CN113465190B - 一种太阳能分级供热系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及太阳能供热技术领域，尤其涉及一种太阳能分级供热系统及控制方法，该系统包括由低温热载体容器、PVT光伏光热装置、中温热载体容器和中温热交换装置形成的第一阶梯热循环回路，以及由中温热载体容器、光热器、高温热载体容器和高温热交换装置形成的第二阶梯热循环回路；当光照不足时，储能电池为辅热器供电将光热器中的热载体加热至第二温度，且中温热载体容器上还连通有中温管路；本发明通过中温热载体容器以及高温热载体容器的设置，并且通过PTV光伏光热装置以及光热器的两级加热，使得热载体实现中温、高温阶梯用热，为客户提供了多级品质热源，实现了热能的梯级加热，提高了系统的综合集热能效。

Description

一种太阳能分级供热系统及控制方法

技术领域

本发明涉及太阳能供热技术领域，尤其涉及一种太阳能分级供热系统及控制方法。

背景技术

太阳能供热是将太阳光能转化为热能的加热装置，将水从低温加热到高温，以满足日常生产生活中的热水使用，其在集热时使水的温度升高再将热水保存供使用，但太阳能供热存在的缺陷在于热效率低而且供热品质单一的问题，加热的热水量有限，不能对太阳能进行充分利用，而且在光照不足时，则无法提供满足需求温度的热水。

相关技术中，为了解决上述问题，在热水器的基础上加装了一个电加热器，当温度不满足需求时，则启动电加热器对水进行加热；然而上述加装了电加热器的热水系统仍然存在热能效差的问题，热水需要与冷水混合由用户自行调节至所需温度，而且电加热器的耗电量也较大，不利于节约能源。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种太阳能分级供热系统及控制方法，提高系统综合用热能效。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一方面提供了一种太阳能分级供热系统，包括：

低温热载体容器，所述低温热载体容器连接有用于补充热载体的进液管路；

PVT光伏光热装置，与所述低温热载体容器通过管路连接，用于将所述低温热载体容器内进入的热载体加热至第一温度；

中温热载体容器，与所述PVT光伏光热装置通过管路连接；

中温热交换装置，分别与所述中温热载体容器以及低温热载体容器连接，所述中温热载体容器内的热载体通过所述中温热交换装置进入至所述低温热载体内，所述中温热交换装置上具有低温进液管和中温出液管；

光热器，与所述中温热载体容器通过管路连接，所述光热器上具有辅热器，用于将进入至其中的载热体加热至第二温度；

储能电池，与所述PVT光伏光热装置以及所述光热器连接，用于存储所述PVT光伏光热装置的电能并在需要时为所述光热器供电；

高温热载体容器，与所述光热器通过管路连接，且所述高温载热体容器上具有高温管路；

高温热交换装置，分别与所述高温热载体容器以及中温热载体容器通过管路连接，所述高温热交换装置上具有中温进液管和高温出液管；

其中，所述第二温度高于所述第一温度，当光照不足时，所述储能电池为所述辅热器供电将所述光热器中的热载体加热至第二温度，且所述中温热载体容器上还连通有中温管路。

进一步地，该系统还包括水平衡装置，所述高温热交换装置与所述中温热载体容器通过所述水平衡装置连通，所述中温管路设置在所述水平衡装置上，所述水平衡装置上具有与所述高温热交换装置连通的第一管路、与所述中温热载体容器连通的第二管路和第三管路，所述第三管路的高度高于第二管路的高度，当所述水平衡装置内的水位超过最高液位时，所述水平衡装置内的热载体通过所述第三管路进入至所述中温热载体容器。

进一步地，所述中温管路的高度低于所述第二管路，所述第一管路的高度高于所述第二管路，所述第三管路的高度高于所述第一管路，所述水平衡装置内在所述第一管路的接口水平线与所述第二管路的接口水平线间设置有液位传感器，所述第二管路和第三管路上均具有阀门，当液位低于所述第二管路的接口水平线时，所述第二管路上的阀门开启，使得所述中温热载体容器内的热载体流入至所述水平衡装置内；当液位高于所述第一管路的接口水平线时，所述第三管路上的阀门开启，使得所述水平衡装置内的热载体流入至所述中温热载体容器内。

进一步地，经所述低温进液管进入至所述中温热交换装置并经所述中温出液管流出的热载体，与所述中温热交换装置内经所述中温热载体容器内流入的热载体不直接接触，以向用户提供隔离中温热能；

经所述中温进液管进入至所述高温热交换装置并经所述高温出液管流出的热载体，与所述高温热交换装置内经所述高温热载体容器内流入并流出至所述水平衡装置内的热载体不直接接触，以向用户提供隔离高温热能。

进一步地，所述第一温度的温度范围为40至80摄氏度，所述第二温度的温度范围为80至95摄氏度。

进一步地，所述中温热载体容器的容积大于所述高温热载体容器的体积。

进一步地，各管路上均具有朝向热载体流动方向设置的单向阀。

进一步地，当光照不足时，经所述光热器加热的热载体从所述高温热载体容器内流入至所述热交换装置中，并流经所述水平衡装置后，回流至所述中温热载体容器内，以保证所述中温热载体容器内的水温满足需求。

本发明另一方面还提供了上述太阳能分级供热系统的控制方法，包括以下步骤：

当光照充足时，PVT光伏光热装置对流经其内的热载体加热至第一温度，并将一部分光能转化为电能存储在储能电池中，热载体流经中温热载体容器并部分流入至中温热交换装置进行热交换，经热交换后的热载体回流至低温热载体容器内；

光热器对从中温热载体容器内流入的热载体继续加热至第二温度，加热至第二温度后的热载体流入高温热载体中，热载体部分供用户使用，其余热载体流入至高温热交换装置进行热交换，经热交换后的热载体回流至中温热载体容器内；

当光照不足时，所述储能电池为所述光热器中的辅热器供电，所述辅热器将流经所述光热器中的热载体加热至第二温度，流经高温热载体容器和高温热交换装置后回流至中温热载体容器内供用户使用。

进一步地，在热载体从所述高温热交换装置流入中温热载体容器的过程中，先流入至水平衡装置内，中温热载体容器内的热载体流入水平衡装置内供用户使用，当水平衡装置内的液位高于最高值时，热载体从所述水平衡装置回流至所述中温热载体容器内。

本发明的有益效果为：本发明通过中温热载体容器以及高温热载体容器的设置，并且通过PTV光伏光热装置以及光热器的两级加热，使得热载体实现中温、高温阶梯用热，为用户提供更多选择，提高了综合热能效；而且通过PTV光伏光热装置实现加热的同时储存电能，在光照不足时，将存储的电能供光热器中的辅热器加热，并将加热后的热载体经热交换后回流至中温热载体容器中维持中温。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一中太阳能分级供热系统的结构示意图；

图2为本发明实施例二中太阳能分级供热系统的结构示意图；

图3为本发明实施例二中水平衡装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例为了解决现有技术中太阳能的供热系统仅供应单一品质的热，热使用效率不高，部分用户的用能需求需要在用户侧增加热品质调节装置才能实现的技术问题，提供了一种中、高温梯级供热系统，使得用户根据不同需求选用不同的温度，无需再将已经加热过的热载体进行降温处理，这里需要指出的是，本发明实施例中以水作为热载体，本领域技术人员也可以将水变成其他形式的热载体以实现不同需求，但上述热载体的改进所形成的技术方案依然在本发明的保护范围之内。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例一

如图1所示的太阳能分级供热系统，包括由低温热载体容器10、PVT光伏光热装置20、中温热载体容器30和中温热交换装置40形成的第一阶梯热循环回路，以及由中温热载体容器30、光热器50、高温热载体容器70和高温热交换装置80形成的第二阶梯热循环回路，图中管路中的箭头表示水流方向，其中：

低温热载体容器10连接有用于补充热载体的进液管路11；进液管路11用于补充水源，以保证低温热载体容器10内始终有水可以进入至PTV光伏光热装置中；PVT光伏光热装置20与低温热载体容器10通过管路连接，用于将低温热载体容器10内进入的热载体加热至第一温度；这里需要指出的是，PTV光伏光热装置为现有技术，其具有和热水器一样将光转化为热以对水加热的功能，同时还可以和光伏板一样将光能转化为电能，在光照充足的条件下，其一部分用于对水体加热，一部分用于电能的转化存储；例如，在本发明实施例中，从进液管进入的水温为15摄氏度至25摄氏度之间，通过PTV光伏光热的散热板将低温热载体容器10中流入的水加热至60摄氏度，这里需要指出的是第一温度的范围为40至60摄氏度，可以根据需要进行设定；

中温热载体容器30与PVT光伏光热装置20通过管路连接；如图1中所示，经过PTV光伏光热装置加热后的水流入至中温热载体容器30中存储，这里需要指出的是本发明实施例中中温热载体容器30与高温热载体容器70中均具备保温功能，例如可以是使用保温层或者隔热层等常用的保温材料加工上述容器；

中温热交换装置40分别与中温热载体容器30以及低温热载体容器10连接，中温热载体容器30内的热载体通过中温热交换装置40进入至低温热载体内，中温热交换装置40上具有低温进液管41和中温出液管42；在本发明实施例中中温热交换装置40可以是空调换热器，通过将温水通入至换热器中，可以使得流经中温热交换器中的冷水被加热为温水，实现了热能效的二次利用，从中温热交换器中流出的水回流至低温热载体容器10中，此时水温可能从60摄氏度降低至40摄氏度，流入至低温热载体容器10中后，由于还有剩余的温度，再次被加热所占用的能量也比较少，提高了资源的利用率。

在第二阶梯热循环回路中，请继续参照图1，光热器50与中温热载体容器30通过管路连接，光热器50上具有辅热器51，用于将进入至其中的载热体加热至第二温度；这里需要指出的是，光热器50就是太阳能热水器，在光照充足的时候由光热器50来加热水，当光照不足的时候，利用辅热器51来对水体进行加热；而辅热器51与储能电池60连接，储能电池60与PVT光伏光热装置20以及光热器50连接，用于存储PVT光伏光热装置20的电能并在需要时为光热器50供电；在图1中，储能电池60通过线缆与PVT光伏光热装置20以及光热器50中的辅热器51连接；此外这里还需要指出的是，本发明实施例中第一温度和第二温度的控制，可以采用温度探测器来实现，当温度达到设定温度时，则将已经加热完毕的水流出至下一个装置中，而水的流动可以采用高度差或者循环泵等本领域所熟知的技术手段实现，这里不做赘述；

高温热载体容器70与光热器50通过管路连接，且高温载热体容器上具有高温管路71；在本发明实施例中第二温度的范围为80至95摄氏度，优选为95摄氏度，当温度被加热至95摄氏度以后，则将水排入至高温热载体容器70中，高温热载体容器70中的热水通过高温管路71供用户使用，例如可以是杀菌消毒等。

高温热交换装置80分别与高温热载体容器70以及中温热载体容器30通过管路连接，高温热交换装置80上具有中温进液管81和高温出液管82；高温热交换装置80中通过中温进液管81和高温出液管82的设置，将温水进一步加热为高温水，从而通过上述方式，可以为用户提供由中温出液管42流出的中温水、由中温热载体容器30中流出的中温水、由高温热交换装置80流出的高温水以及直接由高温热载体容器70中直接流出的高温水，由于经过热交换的水温相比较热交换容器内的水温会低一些，因此本发明为用户提供了四种不同温度品质的热水，而且在经过两级阶梯式的循环加热回路，使得热能效利用率更高。

此外，当光照不足时，储能电池60为辅热器51供电将光热器50中的热载体加热至第二温度，且中温热载体容器30上还连通有中温管路31。通过储能电池60的设置，提高了能源的利用率而且还节约了用电资源，与现有技术相比，克服了由于光照不足造成的缺陷以及用电耗电量大的问题。

在上述实施例中，中温热载体容器30以及高温热载体容器70的设置，并且通过PTV光伏光热装置以及光热器50的两级加热，使得热载体实现中温、高温阶梯用热，为用户提供更多选择，提高了综合热能效；而且通过PTV光伏光热装置实现加热的同时储存电能，在光照不足时，将存储的电能供光热器50中的辅热器51加热，并将加热后的热载体经热交换后回流至中温热载体容器30中维持中温。

实施例二

由于经过高温热交换装置80回流至中温热载体容器30中的水温温度略高一些，直接提供给用户可能无法满足需求，而且在流入至中温热载体容器30中的热水再流入至中温热交换装置后，也可能会影响换热的稳定性，为此，在实施例一的基础上，还提供了第二实施例，除了高温交换装置与中温热载体容器30之间的连接管路之外其余部分均与第一实施例相同，这里不再赘述；

如图2中所示，在本发明实施例二中，该系统还包括水平衡装置90，高温热交换装置80与中温热载体容器30通过水平衡装置90连通，中温管路31设置在水平衡装置90上，水平衡装置90上具有与高温热交换装置80连通的第一管路91、与中温热载体容器30连通的第二管路92和第三管路93，第三管路93的高度高于第二管路92的高度，当水平衡装置90内的水位超过最高液位时，水平衡装置90内的热载体通过第三管路93进入至中温热载体容器30。通过水平衡装置90的设置，使得中温热载体容器30中的温水以及经过高温热交换装置80流出的温水均流入至水平衡装置90中，从而减少温度差异对系统稳定性造成的影响；

具体的，如图3中所示，在本发明实施例中，中温管路31的高度低于第二管路92，中温管路31中的水直接从水平衡装置90中排出供用户使用，其在高度方向上的位置最低；第一管路91的高度高于第二管路92，第一管路91和第二管路92均用于朝水平衡装置90内供水，第三管路93的高度高于第一管路91，第三管路93用于回水，其高度设置为最高；为了实现水流方向的控制，在本发明实施例中，水平衡装置90内在第一管路91的接口水平线与第二管路92的接口水平线间设置有液位传感器94，第二管路92和第三管路93上均具有阀门，当液位低于第二管路92的接口水平线时，第二管路92上的阀门开启，使得中温热载体容器30内的热载体流入至水平衡装置90内；当液位高于第一管路91的接口水平线时，第三管路93上的阀门开启，使得水平衡装置90内的热载体流入至中温热载体容器30内。通过水平衡装置90的设置，使得温度差异的水尽可能的减少对系统稳定性的影响，提高了系统运行的平稳性。这里需要指出的是，阀门的开启与关闭可以通过设置控制器的方式实现，控制器与液位传感器94连接，当到达设定位置时发送信号至控制器中，控制器控制阀门的启闭；

在本发明实施例中，为了进一步提高热水的品质，还设置了隔离温水与隔离热水，从而可使得用户获取洁净的温水或者热水；具体的，经低温进液管41进入至中温热交换装置40并经中温出液管42流出的热载体，与中温热交换装置40内经中温热载体容器30内流入的热载体不直接接触，以向用户提供隔离中温热能；经中温进液管81进入至高温热交换装置80并经高温出液管82流出的热载体，与高温热交换装置80内经高温热载体容器70内流入并流出至水平衡装置90内的热载体不直接接触，以向用户提供隔离高温热能。

为了进一步在光照不足时满足用户需求，在本发明实施例中，中温热载体容器30的容积大于高温热载体容器70的体积。为了控制水的流向，在本发明实施例中，各管路上均具有朝向热载体流动方向设置的单向阀。具体的，当光照不足时，经光热器50加热的热载体从高温热载体容器70内流入至热交换装置中，并流经水平衡装置90后，回流至中温热载体容器30内，以保证中温热载体容器30内的水温满足需求。在本发明实施例中，高温热载体容器70的容积设置为100L，而中温热载体容器30的容积设置为200L，通过扩大中温热载体的容积，并在光照不足时在中温热载体容器30中存储足够的中温水，以满足用户在光照不足时的洗浴需求。

本发明实施例还提供上述太阳能分级供热系统的控制方法，包括以下步骤：

S10：当光照充足时，PVT光伏光热装置20对流经其内的热载体加热至第一温度，并将一部分光能转化为电能存储在储能电池60中，热载体流经中温热载体容器30并部分流入至中温热交换装置40进行热交换，经热交换后的热载体回流至低温热载体容器10内；

S20：光热器50对从中温热载体容器30内流入的热载体继续加热至第二温度，加热至第二温度后的热载体流入高温热载体中，热载体部分供用户使用，其余热载体流入至高温热交换装置80进行热交换，经热交换后的热载体回流至中温热载体容器30内；

S30：当光照不足时，储能电池60为光热器50中的辅热器51供电，辅热器51将流经光热器50中的热载体加热至第二温度，流经高温热载体容器70和高温热交换装置80后回流至中温热载体容器30内供用户使用。

且在上述实施例的基础上，在热载体从高温热交换装置80流入中温热载体容器30的过程中，先流入至水平衡装置90内，中温热载体容器30内的热载体流入水平衡装置90内供用户使用，当水平衡装置90内的液位高于最高值时，热载体从水平衡装置90回流至中温热载体容器30内。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种太阳能分级供热系统，其特征在于，包括：

低温热载体容器，所述低温热载体容器连接有用于补充热载体的进液管路；

PVT光伏光热装置，与所述低温热载体容器通过管路连接，用于将所述低温热载体容器内进入的热载体加热至第一温度；

中温热载体容器，与所述PVT光伏光热装置通过管路连接；

中温热交换装置，分别与所述中温热载体容器以及低温热载体容器连接，所述中温热载体容器内的热载体通过所述中温热交换装置进入至所述低温热载体内，所述中温热交换装置上具有低温进液管和中温出液管；

光热器，与所述中温热载体容器通过管路连接，所述光热器上具有辅热器，用于将进入至其中的载热体加热至第二温度；

储能电池，与所述PVT光伏光热装置以及所述光热器连接，用于存储所述PVT光伏光热装置的电能并在需要时为所述光热器供电；

高温热载体容器，与所述光热器通过管路连接，且所述高温载热体容器上具有高温管路；

高温热交换装置，分别与所述高温热载体容器以及中温热载体容器通过管路连接，所述高温热交换装置上具有中温进液管和高温出液管；

其中，所述第二温度高于所述第一温度，当光照不足时，所述储能电池为所述辅热器供电将所述光热器中的热载体加热至第二温度，且所述中温热载体容器上还直接或间接连通有中温管路。

2.根据权利要求1所述的太阳能分级供热系统，其特征在于，该系统还包括水平衡装置，所述高温热交换装置与所述中温热载体容器通过所述水平衡装置连通，所述中温管路设置在所述水平衡装置上，所述水平衡装置上具有与所述高温热交换装置连通的第一管路、与所述中温热载体容器连通的第二管路和第三管路，所述第三管路的高度高于第二管路的高度，当所述水平衡装置内的水位超过最高液位时，所述水平衡装置内的热载体通过所述第三管路进入至所述中温热载体容器。

3.根据权利要求2所述的太阳能分级供热系统，其特征在于，所述中温管路的高度低于所述第二管路，所述第一管路的高度高于所述第二管路，所述第三管路的高度高于所述第一管路，所述水平衡装置内在所述第一管路的接口水平线与所述第二管路的接口水平线间设置有液位传感器，所述第二管路和第三管路上均具有阀门，当液位低于所述第二管路的接口水平线时，所述第二管路上的阀门开启，使得所述中温热载体容器内的热载体流入至所述水平衡装置内；当液位高于所述第一管路的接口水平线时，所述第三管路上的阀门开启，使得所述水平衡装置内的热载体流入至所述中温热载体容器内。

4.根据权利要求2所述的太阳能分级供热系统，其特征在于，经所述低温进液管进入至所述中温热交换装置并经所述中温出液管流出的热载体，与所述中温热交换装置内经所述中温热载体容器内流入的热载体不直接接触，以向用户提供隔离中温热能；

经所述中温进液管进入至所述高温热交换装置并经所述高温出液管流出的热载体，与所述高温热交换装置内经所述高温热载体容器内流入并流出至所述水平衡装置内的热载体不直接接触，以向用户提供隔离高温热能。

5.根据权利要求2所述的太阳能分级供热系统，其特征在于，所述第一温度的温度范围为40至80摄氏度，所述第二温度的温度范围为80至95摄氏度。

6.根据权利要求3所述的太阳能分级供热系统，其特征在于，所述中温热载体容器的容积大于所述高温热载体容器的容积。

7.根据权利要求6所述的太阳能分级供热系统，其特征在于，各管路上均具有朝向热载体流动方向设置的单向阀。

8.根据权利要求7所述的太阳能分级供热系统，其特征在于，当光照不足时，经所述光热器加热的热载体从所述高温热载体容器内流入至所述高温热交换装置中，并流经所述水平衡装置后，回流至所述中温热载体容器内，以保证所述中温热载体容器内的水温满足需求。

9.一种如权利要求1至8任一项所述的太阳能分级供热系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

当光照充足时，PVT光伏光热装置对流经其内的热载体加热至第一温度，并将一部分光能转化为电能存储在储能电池中，热载体流经中温热载体容器并部分流入至中温热交换装置进行热交换，经热交换后的热载体回流至低温热载体容器内；

光热器对从中温热载体容器内流入的热载体继续加热至第二温度，加热至第二温度后的热载体流入高温热载体中，热载体部分供用户使用，其余热载体流入至高温热交换装置进行热交换，经热交换后的热载体回流至中温热载体容器内；

当光照不足时，所述储能电池为所述光热器中的辅热器供电，所述辅热器将流经所述光热器中的热载体加热至第二温度，流经高温热载体容器和高温热交换装置后回流至中温热载体容器内供用户使用。

10.根据权利要求9所述的太阳能分级供热系统的控制方法，其特征在于，在热载体从所述高温热交换装置流入中温热载体容器的过程中，先流入至水平衡装置内，中温热载体容器内的热载体流入水平衡装置内供用户使用，当水平衡装置内的液位高于最高值时，热载体从所述水平衡装置回流至所述中温热载体容器内。

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