏发电系统连接，用于将所述光伏发电系统输出的热能通过冷却介质转移至土壤蓄热；
地源热泵供暖系统，与所述光伏余热利用系统连接，用于利用土壤储存的热能为用户采暖；以及
控制系统，与所述光伏发电系统、所述光伏余热利用系统以及所述地源热泵供暖系统连接；所述控制系统用于在所述光伏发电系统接收的太阳辐射强度大于预设强度或者所述光伏发电系统的温度大于预设温度时控制所述光伏余热利用系统工作且所述地源热泵供暖系统停止工作，否则，控制所述光伏余热利用系统停止工作且所述地源热泵供暖系统工作。
上述供暖系统完全利用可再生的太阳能转换为电能，剩余部分太阳能转换为热能，并且根据采暖季和非采暖季提出了不同的运行模式，在非采暖季利用光伏余热利用系统储存热能以满足采暖季为用户供暖所需热量，不但提高了光电转换效率，实现了系统的节能环保，还提高了可再生能源的利用效率。
在其中一个实施例中，所述光伏发电系统包括：
光伏板，用于采集太阳能；以及
集热器，设置于所述光伏板上；
其中，所述集热器包括：
电池板；
集热器本体，与所述电池板连接，所述集热器本体用于将所述光伏板所采集的太阳能的一部分转换为电能存储在所述电池板内，并将所述光伏板所采集的太阳能的另一部分转换为热能；
保温层，设置于所述集热器本体上，用于减少所述集热器本体的热散失；
玻璃盖板，设置于所述电池板上以保护所述电池板；以及
外壳，所述电池板、所述集热器本体、所述保温层以及所述玻璃盖板均设置于所述外壳内部。
在其中一个实施例中，所述光伏板与竖直方向之间的夹角为36度～40度。
在其中一个实施例中，所述光伏板的数量至少大于等于两个，各所述光伏板呈阵列排布；
其中，对于相邻两个所述光伏板，其中一个所述光伏板的顶部与太阳之间的连线的延长线低于另一个所述光伏板的底部，或者其中一个所述光伏板的顶部与太阳之间的连线的延长线与另一个所述光伏板的底部相交。
在其中一个实施例中，所述光伏余热利用系统包括：
第一阀门；
第二阀门
水箱，所述第一阀门连接于所述光伏发电系统和所述水箱之间；所述第二阀门连接于所述水箱和进水口之间；
第一水泵；
第三阀门；
分水器，所述第一水泵和所述第三阀门依次连接于所述光伏发电系统和所述分水器之间；
第四阀门；
集水器，所述第四阀门连接于所述光伏发电系统和所述分水器之间；以及
地埋管，设置于地下土壤内，所述地埋管连接于所述集水器和所述分水器之间。
在其中一个实施例中，所述地埋管包括竖直埋管或水平埋管。
在其中一个实施例中，所述地埋管包括聚丁烯管或聚乙烯管。
在其中一个实施例中，所述地源热泵供暖系统包括：第二水泵、第三水泵，第五阀门、第六阀门、第七阀门、第八阀门、第九阀门以及热泵机组；所述第二水泵的一端连接于所述第三阀门和所述分水器之间，所述第二水泵的另一端与所述第五阀门的一端连接，所述第五阀门的另一端与所述热泵机组的第一连接端连接；所述第六阀门的一端连接于所述第四阀门和所述集水器之间，所述第六阀门的另一端与所述热泵机组的第二连接端连接；所述热泵机组的第三连接端、所述第七阀门、用户端的供暖设备、第九阀门、第三水泵、第八阀门以及所述热泵机组的第四连接端依次连接。
在其中一个实施例中，所述预设强度为100W/m2～200W/m2。
在其中一个实施例中，所述预设温度为250K～350K。
附图说明
图1为一实施例中的基于光伏发电余热的地源热泵供暖系统的结构示意图。
图2为一实施例中的光伏板的示意图。
附图标记说明：
110、光伏发电系统；120、光伏余热利用系统；130、地源热泵供暖系统；111、光伏板；112、集热器；1211、第一阀门；1212、第二阀门；1213、第三阀门；1214、第四阀门；122、水箱；123、第一水泵；124、分水器；125、集水器；126、地埋管；1311、第二水泵；1312、第三水泵；1321、第五阀门；1322、第六阀门；1323、第七阀门；1324、第八阀门；1325、第九阀门；133、热泵机组；140、用户端的供暖设备；151、第一温度传感器；152、第二温度传感器；153、第三温度传感器。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
图1为一实施例中的基于光伏发电余热的地源热泵供暖系统的结构示意图。如图1所示，基于光伏发电余热的地源热泵供暖系统(以下简称供暖系统)包括光伏发电系统、光伏余热利用系统120、地源热泵供暖系统130以及控制系统(图未示出)。
光伏发电系统110用于采集太阳能，并将采集的太阳能的一部分转换为电能，通过电缆传输将转换得到的电能提供给用户的用电设备或者通过蓄电池将转换得到的电能储存起来以作为备用电源，光伏发电系统110将所采集的剩余太阳能转换为热能，从而实现太阳能的余热利用。光伏余热利用系统120与光伏发电系统110连接。光伏余热利用系统120用于将光伏发电系统110输出的热能通过诸如冷却水等冷却介质转移至土壤蓄热。地源热泵供暖系统130与光伏余热利用系统120连接，利用土壤储存的热能为用户采暖。
控制系统与光伏发电系统110、光伏余热利用系统120以及地源热泵供暖系统130连接。控制系统用于在光伏发电系统110接收的太阳辐射强度大于预设强度或者光伏发电系统110的温度大于预设温度时控制光伏发电系统110工作且地源热泵供暖系统130停止工作，否则，控制光伏发电系统110停止工作且地源热泵供暖系统130工作。
具体的，控制系统根据采暖季和非采暖季控制供暖系统运行于不同的模式，控制系统在判断到光伏发电系统110接收的太阳辐射强度大于预设强度或者光伏发电系统110的温度大于预设温度时判定为本时间段处于非采暖季(例如，4月1日至10月31日)，在光伏发电系统110接收的太阳辐射强度小于等于预设强度或者光伏发电系统110的温度小于等于预设温度时判定为本时间段处于采暖季(例如，11月1日至3月31日)。预设强度和预设温度可以根据需求进行设置，预设强度可以为100W/m2～200W/m2，预设温度为250K～350K。例如，设置预设强度为150W/m2，预设温度为297.867K。
在非采暖季，控制系统控制光伏余热利用系统120与光伏发电系统110之间连通，光伏余热利用系统120利用循环流动的冷却介质吸收光伏余热并进行储存，并且控制且地源热泵供暖系统130与光伏余热利用系统120之间断开，地源热泵供暖系统130停止向用户供暖。在采暖季，控制系统控制地源热泵供暖系统130与光伏余热利用系统120之间连通，地源热泵供暖系统130利用光伏余热利用系统120储存的热能向用户供暖，并且控制光伏余热利用系统120与光伏发电系统110之间断开，避免冷却介质由于温度过低结冰而损坏设备。
上述供暖系统完全利用可再生的太阳能转换为电能，剩余部分太阳能转换为热能，并且根据采暖季和非采暖季提出了不同的运行模式，在非采暖季利用光伏余热利用系统120储存热能以满足采暖季为用户供暖所需热量，不但提高了光电转换效率，实现了系统的节能环保，还提高了可再生能源的利用效率。
在一实施例中，光伏发电系统110包括光伏板111和集热器112。光伏板111用于采集太阳能。集热器112设置于光伏板111上，将光伏板111所采集的一部分太阳能转换为电能，并将光伏板111所采集的另一部分太阳能转换为热能。
光伏板111的面积可以根据(Q/GDW1867-2012)小户型用户光伏发电系统110并网技术规定设计。考虑220V单相的最大载荷量在8kW左右，常用单相户用表计的最大容量也是8kW，因此该标准将220V单相接入的小型户用光伏发电系统110装机容量限定在8kW以内。装机容量更大的工商业用户，需要采用三项接入方式，应按照Q/GDW617《光伏电站接入电网技术规定》执行。选取5kW的光伏系统容量，此时光伏板111的总面积A为29.4327m2。
示例性的，光伏板111的尺寸设置为1650×991×35mm，光伏板111的冷却尺寸设置为1.65m×0.975m，采用尺寸为25mm×13mm的39个方管并联焊接形成光伏板111，光伏板111的两端分别焊接两段方管作为冷却水的进水管和出水管。
示例性的，光伏板111的数量可以至少大于等于两个，各光伏板111呈阵列排布。其中，如图2所示，对于相邻两个光伏板111，其中一个光伏板111的顶部与太阳之间的连线的延长线低于另一个光伏板111的底部，或者其中一个光伏板111的顶部与太阳之间的连线的延长线与另一个光伏板111的底部相交，使得相邻两个光伏板111之间对于太阳辐射不会相互遮挡，提高太阳能利用率。
示例性的，单个光伏板111与竖直方向之间的夹角α为36～40度，例如可以为38度。发明人研究发现，光伏板111的最佳方位是朝向正南方向，并根据光伏电站最佳安装倾角表可以确定最佳安装的倾角为38度。
集热器112包括电池板、集热器本体、保温层、玻璃盖板以及外壳。电池板与集热器本体可以通过层压的方式连接。集热器本体用于将光伏板111所采集的太阳能的一部分转换为电能存储在电池板内，并将光伏板111所采集的太阳能的另一部分转换为热能并通过光伏余热利用系统120中的冷却介质进行传热。保温层设置于集热器本体上，保温层用于减少集热器本体的热散失。玻璃盖板设置于电池板上以保护电池板，避免外界物质进入到电池板上。电池板、集热器本体、保温层、玻璃盖板均设置于外壳内部，外壳起到保护和固定的作用。
在一实施例中，光伏余热利用系统120包括：第一阀门1211、第二阀门1212、第三阀门1213、第四阀门1214、第一水泵123、水箱122、分水器124、集水器125以及地埋管126。第一阀门1211连接于水箱122和光伏发电系统110的集热器112之间。第二阀门1212连接于水箱122和进水口之间，例如进水口可以是自来水进水口，将自来水作为冷却介质。第一水泵123和第三阀门1213依次连接于分水器124和光伏发电系统110的集热器112之间。第四阀门1214连接于分水器124和光伏发电系统110的集热器112之间。地埋管126设置于地下土壤内，地埋管126连接于集水器125和分水器124之间。
地埋管126是一种可以对土壤进行取热和蓄热的闭式循环，利用地下换热器经管壁与土壤进行热交换，其换热性能的好坏直接影响系统能否正常运行。地埋管126可以包括竖直埋管或水平埋管。竖直埋管的占地面积小，工作性能稳定。竖直埋管的形式包括立柱式状管、套管式管、单管型换热管、小直径螺旋管、大直径螺旋管、蜘蛛状管、单U型管、双U型管。竖直埋管按埋设深度不同可分为浅埋(小于或等于30m)、中埋(31-80m)、深埋(>80m)。水平埋管属于浅层埋管，造价较低，具有较好的经济性，但会受到外界空调季节气候一定程度的影响，占地面积大。水平埋管按照管型可分为两种分别是:直管和螺旋管。按照埋设方式的不同可分为两种类型分别为:单层埋管和多层埋管。
各钻孔之间的地埋管126换热器有两种连接方式:串联和并联。串联连接方式即所有地埋管126换热器连接成一个流体环路，具有单一流通通道。串联连接方式即所有地埋管126换热器连接成多个流体环路。对于串联方式来说，系统的管径大，所以相较于并联系统，串联系统的单位管长的换热能力更高，但串联系统的安装成本较高。并联系统管径比较小，所以管路费用、管内所需使用的防冻液相比串联系统来说较少。并联系统更多的采用同程式安装方式，更能达到各环路间的流量平衡，且换热能力也大大提高。由于地埋管126一旦埋入地下，则基本上无法进行更换和维修，所以在对管材的选择上应采用一些导热系数大、流动阻力小、耐腐蚀、化学稳定性好的材料，例如，选用聚丁烯管(PB)或聚乙烯管((PE)。针对于地埋管126的管径要求，首先要保持其输送功率最小，其次为了加大流体与管内壁的传热，要时刻使管内保持紊流状态。一般情况下，集合管多采用大管径，管内流速为0.4m/s-1.22m/s；并联环路为了增大流体与土壤的紊流换热，在一般情况下采用小管径。
本实施例中，在非采暖季，控制系统控制第一水泵123、第三阀门1213以及第四阀门1214打开，使得冷却水不断循环及时吸收光伏余热，并将光伏余热转移至土壤蓄热用以满足采暖季为用户供暖所需热量。在采暖季，控制系统控制第一水泵123、第一阀门1211、第二阀门1212、第三阀门1213以及第四阀门1214关闭，集热器112内不注入冷却水，防止室外温度过低，集热器112内的冷却水结冰，从而损伤设备。
在一实施例中，地源热泵供暖系统130包括第二水泵1311、第三水泵1312，第五阀门1321、第六阀门1322、第七阀门1323、第八阀门1324、第九阀门1325以及热泵机组133。第二水泵1311的一端连接于第三阀门1213和分水器124之间，第二水泵1311的另一端与第五阀门1321的一端连接，第五阀门1321的另一端与热泵机组133的第一连接端连接。第六阀门1322的一端连接于第四阀门1214和集水器125之间，第六阀门1322的另一端与热泵机组133的第二连接端连接。热泵机组133的第三连接端、第七阀门1323、用户端的供暖设备140、第九阀门1325、第三水泵1312、第八阀门1324以及热泵机组133的第四连接端依次连接。
本实施例中，地埋管126提供热泵机组133的热源，温度相对来说比较稳定，建筑物的热负荷作为负荷端，由于所选热泵机组133只用于用户采暖，所以需要根据建筑物的热负荷来选取热泵机组133，热泵机组133可以包括蒸发器、冷凝器、压缩机及节流装置四个部分，热泵机组133的工作原理采用逆卡诺循环原理。
本实施例中，在采暖季，控制系统控制第二水泵1311、第三水泵1312、第五阀门1321、第六阀门1322、第七阀门1323、第八阀门1324以及第九阀门1325打开，热泵机组133利用光伏余热利用系统120储存于土壤内的热能对用户端的供暖设备140提供热能，从而为用户供暖。在非采暖季，控制系统控制第二水泵1311、第三水泵1312、第五阀门1321、第六阀门1322、第七阀门1323、第八阀门1324以及第九阀门1325关闭，地源热泵供暖系统130停止工作。
在一实施例中，控制系统包括控制器以及与控制器连接的第一温度传感器151、第二温度传感器152、第三温度传感器153。第一温度传感器151设置于集热器112上以采集光伏发电系统110的温度，第二温度传感器152设置于地埋管126上，第三温度传感器153设置于集热器112和第二阀门1212之间的管道上，控制器根据第一温度传感器151输出的温度判断本时间段处于采暖季还是非采暖季，并监测地埋管126的温度以及监控循环流动的冷却水的温度以保证系统的安全运行。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于光伏发电余热的地源热泵供暖系统，其特征在于，包括：
光伏发电系统，用于采集太阳能，并将采集的太阳能转换为电能和热能；
光伏余热利用系统，与所述光伏发电系统连接，用于将所述光伏发电系统输出的热能通过冷却介质转移至土壤蓄热；
地源热泵供暖系统，与所述光伏余热利用系统连接，用于利用土壤储存的热能为用户采暖；以及
控制系统，与所述光伏发电系统、所述光伏余热利用系统以及所述地源热泵供暖系统连接；所述控制系统用于在所述光伏发电系统接收的太阳辐射强度大于预设强度或者所述光伏发电系统的温度大于预设温度时控制所述光伏余热利用系统工作且所述地源热泵供暖系统停止工作，否则，控制所述光伏余热利用系统停止工作且所述地源热泵供暖系统工作。
2.根据权利要求1所述的基于光伏发电余热的地源热泵供暖系统，其特征在于，所述光伏发电系统包括：
光伏板，用于采集太阳能；以及
集热器，设置于所述光伏板上；
其中，所述集热器包括：
电池板；
集热器本体，与所述电池板连接，所述集热器本体用于将所述光伏板所采集的太阳能的一部分转换为电能存储在所述电池板内，并将所述光伏板所采集的太阳能的另一部分转换为热能；
保温层，设置于所述集热器本体上，用于减少所述集热器本体的热散失；
玻璃盖板，设置于所述电池板上以保护所述电池板；以及
外壳，所述电池板、所述集热器本体、所述保温层以及所述玻璃盖板均设置于所述外壳内部。
3.根据权利要求2所述的基于光伏发电余热的地源热泵供暖系统，其特征在于，所述光伏板与竖直方向之间的夹角为36度～40度。
4.根据权利要求2所述的基于光伏发电余热的地源热泵供暖系统，其特征在于，所述光伏板的数量至少大于等于两个，各所述光伏板呈阵列排布；
其中，对于相邻两个所述光伏板，其中一个所述光伏板的顶部与太阳之间的连线的延长线低于另一个所述光伏板的底部，或者其中一个所述光伏板的顶部与太阳之间的连线的延长线与另一个所述光伏板的底部相交。
5.根据权利要求1所述的基于光伏发电余热的地源热泵供暖系统，其特征在于，所述光伏余热利用系统包括：
第一阀门；
第二阀门
水箱，所述第一阀门连接于所述光伏发电系统和所述水箱之间；所述第二阀门连接于所述水箱和进水口之间；
第一水泵；
第三阀门；
分水器，所述第一水泵和所述第三阀门依次连接于所述光伏发电系统和所述分水器之间；
第四阀门；
集水器，所述第四阀门连接于所述光伏发电系统和所述分水器之间；以及
地埋管，设置于地下土壤内，所述地埋管连接于所述集水器和所述分水器之间。
6.根据权利要求5所述的基于光伏发电余热的地源热泵供暖系统，其特征在于，所述地埋管包括竖直埋管或水平埋管。
7.根据权利要求5所述的基于光伏发电余热的地源热泵供暖系统，其特征在于，所述地埋管包括聚丁烯管或聚乙烯管。
8.根据权利要求1所述的基于光伏发电余热的地源热泵供暖系统，其特征在于，所述地源热泵供暖系统包括：第二水泵、第三水泵，第五阀门、第六阀门、第七阀门、第八阀门、第九阀门以及热泵机组；所述第二水泵的一端连接于所述第三阀门和所述分水器之间，所述第二水泵的另一端与所述第五阀门的一端连接，所述第五阀门的另一端与所述热泵机组的第一连接端连接；所述第六阀门的一端连接于所述第四阀门和所述集水器之间，所述第六阀门的另一端与所述热泵机组的第二连接端连接；所述热泵机组的第三连接端、所述第七阀门、用户端的供暖设备、第九阀门、第三水泵、第八阀门以及所述热泵机组的第四连接端依次连接。
9.根据权利要求1所述的基于光伏发电余热的地源热泵供暖系统，其特征在于，所述预设强度为100W/m2～200W/m2。
10.根据权利要求1所述的基于光伏发电余热的地源热泵供暖系统，其特征在于，所述预设温度为250K～350K。
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