CN113063179B - 一种泵动力型pvt阵列与水环热泵耦合的热电冷及生活热水综合能源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种泵动力型PVT阵列与水环热泵耦合的热电冷及生活热水综合能源系统，包括泵动力型PVT阵列系统、中介换热系统和能源供应系统。本发明以可再生能源—太阳能为冷热源，对太阳能光伏光热的综合利用进行深度开发，提高了太阳能综合利用效率；以泵动力型PVT阵列系统作为综合能源系统的高低位热源，结构简单、运行稳定可靠、运行成本低；以中介换热系统为网，多能输出，灵活多便；系统高效节能、设备配置灵活、安装和运行维护方便，本发明具有良好的社会经济效益和节能环保效益，对于建设清洁低碳、安全高效的现代能源体系具有重要的现实意义和深远的战略意义。

Description

一种泵动力型PVT阵列与水环热泵耦合的热电冷及生活热水 综合能源系统
技术领域
本发明属于可再生能源利用技术领域，特别是一种泵动力型PVT阵列与水环热泵耦合的热电冷及生活热水综合能源系统。
背景技术
太阳能利用作为可再生能源中的主导技术，已广泛应用于太阳能光伏发电工程中，但目前太阳能光伏发电效率仍然不高，光电转换过程中，太阳能只有小部分的光能转化为电能，大部分被转化成热能。而且光伏电池温度升高，将导致光伏转换效率下降。因此，将光伏发电过程中的余热加以利用，能够提升系统的综合能源利用效率。太阳能光伏光热综合利用技术—PVT是将传统单一的光伏和光热组件合二为一，实现光伏光热一体化，即在太阳能转换电能的同时，由集热组件中的冷却介质带走电池的热量加以利用，同时产生电、热两种能量的收益，实现“一机多能”，大大提高系统太阳能综合利用效率。
但现有太阳能光伏光热工程应用中，冷却介质大多为水和空气，集热效率低。因此，以冷媒为介质的高效太阳能光伏光热利用成为目前太阳能技术领域开发的重点，但现有以太阳能为冷热源的多能输出PVT热泵系统极其复杂，实用性低，制约了以冷媒为介质的太阳能技术走向工程应用，更难以使其大规模推广应用。此外，在太阳辐射照度较强时，现有技术未能合理利用自然热源，即外界高温的太阳能热源能够无动力地加热自来水，不需要热泵系统即可实现制热，因此，现有技术中的压缩机驱动系统在该运行模式下功耗较大。
发明内容
本发明的目的在于以可再生能源太阳能作为系统的主要冷热源，多能输出，灵活多便，提高能源利用效率，节能减排。
本发明的技术方案：
一种泵动力型PVT阵列与水环热泵耦合的热电冷及生活热水综合能源系统，包括泵动力型PVT阵列系统1、中介换热系统2和能源供应系统3，泵动力型PVT阵列系统1与中介换热系统2经泵动力型PVT阵列系统1中的换热器连接而成，中介换热系统2与能源供应系统3经能源供应系统3中的换热器连接而成；
所述的泵动力型PVT阵列系统1主要由若干个泵动力PVT阵列模块组成，所述的泵驱动PVT阵列模块主要由氟泵101、四通阀102、PVT阵列103、板式换热器一104、干燥过滤器105、储液器106和逆变器107组成，氟泵101出口经四通阀102分出两路，一路依次连接PVT阵列103、板式换热器一104、四通阀102、干燥过滤器105、储液器106和氟泵101进口；另一路依次连接板式换热器一104、连接PVT阵列103、四通阀102、干燥过滤器105、储液器106和氟泵101进口；
所述的泵动力型PVT阵列系统的运行模式，具体包括以下两种：
产热模式：PVT阵列103作为蒸发器、板式换热器一104作为冷凝器，氟泵101开启；
产冷模式：PVT阵列103作为冷凝器、板式换热器一104作为蒸发器，氟泵101、四通阀102开启；
所述的PVT阵列103用于日间吸收太阳辐射能制热和发电、夜间通过天空长波辐射制冷；
所述的PVT阵列103由多个PVT构成，其组合形式可以是串联，还可以是并联；所述的PVT的类型包括管板焊接式和吹胀式；单个PVT结构自上而下分别为：玻璃盖板、EVA胶膜、光伏电池片、EVA胶膜、黑色太阳能背板、EVA胶膜、太阳能蒸发板。
所述的中介换热系统2由工质泵201组成，作为泵动力型PVT阵列系统1与能源供应系统3的中间换热站，其工质为防冻液。
所述的能源供应系统3包括供电系统和供暖、冷及生活热水系统；供电系统由PVT阵列103和逆变器107组成；供暖、冷及生活热水系统由水源热泵一311、板式换热器二321、水源热泵二331、水泵一312、水泵二322、电动阀一313、电动阀二314、电动阀三323和电动阀四332组成。
所述的能源供应系统运行模式，具体包括以下六种：
供暖兼电模式：逆变器107、氟泵101、工质泵201、水源热泵一311、水泵一312、电动阀一313和电动阀二314开启，水源热泵一311启动制热模式；
低能耗供生活热水兼电模式：逆变器107、氟泵101、工质泵201、水泵二322和电动阀四332开启；
供生活热水兼电模式：逆变器107、氟泵101、工质泵201、水源热泵二331、水泵二322和电动阀四332开启；
供暖和生活热水兼电模式：逆变器107、氟泵101、工质泵201、水源热泵一311、水源热泵二331、水泵一312、水泵二322、电动阀一313、电动阀二314开启和电动阀四332，水源热泵一311启动制热模式；
供冷兼电模式：逆变器107、氟泵101、四通阀102、工质泵201、水源热泵一311、水泵一312、电动阀一313和电动阀二314开启，水源热泵一311启动制冷模式；
供冷和生活热水兼电模式：逆变器107、工质泵201、水源热泵一311、水源热泵二331、水泵一312、水泵二322、电动阀一313、电动阀二314开启和电动阀四332，水源热泵一311启动制冷模式；
所述的能源供应系统3根据末端用能需求配置用于制备生活热水的水源热泵或供暖/冷水的水源热泵；
所述的能源供应系统3中的供电系统，利用太阳能光生伏特效应将光能转换为直流电能，再经逆变器转换为交流电能，所述的太阳能发电系统类型包括光伏并网发电系统和光伏离网发电系统。
所述的板式换热器一104、板式换热器二321可被套管式、壳管式等替换。
本发明的有益效果：
本发明以可再生能源太阳能作为系统的冷热源，能源配置绿色环保；
本发明利用太阳能发电，可供用户使用或回馈国家电网，零成本运行；
本发明对太阳能光伏光热综合利用进行了深度开发，提高太阳能综合利用效率；
本发明在太阳辐射照度较强时，仅用超低能耗泵驱动PVT系统制热，自然热源利用充分，节能效果显著；
本发明可为末端全年供生活热水、冷、暖及电，多能输出、灵活多便。
本发明集成度高，易形成标准件、模块化，适宜太阳能PVT工程大规模推广应用。
附图说明
图1为本发明一种泵动力型PVT阵列与水环热泵耦合的热电冷及生活热水综合能源系统原理图；
图2为本发明系统供暖兼电运行模式原理图；
图3为本发明系统低能耗供生活热水兼电运行模式原理图；
图4为本发明系统供生活热水兼电运行模式原理图；
图5为本发明系统供暖和生活热水兼电运行模式原理图；
图6为本发明系统供冷兼电运行模式原理图；
图7为本发明系统供冷和生活热水兼电运行模式原理图；
图中：101-氟泵，102-四通阀，103-PVT阵列，104-板式换热器一，105-干燥过滤器，106-储液罐，107-逆变器，201-工质泵，311-水源热泵一，312-水泵一，313-电动阀一，314-电动阀二，321-板式换热器二，322-水泵二，323-电动阀三，331-水源热泵二，332-电动阀四。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，该实施例中，一种泵动力型PVT阵列与水环热泵耦合的热电冷及生活热水综合能源系统，所述系统包括泵动力型PVT阵列系统、中介换热系统、能源供应系统。
泵动力型PVT阵列系统由氟泵101、四通阀102、PVT阵列103、板式换热器一104、干燥过滤器105、储液器106经制冷剂管路连接组成；
中介换热系统由工质泵201经中介工质管路相连接而成；
能源供应系统包括供电系统和供暖、冷及生活热水系统；供电系统由PVT阵列103和逆变器107组成；供暖、冷及生活热水系统由水源热泵一311、板式换热器二321、水源热泵二331、水泵一312、水泵二322、电动阀一313、电动阀二314、电动阀三323和电动阀四332经水管路连接而成；
本实施例，可通过控制氟泵101、四通阀102、工质泵201、水源热泵一311、水源热泵二331、水泵一312、水泵二322、电动阀一313、电动阀二314、电动阀三323和电动阀四332的启停，可实现以下六种运行模式：
(1)供暖兼电运行模式，逆变器107、氟泵101、工质泵201、水源热泵一311、水泵一312、电动阀一313和电动阀二314开启，水源热泵一311启动制热模式。此时如图2所示，其运行原理如下：储液器106中的液态制冷剂经氟泵101增压后经四通阀102进入PVT阵列103吸收太阳能蒸发为气态制冷剂，后进入板式换热器一104将热量释放到中介换热系统中，气态制冷剂进而被冷凝为液态制冷剂，接着依次经四通阀102、干燥过滤器105、储液器106进入氟泵101进口。因此，中介工质在工质泵201的驱动下吸收板式换热器一104所放的热量，进而被加热。水源热泵一311在制热模式下吸收中介工质中的热量，并通过逆卡诺循环将热量释放到供暖热水系统中，并以此循环，水被加热。此外，PVT阵列103将太阳能光谱中的紫外、可见、近红外光波转化为直流电能，后经逆变器107转变为交流电能。
(2)低能耗供生活热水兼电运行模式，逆变器107、氟泵101、工质泵201、水泵二322和电动阀四332开启。此时如图3所示，其运行原理如下：太阳辐射照度强或室外温度高时，储液器106中的液态制冷剂经氟泵101增压后经四通阀102进入PVT阵列103吸收太阳能蒸发为气态制冷剂，后进入板式换热器一104将热量释放到中介换热系统中，气态制冷剂进而被冷凝为液态制冷剂，接着依次经四通阀102、干燥过滤器105、储液器106进入氟泵101进口。中介工质在工质泵201的驱动下进入板式换热器一104吸热，进而被加热。生活热水在水泵二322的驱动下进入板式换热器二321吸热，并以此循环，生活热水不断被加热。此外，PVT阵列103将太阳能光谱中的紫外、可见、近红外光波转化为直流电能，后经逆变器107转变为交流电能。
(3)供生活热水兼电运行模式，逆变器107、氟泵101、工质泵201、水源热泵二331、水泵二322和电动阀四332开启，水源热泵二331启动制热模式。此时如图4所示，其运行原理如下：储液器106中的液态制冷剂经氟泵101增压后经四通阀102进入PVT阵列103吸收太阳能蒸发为气态制冷剂，后进入板式换热器104将热量释放到中介换热系统中，气态制冷剂进而被冷凝为液态制冷剂，接着依次经四通阀102、干燥过滤器105、储液器106进入氟泵101进口。中介工质在工质泵201的驱动下进入板式换热器104吸热，并以此循环，中介工质不断被加热。水源热泵一311在制热模式下吸收中介工质中的热量，并通过逆卡诺循环将热量释放到生活热水系统中，并以此循环，生活热水不断被加热。此外，PVT阵列103将太阳能光谱中的紫外、可见、近红外光波转化为直流电能，后经逆变器107转变为交流电能。
(4)供暖和生活热水兼电运行模式，逆变器107、氟泵101、工质泵201、水源热泵一311、水源热泵二331、水泵一312、水泵二322、电动阀一313、电动阀二314开启和电动阀四332，水源热泵一311和水源热泵二331启动制热模式。此时如图5所示，其运行原理如下：储液器106中的液态制冷剂经氟泵101增压后经四通阀102进入PVT阵列103吸收太阳能蒸发为气态制冷剂，后进入板式换热器104将热量释放到中介换热系统中，气态制冷剂进而被冷凝为液态制冷剂，接着依次经四通阀102、干燥过滤器105、储液器106进入氟泵101进口，且空气源热泵吸收室外空气能并释放到中介换热系统中。因此，中介工质在工质泵201的驱动不断被加热。水源热泵一311和水源热泵331在制热模式下吸收中介工质中的热量，并通过逆卡诺循环将热量释放到供暖热水和生活热水系统中，并以此循环，水被加热。此外，PVT阵列103将太阳能光谱中的紫外、可见、近红外光波转化为直流电能，后经逆变器107转变为交流电能。
(5)供冷兼电运行模式，逆变器107、氟泵101、四通阀102、工质泵201、水源热泵一311、水泵一312、电动阀一313和电动阀二314开启，水源热泵一311启动制冷模式。此时如图6所示，其运行原理如下：储液器6中的液态制冷剂经氟泵101增压后经四通阀102进入板式换热器104吸收中介工质中的热量蒸发为气态制冷剂，后进入PVT阵列103通过向天空长波辐射将热量释放到外界，气态制冷剂进而被冷凝为液态制冷剂，接着依次经四通阀102、干燥过滤器105、储液器106进入氟泵101进口。因此，中介工质在工质泵201的驱动下不断被冷却。水源热泵一311在制冷模式下吸收水系统中的热量，并通过逆卡诺循环将热量释放到中介换热系统中，并以此循环，水被冷却。此外，PVT阵列103将太阳能光谱中的紫外、可见、近红外光波转化为直流电能，后经逆变器107转变为交流电能。
(6)供冷和生活热水兼电运行模式，逆变器107、工质泵201、水源热泵一311、水源热泵二331、水泵一312、水泵二322、电动阀一313、电动阀二314开启和电动阀四332，水源热泵一311启动制冷模式。此时如图7所示，其运行原理如下：水源热泵一311在制冷模式下吸收水系统中的热量，并通过逆卡诺循环将热量释放到中介换热系统中，生活热水在水泵二322的驱动下进入板式换热器二321吸热，并以此循环，供冷水被冷却，生活热水不断被加热。此外，PVT阵列103将太阳能光谱中的紫外、可见、近红外光波转化为直流电能，后经逆变器107转变为交流电能。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种泵动力型PVT阵列与水环热泵耦合的热电冷及生活热水综合能源系统，其特征在于，该热电冷及生活热水综合能源系统包括泵动力型PVT阵列系统(1)、中介换热系统(2)和能源供应系统(3)，泵动力型PVT阵列系统(1)与中介换热系统(2)经泵动力型PVT阵列系统(1)中的换热器连接而成，中介换热系统(2)与能源供应系统(3)经能源供应系统(3)中的换热器连接而成；
所述的泵动力型PVT阵列系统(1)主要由若干个泵动力PVT阵列模块组成，所述的泵动力PVT阵列模块主要由氟泵(101)、四通阀(102)、PVT阵列(103)、板式换热器一(104)、干燥过滤器(105)、储液器(106)和逆变器(107)组成，氟泵(101)出口经四通阀(102)分出两路，一路依次连接PVT阵列(103)、板式换热器一(104)、四通阀(102)、干燥过滤器(105)、储液器(106)和氟泵(101)进口；另一路依次连接板式换热器一(104)、连接PVT阵列(103)、四通阀(102)、干燥过滤器(105)、储液器(106)和氟泵(101)进口；
所述的泵动力型PVT阵列系统(1)的运行模式，包括以下两种：
产热模式：PVT阵列(103)作为蒸发器、板式换热器一(104)作为冷凝器，氟泵(101)开启；
产冷模式：PVT阵列(103)作为冷凝器、板式换热器一(104)作为蒸发器，氟泵(101)、四通阀(102)开启；
所述的中介换热系统(2)由工质泵(201)组成，作为泵动力型PVT阵列系统(1)与能源供应系统(3)的中间换热站，其工质为防冻液；
所述的能源供应系统(3)包括供电系统和供暖、冷及生活热水系统；供电系统由PVT阵列(103)和逆变器(107)组成；供暖、冷及生活热水系统由水源热泵一(311)、板式换热器二(321)、水源热泵二(331)、水泵一(312)、水泵二(322)、电动阀一(313)、电动阀二(314)、电动阀三(323)和电动阀四(332)组成；
所述的能源供应系统运行模式，具体包括以下六种：
供暖兼电模式：逆变器(107)、氟泵(101)、工质泵(201)、水源热泵一(311)、水泵一(312)、电动阀一(313)和电动阀二(314)开启，水源热泵一(311)启动制热模式；
低能耗供生活热水兼电模式：逆变器(107)、氟泵(101)、工质泵(201)、水泵二(322)和电动阀四(332)开启；
供生活热水兼电模式：逆变器(107)、氟泵(101)、工质泵(201)、水源热泵二(331)、水泵二(322)和电动阀四(332)开启；
供暖和生活热水兼电模式：逆变器(107)、氟泵(101)、工质泵(201)、水源热泵一(311)、水源热泵二(331)、水泵一(312)、水泵二(322)、电动阀一(313)、电动阀二(314)开启和电动阀四(332)，水源热泵一(311)启动制热模式；
供冷兼电模式：逆变器(107)、氟泵(101)、四通阀(102)、工质泵(201)、水源热泵一(311)、水泵一(312)、电动阀一(313)和电动阀二(314)开启，水源热泵一(311)启动制冷模式；
供冷和生活热水兼电模式：逆变器(107)、工质泵(201)、水源热泵一(311)、水源热泵二(331)、水泵一(312)、水泵二(322)、电动阀一(313)、电动阀二(314)开启和电动阀四(332)，水源热泵一(311)启动制冷模式。
2.根据权利要求1所述的热电冷及生活热水综合能源系统，其特征在于，
所述的PVT阵列(103)用于日间吸收太阳辐射能制热和发电、夜间通过天空长波辐射制冷；
所述的PVT阵列(103)由多个PVT构成，其组合形式是串联或是并联；
所述的PVT的类型包括管板焊接式和吹胀式；单个PVT结构自上而下分别为：玻璃盖板、EVA胶膜、光伏电池片、EVA胶膜、黑色太阳能背板、EVA胶膜、太阳能蒸发板。
3.根据权利要求1或2所述的热电冷及生活热水综合能源系统，其特征在于，
所述的能源供应系统(3)根据末端用能需求配置用于制备生活热水的水源热泵或供暖/冷水的水源热泵；所述的能源供应系统(3)中的供电系统，利用太阳能光生伏特效应将光能转换为直流电能，再经逆变器转换为交流电能，太阳能发电系统类型包括光伏并网发电系统和光伏离网发电系统。
4.根据权利要求1或2所述的热电冷及生活热水综合能源系统，其特征在于，
所述的板式换热器被套管式或壳管式替换。
5.根据权利要求3所述的热电冷及生活热水综合能源系统，其特征在于，
所述的板式换热器被套管式或壳管式替换。
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