CN113503657B - 一种集成余热回收和自清洗功能的太阳能辅助热泵系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集成余热回收和自清洗功能的太阳能辅助热泵系统，属于太阳能发电及热泵系统技术领域，包括太阳能电池板集成装置、直燃式吸收式热泵机组、与太阳能电池板集成装置和直燃式吸收式热泵机组相连通的工况回路；所述太阳能电池板集成装置包括通过传动轴设置在2个支架上的太阳能电池板、设置在太阳能电池板上端的隔热保温装置、设置在支架上的传动装置、设置在太阳能电池板上的自动清洗装置和设置在太阳能电池板背面的换热器；所述工况回路分为夏季白天工况回路、夏季夜间工况回路、冬季白天工况回路、冬季夜间工况回路。本发明不仅能够降低系统的运行费用，提高热泵效率，而且能够为用户创造额外的电量，提高太阳能电池板的发电效率。

Description

一种集成余热回收和自清洗功能的太阳能辅助热泵系统
技术领域
本发明涉及太阳能发电及热泵系统技术领域，尤其是一种集成余热回收和自清洗功能的太阳能辅助热泵系统。
背景技术
吸收式热泵是一种利用低品位热源，实现将热量从低温热源向高温热源泵送的循环系统，是回收利用低温位热的有效装置，具有节约能源、保护环境的双重作用。吸收式热泵可以分为两类：
第一类为吸收式热泵，也称增热型热泵，是利用少量的高温热源（如蒸汽、高温热水、可燃性气体燃烧）为驱动热源，产生大量的中温有用热能，及利用高温热能驱动把低温源的热能提高到中温，从而提高热能的利用效率。
第二类为直燃型吸收式热泵系统，采用天然气为主要燃料，天然气燃烧产生的热量加热溴化锂稀溶液，使其中的水变为水蒸气，完成系统循环，实现用户端的供冷或供热。该系统将被加热的溴化锂溶液与进入高温发生器前的溴化锂浓溶液进行热交换，对稀溶液进行预热，一定程度上减少了天然气的使用，但降低了溴化锂稀溶液的温度，降低了吸收器制备热水的效率，并且预热效果不明显；该系统中制备冷却水的冷却塔占据了绝大部分的电能损耗，提高了系统的运行成本。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种集成余热回收和自清洗功能的太阳能辅助热泵系统，通过在系统中加入改造后的太阳能电池板，改变装置管线在不同工况下的运行情况，从而达到节能的目的；不仅减少了冷却塔的使用，提高了预热效果，降低了系统的运行成本，提高了热泵效率，且为用户创造了额外的电能使用，提高了太阳能电池板的发电效率。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种集成余热回收和自清洗功能的太阳能辅助热泵系统，包括太阳能电池板集成装置、直燃式吸收式热泵机组、与太阳能电池板集成装置和直燃式吸收式热泵机组相连通的工况回路；所述太阳能电池板集成装置包括通过传动轴设置在2个支架上的太阳能电池板、设置在太阳能电池板上端的隔热保温装置、设置在支架上的传动装置、设置在太阳能电池板上的自动清洗装置和设置在太阳能电池板背面的换热器；
所述直燃式吸收式热泵机组包括冷凝器、吸收器、低温发生器、蒸发器、高温换热器、低温换热器、高温发生器以及管路阀门；所述直燃式吸收式热泵机组以水为制冷或供热工质，以溴化锂为吸收剂，以天然气为燃料；
所述工况回路分四种工况：
一是通过直燃式吸收式热泵机组将太阳能电池板产生的低品位热源转换为高品位热源的夏季白天工况回路，
二是以太阳能电池板背面为接受面与天空进行辐射换热、取代冷却塔的夏季夜间工况回路，
三是太阳能电池板产生的余热为蒸发器提供蒸发温度的冬季白天工况回路，
四是以燃烧天然气加热供暖热水的方式为室内提供供暖热水的冬季夜间工况回路。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述太阳能电池板采用单晶硅或多晶硅电池片串并联，用钢化玻璃、EVA及TPT热压密封而成，周边加装铝合金边框固定；
所述隔热保温装置包括卷轴和能够覆盖太阳能电池板背面的隔热膜；
所述传动装置包括能够实现太阳能电池板随太阳方位角的转动实时调整太阳能电池板与地面夹角的太阳能跟踪控制器；
所述自动清洗装置包括能够对太阳能电池板定期清洗的椭圆形喷嘴及相应管路。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述夏季白天工况回路包括冷却塔、混合水箱、水泵一、水泵二、若干个电动调节阀及相应管路；水泵一将混合水箱中的水送入太阳能电池板集成装置中，吸收太阳能电池板集成装置中由于太阳能电池板发电而产生的余热后，回到混合水箱中与混合水箱中的水混合；低温换热器用来自混合水箱中的水将溴化锂稀溶液进行预热；冷却塔冷却冷凝器、吸收器中的水，蒸发器为用户提供制冷所需冷冻水。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述夏季夜间工况回路包括混合水箱、水泵一、水泵三、若干个电动调节阀及相应管路；水泵一将混合水箱中的水送入太阳能电池板集成装置中与天空进行辐射换热，降低水温后送回混合水箱中与混合水箱中的水进行混合；水泵三将来自冷凝器、吸收器中需要冷却的水送入混合水箱中，与来自太阳电池板集成装置中的冷水混合降温后送回吸收器、冷凝器中吸收热量。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述冬季白天工况回路包括混合水箱、水泵一、水泵二、若干个电动调节阀及相应管路；水泵一将混合水箱中的水送入太阳能电池板集成装置中，吸收所述太阳能电池板集成装置中由于太阳能电池板发电而产生的余热后，回到混合水箱中与混合水箱中的水混合，混合水箱中的热水为蒸发器提供蒸发温度以确保循环的进行。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述混合水箱一侧上部为热泵水入口，下部为太阳能水出口；所述混合水箱另一侧的上部为太阳能水入口，下侧为热泵水出口。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述太阳能电池板集成装置将太阳能电池板、隔热保温装置与换热器集成为一体；所述换热器材料采用最耐腐蚀且寿命长的钛金属，所述太阳能电池板与换热器中间依次设置导热硅脂、石墨烯导热片和导热硅脂，能够在增强换热的同时确保其绝缘效果。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述隔热膜为铝箔气泡复合材料。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述椭圆形喷嘴设置在太阳能电池板的四角处，共设置4个。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
1、本发明以太阳能电池板运行过程中产生的余热为辅助热源，通过溴化锂吸收式机组向用户提供制冷需求，有效的降低了太阳能电池板运行过程中的温度，提高了其发电效率，实现了太阳能的充分利用，延长了太阳能电池板的寿命，减少了直燃式吸收式热泵机组在运行过程中天然气的消耗量，达到了节能减排的目的。
2、本发明通过对太阳能电池板进行相应设计，能够实现白天工况和夜间工况不同功能的转换，降低冷却塔的耗电量；白天，利用太阳能电池板发电产生的热量对吸收式机组进行辅助加热；夜间，利用传动装置，将太阳能电池板背面朝上，利用夜间有效天空温度低的原理，代替冷却塔，冷却机组中的冷却水，减少机组的耗电量，节省了电力资源及运行成本，有效地提升了机组整体的节能水平，降低了能源的利用。
3、本发明在太阳能电池板的四角加入椭圆形喷嘴，对太阳能电池板进行定期清理，省略了定期安排专人清理的人工成本，降低了机组的运行成本。
4、本发明中将太阳能转化成电能，利用制冷过程中产生的余热进行生活热水的制备，极大地提高了太阳能的利用率。
5、本发明在提高太阳能发电效率的同时，满足用户的冷热需求，降低在制冷、供暖过程中的能耗，提高能源系统的能源利用率，达到节能减排的目的，为实现“碳达峰”、“碳中和”的战略性目标，提供一种新型的节能减排方式。
附图说明
图1是本发明的系统整体流程图；
图2是本发明的太阳能电池板集成装置的整体示意图；
图3是本发明的太阳能电池板背面安装换热器示意图；
图4是本发明的太阳能电池板正面结构示意图图；
图5是本发明的太阳能电池板集成装置中的隔热保温装置及自动清洗装置部件示意图；
图6是本发明的夏季白天工况系统流程图；
图7为本发明的夏季夜间工况系统流程图；
图8为本发明的冬季白天工况系统流程图；
图9为本发明的冬季夜间工况系统流程图；
其中，1、太阳能电池板集成装置，1-1、太阳能电池板，1-2、隔热保温装置，1-2-1卷轴、1-2-2、隔热膜，1-3、传动装置，1-4、支架，1-5、自动清洗装置，1-6、换热器，2、直燃式吸收式热泵机组，2-1、冷凝器，2-2、吸收器，2-3、低温发生器，2-4、蒸发器，2-5、高温换热器，2-6、低温换热器，2-7、高温发生器，3、冷却塔，4、混合水箱，5、水泵一，6、水泵二，7、水泵三，8、电动调节阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明：
如图1-9所示，一种集成余热回收和自清洗功能的太阳能辅助热泵系统，包括太阳能电池板集成装置1、直燃式吸收式热泵机组2、与太阳能电池板集成装置1和直燃式吸收式热泵机组2相连通的工况回路；
所述太阳能电池板集成装置1包括通过传动轴设置在2个支架1-4上的太阳能电池板1-1、设置在太阳能电池板1-1上端的隔热保温装置1-2、设置在支架1-4上的传动装置1-3、设置在太阳能电池板1-1上的自动清洗装置1-5和设置在太阳能电池板1-1背面的换热器1-6；
所述太阳能电池板1-1采用单晶硅或多晶硅电池片串并联，用钢化玻璃、EVA及TPT热压密封而成，周边加装铝合金边框固定；
为了实现白天与夜间的功能切换，在换热器1-6背面安装隔热保温装置1-2，用于太阳能电池板的隔热，以减少热量散失；所述隔热保温装置1-2包括用于控制隔热膜1-2-2收缩的卷轴1-2-1和能够覆盖太阳能电池板1背面的隔热膜1-2-2；所述隔热膜1-2-2为铝箔气泡复合材料。当处于白天工况时，卷轴1-2-1将隔热膜1-2-2覆盖到整个换热器1-6背面，以减少热量的损失，与钛制换热器1-6内的水充分换热；当处于夜间工况时，卷轴1-2-1将隔热膜1-2-2收起，增强换热器1-6中的冷却水与天空的辐射换热，提高系统的整体性能。
所述传动装置1-3包括能够实现太阳能电池板1-1随太阳方位角的转动实时调整太阳能电池板1-1与地面夹角的太阳能跟踪控制器；确保太阳光对太阳能电池板的垂直照射，提高发电效率。传动装置1-3还能够实现白天、夜间两种工况下，太阳能电池板1-1的翻转，以确保白天发电、取热，夜间辐射放热的设计目的，满足白天、夜间不同工况下对太阳能电池板的不同需求。
所述自动清洗装置1-5包括能够对太阳能电池板1-1定期清洗的椭圆形喷嘴及相应管路；所述椭圆形喷嘴设置在太阳能电池板1-1的四角处，共设置4个，椭圆形喷嘴的个数也可以依据太阳能电池板1-1的实际大小进行设置，不局限于设置在四角处，也不局限于4个。根据相应的太阳能电池板1-1面积，设计喷嘴流量，使其能有效地覆盖整块太阳能电池板1-1，对太阳能电池板1-1进行定期清洗，节省了系统的运行成本。
所述太阳能电池板集成装置1将太阳能电池板1-1、隔热保温装置1-2与换热器1-6集成为一体，所述换热器1-6材料采用最耐腐蚀且寿命长的钛金属，所述太阳能电池板1-1与换热器1-6中间加入依次设置导热硅脂、石墨烯导热片和导热硅脂，能够在增强换热的同时确保其绝缘效果。
所述直燃式吸收式热泵机组2包括冷凝器2-1、吸收器2-2、低温发生器2-3、蒸发器2-4、高温换热器2-5、低温换热器2-6、高温发生器2-7以及管路阀门；所述直燃式吸收式热泵机组2以水为制冷或供热工质，以溴化锂为吸收剂，以天然气为燃料；
所述工况回路分四种工况：
一是通过直燃式吸收式热泵机组2将太阳能电池板1-1产生的低品位热源转换为高品位热源的夏季白天工况回路，所述夏季白天工况回路包括冷却塔3、混合水箱4、水泵一5、水泵二6、若干个电动调节阀8及相应管路；水泵一5将混合水箱4中的水送入太阳能电池板集成装置1中，吸收太阳能电池板集成装置1中由于太阳能电池板1-1发电而产生的余热后，回到混合水箱4中与混合水箱4中的水混合；低温换热器2-6用来自混合水箱4中的水将溴化锂稀溶液进行预热；冷却塔3冷却冷凝器2-1、吸收器2-2中的水，蒸发器2-4为用户提供制冷所需冷冻水。
二是以太阳能电池板1-1背面为接受面与天空进行辐射换热、取代冷却塔3的夏季夜间工况回路，所述夏季夜间工况回路包括混合水箱4、水泵一5、水泵三7、若干个电动调节阀8及相应管路；水泵一5将混合水箱4中的水送入太阳能电池板集成装置1中与天空进行辐射换热，降低水温后送回混合水箱4中与混合水箱4中的水进行混合；水泵三7将来自冷凝器2-1、吸收器2-2中需要冷却的水送入混合水箱4中，与来自太阳电池板集成装置1中的冷水混合降温后送回吸收器2-2、冷凝器2-1中吸收热量。
三是太阳能电池板1-1产生的余热为蒸发器2-4提供蒸发温度的冬季白天工况回路，所述冬季白天工况回路包括混合水箱4，水泵一5、水泵二6、若干个电动调节阀8及相应管路；水泵一5将混合水箱4中的水送入太阳能电池板集成装置1中，吸收所述太阳能电池板集成装置1中由于太阳能电池板1-1发电而产生的余热后，回到混合水箱4中与混合水箱4中的水混合，混合水箱4中的热水为蒸发器2-4提供蒸发温度以确保循环的进行。
所述混合水箱4一侧上部为热泵水入口，下部为太阳能水出口；所述混合水箱4另一侧的上部为太阳能水入口，下侧为热泵水出口。
四是以燃烧天然气加热供暖热水的方式为室内提供供暖热水的冬季夜间工况回路，此时只有高温发生器2-7运行。
使用方法：
如图1、6所示，在夏季白天，通过电动调节阀8改变为如图6所示的工作流程。传动装置1-3将太阳能电池板1-1调整至正常状态，电动卷轴1-2-1将铝箔气泡复合材料的隔热膜1-2-2铺开，覆盖整个换热器1-6背面，以减少热量损失，使太阳能电池板1-1与水进行充分换热。在传动装置1-3内的太阳能跟踪控制器的控制下，太阳能电池板集成装置1时刻保持与当时的太阳辐射光线垂直。与传统双效溴化锂吸收式热泵系统相比，本系统使用流经低温换热器2-6的水系统代替原有的浓溶液来实现稀溶液的预热。在水系统中，水泵一5将混合水箱4中的水推动至太阳能电池板1-1侧换热器1-6中，换热器1-6中的循环水经过换热后进入混合水箱4，水泵二6将混合水箱4中的热水送至低温换热器2-6中给即将进入低温发生器2-3的稀溶液进行预热处理。预处理后的回水再次进入混合水箱4，完成系统水循环，其他工作过程与双效溴化锂吸收式系统相同。
如图1、7所示，在夏季夜间，通过电动调节阀8改变为如图7所示的工作流程。关闭冷却塔3，传动装置1-3将太阳能电池板1-1的背面调至朝上，卷轴1-2-1将材质为铝箔气泡复合材料的隔热膜1-2-2卷起，水泵一5推动混合水箱4中的水进入太阳能电池板1-1背面的换热器1-6中，利用夜晚有效天空温度低于冷却水温度的原理，通过辐射散热降低水温，为直燃式吸收式热泵机组2提供冷却水（当混合水箱4中的水满足温度要求时，再向直燃式吸收式热泵机组2提供冷却循环水）。
如图1、8所示，在冬季白天，通过电动调节阀8改变为如图8所示的工作流程。水泵一5推动混合水箱4中的水进入太阳能电池板1-1背面的换热器1-6中，利用太阳能电池板1-1的余热加热换热器1-6中的水，升温后进入混合水箱4，通过水泵二6为直燃式吸收式热泵机组2提供低品位的热源，在蒸发器2-4内散热后回到混合水箱4，完成系统水循环。在无阳光照射的天气情况下系统将参照冬季夜间工况来运行。
如图1、9所示，在冬季夜间，通过电动调节阀8改变为如图9所示的工作流程。太阳能电池板1-1停止工作，无法产生低温热水，直燃式吸收式热泵机组2其他设置停止运行，此时直接利用高温发生器2-7中燃烧天然气所产生的热量加热供暖所需的热水，满足夜间供暖，此时系统相当于锅炉。
综上所述，本发明以太阳能电池板运行过程中产生的余热为辅助热源，通过溴化锂吸收式机组向用户提供制冷需求，有效的降低了太阳能电池板运行过程中的温度，提高了其发电效率，实现了太阳能的充分利用，延长了太阳能电池板的寿命，减少了直燃式吸收式热泵机组在运行过程中天然气的消耗量，达到了节能减排的目的。

Claims (9)

1.一种集成余热回收和自清洗功能的太阳能辅助热泵系统，包括太阳能电池板集成装置（1）、直燃式吸收式热泵机组（2）、与太阳能电池板集成装置（1）和直燃式吸收式热泵机组（2）相连通的工况回路；其特征在于：
所述太阳能电池板集成装置（1）包括通过传动轴设置在2个支架（1-4）上的太阳能电池板（1-1）、设置在太阳能电池板（1-1）上端的隔热保温装置（1-2）、设置在支架（1-4）上的传动装置（1-3）、设置在太阳能电池板（1-1）上的自动清洗装置（1-5）和设置在太阳能电池板（1-1）背面的换热器（1-6）；所述隔热保温装置（1-2）包括用于控制隔热膜（1-2-2）收缩的卷轴（1-2-1）和能够覆盖太阳能电池板（1-1）背面的隔热膜（1-2-2）；
所述直燃式吸收式热泵机组（2）包括冷凝器（2-1）、吸收器（2-2）、低温发生器（2-3）、蒸发器（2-4）、高温换热器（2-5）、低温换热器（2-6）、高温发生器（2-7）以及管路阀门；所述直燃式吸收式热泵机组（2）以水为制冷或供热工质，以溴化锂为吸收剂，以天然气为燃料；
所述工况回路分四种工况：
一是通过直燃式吸收式热泵机组（2）将太阳能电池板（1-1）产生的低品位热源转换为高品位热源的夏季白天工况回路，传动装置（1-3）将太阳能电池板（1-1）调整至正常状态，电动卷轴（1-2-1）将隔热膜（1-2-2）铺开，覆盖整个换热器（1-6）背面，以减少热量损失，使太阳能电池板（1-1）与水进行充分换热；
二是以太阳能电池板（1-1）背面为接受面与天空进行辐射换热、取代冷却塔（3）的夏季夜间工况回路，关闭冷却塔（3），传动装置（1-3）将太阳能电池板（1-1）的背面调至朝上，卷轴（1-2-1）将隔热膜（1-2-2）卷起；
三是太阳能电池板（1-1）产生的余热为蒸发器（2-4）提供蒸发温度的冬季白天工况回路，
四是以燃烧天然气加热供暖热水的方式为室内提供供暖热水的冬季夜间工况回路。
2.根据权利要求1所述的一种集成余热回收和自清洗功能的太阳能辅助热泵系统，其特征在于：
所述太阳能电池板（1-1）采用单晶硅或多晶硅电池片串并联，用钢化玻璃、EVA及TPT热压密封而成，周边加装铝合金边框固定；
所述传动装置（1-3）包括能够实现太阳能电池板（1-1）随太阳方位角的转动实时调整太阳能电池板（1-1）与地面夹角的太阳能跟踪控制器；
所述自动清洗装置（1-5）包括能够对太阳能电池板（1-1）定期清洗的椭圆形喷嘴及相应管路。
3.根据权利要求1所述的一种集成余热回收和自清洗功能的太阳能辅助热泵系统，其特征在于：
所述夏季白天工况回路包括冷却塔（3）、混合水箱（4）、水泵一（5）、水泵二（6）、若干个电动调节阀（8）及相应管路；水泵一（5）将混合水箱（4）中的水送入太阳能电池板集成装置（1）中，吸收太阳能电池板集成装置（1）中由于太阳能电池板（1-1）发电而产生的余热后，回到混合水箱（4）中与混合水箱（4）中的水混合；低温换热器（2-6）用来自混合水箱（4）中的水将溴化锂稀溶液进行预热；冷却塔（3）冷却冷凝器（2-1）、吸收器（2-2）中的水，蒸发器（2-4）为用户提供制冷所需冷冻水。
4.根据权利要求1所述的一种集成余热回收和自清洗功能的太阳能辅助热泵系统，其特征在于：
所述夏季夜间工况回路包括混合水箱（4）、水泵一（5）、水泵三（7）、若干个电动调节阀（8）及相应管路；水泵一（5）将混合水箱（4）中的水送入太阳能电池板集成装置（1）中与天空进行辐射换热，降低水温后送回混合水箱（4）中与混合水箱（4）中的水进行混合；水泵三（7）将来自冷凝器（2-1）、吸收器（2-2）中需要冷却的水送入混合水箱（4）中，与来自太阳电池板集成装置（1）中的冷水混合降温后送回吸收器（2-2）、冷凝器（2-1）中吸收热量。
5.根据权利要求1所述的一种集成余热回收和自清洗功能的太阳能辅助热泵系统，其特征在于：
所述冬季白天工况回路包括混合水箱（4），水泵一（5）、水泵二（6）、若干个电动调节阀（8）及相应管路；水泵一（5）将混合水箱（4）中的水送入太阳能电池板集成装置（1）中，吸收所述太阳能电池板集成装置（1）中由于太阳能电池板（1-1）发电而产生的余热后，回到混合水箱（4）中与混合水箱（4）中的水混合，混合水箱（4）中的热水为蒸发器（2-4）提供蒸发温度以确保循环的进行。
6.根据权利要求3-5任一项所述的一种集成余热回收和自清洗功能的太阳能辅助热泵系统，其特征在于：所述混合水箱（4）一侧上部为热泵水入口，下部为太阳能水出口；所述混合水箱（4）另一侧的上部为太阳能水入口，下侧为热泵水出口。
7.根据权利要求1-5任一项所述的一种集成余热回收和自清洗功能的太阳能辅助热泵系统，其特征在于：所述太阳能电池板集成装置（1）将太阳能电池板（1-1）、隔热保温装置（1-2）与换热器（1-6）集成为一体，所述换热器（1-6）材料采用最耐腐蚀且寿命长的钛金属，所述太阳能电池板（1-1）与换热器（1-6）中间依次设置导热硅脂、石墨烯导热片和导热硅脂，能够在增强换热的同时确保其绝缘效果。
8.根据权利要求2所述的一种集成余热回收和自清洗功能的太阳能辅助热泵系统，其特征在于：所述隔热膜（1-2-2）为铝箔气泡复合材料。
9.根据权利要求2所述的一种集成余热回收和自清洗功能的太阳能辅助热泵系统，其特征在于：所述椭圆形喷嘴设置在太阳能电池板（1-1）的四角处，共设置4个。
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