CN114440474A - 一种基于pvt组件的冷热电联供系统及运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于PVT组件的冷热电联供系统及运行方法，基于PVT组件的冷热电联供系统包括液态工质PVT集热系统和直膨式PVT热泵供热供冷系统，液态工质PVT集热系统和直膨式PVT热泵供热供冷系统之间相互连接；液态工质PVT集热系统包括空气压缩模块、抽真空模块和液态工质集热模块；空气压缩模块、抽真空模块均与液态工质集热模块连接；直膨式PVT热泵供热供冷系统包括太阳能模块、空气源模块与循环控制模块；太阳能模块、空气源模块均与循环控制模块连接。本发明的有益效果是：本发明将直膨式PVT热泵供热供冷系统与液态工质PVT集热系统结合起来，降低了功耗，提高了发电效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能利用领域，更确切地说，它涉及一种基于PVT组件的冷热电联供系统及运行方法。
背景技术
光伏光热一体化（Photovoltaic Thermal，PVT）技术，通过换热器高效吸收光伏余热，光伏温度得以降低，减小了光伏温度系数对其发电性能的影响，发电效率得以提升，换热器产生的热水可用于生活热水或者供暖，实现热电联供。
PVT技术种类较多，一种主要以水或防冻液为传热介质的液体PVT集热器，该技术通过循环传热介质吸收光伏余热，该类集热器需要添加保温材料才能保证集热器具有一定热效率。该类集热器的问题是：夏天产热较多，水箱温度达到设定点时或者集热系统故障而无法进行集热循环时，光伏余热由于集热器的保温特性而逐渐积累，最终导致集热器温度超过其安全使用范围，存在安全隐患；冬季条件下，环境温度较低，集热系统热损较大，热效率较低，无法及时产生所需温度的热水，需要额外消耗较多的能源进行辅热；受天气情况影响较大，阴雨天系统基本无法运行。一种是以冷媒为传热介质的直膨式PVT集热器，该集热器作为热泵的蒸发器，配合热泵来进行使用，即直膨式PVT热泵。由于冷媒蒸发温度比环境温度低，换热效率比较高，集热器一般不需要添加保温材料，所以没有液体PVT集热器过热的问题。热泵蒸发热源来自光伏余热，温度比环境温度高，所以其能效比（Coefficient ofPerformance，COP）比空气源热泵还要高很多，更加节能。但相比于PVT自身的发电量，直膨式PVT热泵耗电量仍然较大，甚至可能出现其耗电量大于其发电量的情况，而且只有热泵工作时PVT才有发电增益的效果，不工作时，PVT发电性能比同等工况下的光伏（Photovoltaic，PV）组件略低。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供了一种基于PVT组件的冷热电联供系统及运行方法，所述技术方案如下：
第一方面，提供了一种基于PVT组件的冷热电联供系统，包括：液态工质PVT集热系统和直膨式PVT热泵供热供冷系统，液态工质PVT集热系统和直膨式PVT热泵供热供冷系统之间相互连接；
液态工质PVT集热系统包括空气压缩模块、抽真空模块和液态工质集热模块；空气压缩模块、抽真空模块均与液态工质集热模块连接；
直膨式PVT热泵供热供冷系统包括太阳能模块、空气源模块与循环控制模块；太阳能模块、空气源模块均与循环控制模块连接。
作为优选，空气压缩模块包括空气压缩单元和第十四电动阀门；抽真空模块包括第十五电动阀门和抽真空单元；液态工质集热模块包括集热水箱、第一换热器、膨胀罐、循环泵、排液阀、液态工质PVT集热器、循环工质管路、保温系统气体管路和电缆；集热水箱内部具有第一换热器，第一换热器、膨胀罐和循环泵通过循环工质管路依次连接至液态工质PVT集热器；液态工质集热模块包括至少两个液态工质PVT集热器，所述至少两个液态工质PVT集热器通过电缆、循环工质管路和保温系统气体管路形成组串。
作为优选，太阳能模块包括至少两个直膨式PVT集热器和电缆；所述至少两个直膨式PVT集热器通过所述电缆形成组串；空气源模块包括风冷换热器；循环控制模块包括：第一电子膨胀阀、第一电动阀门、第二电动阀门、第三电动阀门、第四电动阀门、第五电动阀门、第六电动阀门、四通换向阀、第七电动阀门、第八电动阀门、第九电动阀门、第十电动阀门、第十一电动阀门、第十二电动阀门、第十三电动阀门、供热水箱和第一循环泵；循环控制模块中的供热水箱分别连接供热端和第一循环泵；第一循环泵依次通过第十电动阀门、第九电动阀门和第二电动阀门连接风冷换热器；风冷换热器、第五电动阀门、四通换向阀、第七电动阀门、第十三电动阀门和第十二电动阀门依次连接；第一电动阀门和第二电动阀门并联；第一电动阀门通过第三电动阀门连接至第一电子膨胀阀；第六电动阀门和第五电动阀门并联；第六电动阀门通过第四电动阀门连接至太阳能模块；第十一电动阀门和第十电动阀门并联；第八电动阀门和第七电动阀门并联。
作为优选，所述直膨式PVT集热器包括第二换热器，所述第二换热器由单个宽边换热器构成，或由左换热器和右换热器构成，或由3个窄边换热器构成；宽边换热器、左换热器、右换热器和窄边换热器均包括：直膨式PVT集热器入口管道、入口区域、第一六边形流道区域、光伏接线盒区域过渡流道区域、第二六边形流道区域、过渡区域、十字形流道区域、出口流道区域和直膨式PVT集热器出口管道；宽边换热器、左换热器、右换热器和窄边换热器均由平面板和凸起板构成，平面板一侧表面光滑，通过缓冲层与背板接触，凸起板一侧涂有防腐层，并与空气接触。
作为优选，所述液态工质PVT集热器包括：由上至下依次排列的增效层、透明保护层、第一EVA胶、光伏电池、第二EVA胶、背板、缓冲层、液体工质换热器、充气保温层、保温层和保护层；所述充气保温层具有充气状态和泄气状态；当充气保温层处于充气状态时，充气保温层将液体工质换热器与保温层之间的空间填充满；当充气保温层处于泄气状态时，液体工质换热器与充气保温层之间存在空气层。
作为优选，所述液体工质换热器包括进口区域、换热区域和出口区域；所述进口区域上具有下集管；所述换热区域由若干换热流道及平板组成，换热流道间距不大于110mm，换热流道截面呈半椭圆状，平板厚度不小于0.2mm，平板上留有光伏接线盒孔；所述出口区域上具有上集管。
第二方面，提供了基于PVT组件的冷热电联供系统的运行方法，由第一方面任一所述的基于PVT组件的冷热电联供系统运行，所述液态工质PVT集热系统具有太阳能集热运行模式和散热保护模式；所述直膨式PVT热泵供热供冷系统具有太阳能制热水模式、太阳能制热水除霜模式、空气源制热水模式、空气源制热水除霜模式和制冷模式。
作为优选，所述太阳能集热运行模式具体包括以下步骤：
步骤1、开启第十四电动阀门，空气压缩单元给充气保温层充气；
步骤2、充气保温层将液体工质换热器与保温层之间的空间填充满后，关闭第十四电动阀门；
步骤3、开启第二循环泵；
所述散热保护模式具体包括以下步骤：
步骤1、开启第十五电动阀门，抽真空单元将充气保温层中的空气抽吸干净；
步骤2、关闭抽真空单元和第十五电动阀门；
所述太阳能制热水模式具体包括以下步骤：
步骤1、开启第一循环泵；
步骤2、开启第三电动阀门、第四电动阀门、第五电动阀门、第七电动阀门、第九电动阀门、第十电动阀门，关闭直膨式PVT热泵供热供冷系统中的其余电动阀门；
步骤3、将四通换向阀的a、b两端连通，c、d两端连通；
所述空气源制热水模式具体包括以下步骤：
步骤1、开启第一循环泵；
步骤2、开启第二电动阀门、第四电动阀门、第五电动阀门、第七电动阀门、第十电动阀门，关闭直膨式PVT热泵供热供冷系统中的其余电动阀门；
步骤3、将四通换向阀的a、b两端连通，c、d两端连通；
所述太阳能制热水除霜模式具体包括以下步骤：
步骤1、直膨式PVT热泵供热供冷系统在运行所述太阳能制热水模式且直膨式PVT集热器表面结霜时，直膨式PVT热泵供热供冷系统的运行模式切换为所述空气源制热水模式；
步骤2、直膨式PVT集热器表面的霜融化，或直膨式PVT集热器的表面温度到达设定的第一温度以上时，直膨式PVT热泵供热供冷系统的运行模式切换成太阳能制热水模式；
所述空气源制热水除霜模式具体包括以下步骤：
步骤1、开启第一循环泵；
步骤2、开启第一电动阀门、第六电动阀门、第八电动阀门、第十一电动阀门；
步骤3、将四通换向阀的c、b两端连通，a、d两端连通；
所述制冷模式具体包括以下步骤：
步骤1、开启第一电动阀门、第六电动阀门、第八电动阀门、第十二电动阀门、第十三电动阀门，关闭直膨式PVT热泵供热供冷系统中的其余电动阀门；
步骤2、将四通换向阀的c、b两端连通，a、d两端连通。
作为优选，设有第二温度和第三温度，所述第一温度小于第二温度，所述第二温度小于第三温度；
当集热水箱工质温度不高于第二温度，且液态工质PVT集热器温度与集热水箱下部水工质温度的温度差大于第一温度时，液态工质PVT集热系统运行所述太阳能集热运行模式；
当集热水箱工质温度高于第二温度，且液态工质PVT集热器温度低于第三温度时，液态工质PVT集热系统停止运行所述太阳能集热运行模式；
当集热水箱工质温度高于第二温度，且液态工质PVT集热器温度不低于第三温度时，液态工质PVT集热系统运行所述散热保护模式。
作为优选，供热水箱为恒温水箱，温度保持为第二温度，补水源来自集热水箱；当供热水箱的热水送往供热端时，集热水箱补水口补入自来水，然后将集热水箱上部的热水送入至供热水箱；当供热水箱温度低于第二温度时，直膨式PVT热泵供热供冷系统根据判断条件运行太阳能制热水模式、太阳能制热水除霜模式、空气源制热水模式或空气源制热水除霜模式；
所述判断条件包括：
当直膨式PVT集热器电流不小于设定值，且直膨式PVT集热器表面温度稳定不低于0℃时，直膨式PVT热泵供热供冷系统运行所述太阳能制热水模式；
当直膨式PVT集热器电流不小于设定值，且直膨式PVT集热器表面温度小于0℃时，直膨式PVT热泵供热供冷系统运行所述太阳能制热水除霜模式；
当直膨式PVT集热器电流小于设定值，且风冷换热器表面温度稳定不低于0℃时，直膨式PVT热泵供热供冷系统运行所述空气源制热水模式；
当直膨式PVT集热器电流小于设定值，且风冷换热器表面温度稳定低于0℃时，直膨式PVT热泵供热供冷系统运行所述空气源制热水除霜模式。
本发明的有益效果是：
1、本发明将直膨式PVT热泵供热供冷系统与液态工质PVT集热系统结合起来，相比于单独的直膨式PVT热泵供热供冷系统和液态工质PVT集热系统，优点为：（1）热水供应有保障，随时有热水供应；（2）夏季条件下，液态工质PVT集热系统性能较好，产生的热水温度较高，其作为补水可以降低直膨式PVT热泵供热供冷系统的耗电量，比单独的直膨式PVT热泵更加省电，同时可用于制冷的时间增加，制冷性能更加稳定，用户体验感更好；（3）冬季条件下，液态工质PVT集热系统热效率较低，添加直膨式PVT热泵供热供冷系统后，整个系统耗电量要比单独的液态工质PVT集热系统低更多，而且制热性能更加稳定；（4）整个系统PVT发电效率增加更加明显；（5）热泵主机一机多用，具有供冷和供热水功能，对于用户而言，降低了成本，节省了空间。
2、本发明提出了3种直膨式PVT集热器换热器，即宽边换热器、左换热器-右换热器、窄边换热器。换热器采用工质一侧进、一侧出的流道布置方式，温度分布更加均匀，减小了由于换热温度不均匀引起光伏发电性能下降的可能性。宽边换热器应用时施工量较少，更加方便。左换热器-右换热器、窄边换热器加工更加方便，适用于市场上不同尺寸的光伏组件，对接线盒位置有一定差异的光伏组件的包容性也更强，应用更加灵活。
3、本发明提出的液态工质PVT集热器中，换热流道间距不大于110mm，能保证集热器换热效率，同时集热器发电效率不低于同等工况下的光伏组件；采用气体保护层，可很好解决目前液态工质PVT集热器夏季需要散热而冬季需要保温的问题，提高了液态工质PVT集热器的使用寿命和安全性。
附图说明
图1为本申请提供的冷热电联供系统框图；
图2为本申请提供的冷热电联供系统结构示意图；
图3为本申请提供的直膨式PVT集热器结构示意图；
图4为图3的直膨式PVT集热器的局部放大图；
图5为本申请提供的宽边换热器结构示意图；
图6为图5的宽边换热器的A-A剖视图；
图7为本申请提供的左换热器-右换热器结构示意图；
图8为本申请提供的窄边换热器结构示意图；
图9为本申请提供的多个窄边换热器组装示意图；
图10为本申请提供的一种液态工质PVT集热器示意图；
图11为图10的液态工质PVT集热器的局部放大图；
图12为本申请提供的另一种液态工质PVT集热器示意图；
图13为图12的液态工质PVT集热器的局部放大图；
图14为本申请提供的液体工质换热器结构示意图；
附图标记说明：第一电子膨胀阀1、直膨式PVT集热器入口管道2、 直膨式PVT集热器3、电缆4、直膨式PVT集热器出口管道5、第一电动阀门6、第二电动阀门7、第三电动阀门8、第四电动阀门9、第五电动阀门10、风冷换热器11、第六电动阀门12、制冷剂充注口13、气液分离14、压缩机15、四通换向阀16、第七电动阀门17、第八电动阀门18、第二电子膨胀阀19、第九电动阀门20、干燥器21、储液罐22、第十电动阀门23、第十一电动阀门24、第十二电动阀门25、冷凝换热器26、第十三电动阀门27、蒸发器28、供热水箱29、辅热换热器30、第一循环泵31、集热水箱32、第一换热器33、膨胀罐34、第二循环泵35、空气压缩单元36、第十四电动阀门37、排液阀38、第十五电动阀门39、抽真空单元40、液态工质PVT集热器41、循环工质管路42、保温系统气体管路43、增效层44、透明保护层45、第一EVA胶46、光伏电池47、第二EVA胶48、背板49、缓冲层50、第二换热器51、宽边换热器52、宽边换热器外轮廓53、出口流道区域54、十字形流道区域55、过渡区域56、第一六边形流道区域57、第一光伏接线盒孔58、光伏接线盒区域过渡流道区域59、第二六边形流道区域60、入口区域61、直膨式PVT集热器外轮廓62、平面板63、凸起板64、左换热器65、右换热器66、右换热器外轮廓67、左换热器外轮廓68、窄边换热器69、窄边换热器外轮廓70、液体工质换热器71、充气保温层72、保温层73、保护层74、出口区域75、上集管76、换热区域77、平板78、换热流道79、第二光伏接线盒孔80、进口区域81、下集管82、空气层83。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
实施例1：
如图1和图2所示，基于PVT组件的冷热电联供系统，包括：液态工质PVT集热系统和直膨式PVT热泵供热供冷系统，液态工质PVT集热系统和直膨式PVT热泵供热供冷系统之间相互连接；
液态工质PVT集热系统包括空气压缩模块、抽真空模块和液态工质集热模块；空气压缩模块、抽真空模块均与液态工质集热模块连接；
空气压缩模块包括空气压缩单元36和第十四电动阀门37；抽真空模块包括第十五电动阀门39和抽真空单元40；液态工质集热模块包括集热水箱32、第一换热器33、膨胀罐34、循环泵35、排液阀38、液态工质PVT集热器41、循环工质管路42、保温系统气体管路43和电缆4；液态工质集热模块包括至少两个液态工质PVT集热器41，该至少两个液态工质PVT集热器41通过电缆4、循环工质管路42和保温系统气体管路43形成组串，发的电通过逆变器接入电网。
直膨式PVT热泵供热供冷系统包括太阳能模块、空气源模块与循环控制模块；太阳能模块、空气源模块均与循环控制模块连接；
太阳能模块包括直膨式PVT集热器入口管道2、至少两个直膨式PVT集热器3、电缆4和直膨式PVT集热器出口管道5，至少两个直膨式PVT集热器3通过所述电缆4形成组串，发的电通过逆变器接入电网；空气源模块包括风冷换热器11；循环控制模块包括：第一电子膨胀阀1、第一电动阀门6、第二电动阀门7、第三电动阀门8、第四电动阀门9、第五电动阀门10、第六电动阀门12、制冷剂充注口13、气液分离14、压缩机15、四通换向阀16、第七电动阀门17、第八电动阀门18、第二电子膨胀阀19、第九电动阀门20、干燥器21、储液罐22、第十电动阀门23、第十一电动阀门24、第十二电动阀门25、冷凝换热器26、第十三电动阀门27、蒸发器28、供热水箱29、辅热换热器30、第一循环泵31；循环控制模块中的供热水箱29分别连接供热端和第一循环泵31；第一循环泵31依次通过第十电动阀门23、第九电动阀门20和第二电动阀门7连接风冷换热器11；风冷换热器11、第五电动阀门10、四通换向阀16、第七电动阀门17、第十三电动阀门27和第十二电动阀门25依次连接；第一电动阀门6和第二电动阀门7并联；第一电动阀门6通过第三电动阀门8连接至第一电子膨胀阀1；第六电动阀门12和第五电动阀门10并联；第六电动阀门12通过第四电动阀门9连接至太阳能模块；第十一电动阀门24和第十电动阀门23并联；第八电动阀门18和第七电动阀门17并联。
在另一种可选的实现方式中，液态工质集热模块中也可以只包括一个液态工质PVT集热器41，该液态工质PVT集热器41发的电通过逆变器接入电网；太阳能模块也可以只包括一个直膨式PVT集热器3，该直膨式PVT集热器3发的电通过逆变器接入电网。
此外，如图3和图4所示，直膨式PVT集热器3包括：由上至下依次排列的增效层44、透明保护层45、第一EVA胶46、光伏电池47、第二EVA胶48、背板49、缓冲层50和第二换热器51。其中，透明保护层41可以采用光伏玻璃或者透明聚氟乙烯复合膜（Tedlar PET Tedlar，TPT）等高透明耐候材料。缓冲层50可以采用EVA胶或导热胶，或者缓冲层50也可以为空气间隙层（即换热器51与背板49之间物理接触）。
需要说明的是，第二换热器51由单个宽边换热器52构成（如图5所示），或由左换热器65和右换热器66构成（如图7所示），或由3个窄边换热器69构成（如图8、9所示）；宽边换热器应用时施工量较少，更加方便；左换热器-右换热器、窄边换热器加工更加方便，适用于市场上不同尺寸的光伏组件，对接线盒位置有一定差异的光伏组件的包容性也更强，应用更加灵活。宽边换热器52、左换热器65、右换热器66和窄边换热器69均包括：直膨式PVT集热器入口管道2、入口区域61、第二六边形流道区域60、光伏接线盒区域过渡流道区域59、第一六边形流道区域57、过渡区域56、十字形流道区域55、出口流道区域54和直膨式PVT集热器出口管道5；宽边换热器52、左换热器65、右换热器66和窄边换热器69采用吹胀工艺加工，由平面板63和凸起板64构成，平面板63一侧表面光滑，通过缓冲层50与背板49接触，凸起板64一侧涂有防腐层，并与空气接触。换热器采用工质一侧进、一侧出的流道布置方式，温度分布更加均匀，减小了由于换热温度不均匀引起光伏发电性能下降的可能性。
液态工质PVT集热器41包括：由上至下依次排列的增效层44、透明保护层45、第一EVA胶46、光伏电池47、第二EVA胶48、背板49、缓冲层50、液体工质换热器71、充气保温层72、保温层73和保护层74；充气保温层72具有充气状态和泄气状态；需要说明的是，充气保温层是密闭的，当充气保温层72处于充气状态时，充气保温层72将液体工质换热器71与保温层73之间的空间填充满，起到保温和支撑作用；当充气保温层72处于泄气状态时，液体工质换热器71与充气保温层72之间存在空气层83，根据自然对流原理，空气层83里面的空气被加热就会向上流出，外面的空气会自然补充进来，重复吸热流出，进而空气层83具有散热作用。充气保温层可很好解决目前液态工质PVT集热器夏季需要散热而冬季需要保温的问题，提高了液态工质PVT集热器的使用寿命和安全性。
此外，液体工质换热器71包括进口区域81、换热区域77和出口区域75；进口区域81上具有下集管82；换热区域77由若干换热流道79及平板78组成，换热流道79间距不大于110mm，能保证集热器换热效率，同时集热器发电效率不低于同等工况下的光伏组件；换热流道79截面呈半椭圆状，平板78厚度不小于0.2mm，平板78上留有光伏接线盒孔80；出口区域75上具有上集管76。
实施例2：
一种基于PVT组件的冷热电联供系统的运行方法，由基于PVT组件的冷热电联供系统运行，液态工质PVT集热系统具有太阳能集热运行模式和散热保护模式；直膨式PVT热泵供热供冷系统具有太阳能制热水模式、太阳能制热水除霜模式、空气源制热水模式、空气源制热水除霜模式和制冷模式。
太阳能集热运行模式具体包括以下步骤：
步骤1、开启第十四电动阀门37，空气压缩单元36给充气保温层72充气；
步骤2、充气保温层72将液体工质换热器71与保温层73之间的空间填充满后，关闭第十四电动阀门37；
在执行步骤2后，液态工质PVT集热器41具有良好保温性能。
步骤3、开启第二循环泵35；
在执行步骤3后，循环工质管路42中的液态工质开始流动，进入液态工质PVT集热器41中吸收光伏组件余热，然后进入集热水箱32，通过第一换热器33将热量释放给集热水箱32中的水。其中，液态工质可以采用水或者防冻液等传热介质。
散热保护模式具体包括以下步骤：
步骤1、开启第十五电动阀门39，抽真空单元40将充气保温层72中的空气抽吸干净；
步骤2、关闭抽真空单元40和第十五电动阀门39；
在执行步骤2后，空气层83中的空气吸收液体工质换热器71的热量，然后上升流出空气层83，空气层83下侧的空气进入空气层继续吸热、流出，起到散热保护作用。
太阳能制热水模式具体包括以下步骤：
步骤1、开启第一循环泵31；
在执行步骤1后，供热水箱29下部的水工质进入冷凝换热器26吸收热量，然后返回供热水箱29上部。
步骤2、开启第三电动阀门8、第四电动阀门9、第五电动阀门10、第七电动阀门17、第九电动阀门20、第十电动阀门23，关闭直膨式PVT热泵供热供冷系统中的其余电动阀门；
步骤3、将四通换向阀16的a、b两端连通，c、d两端连通；
在执行步骤3后，制冷剂经过第一电子膨胀阀1降温降压，从直膨式PVT集热器入口管道2进入直膨式PVT集热器3吸收光伏余热，制冷剂变为气态后流出，经过直膨式PVT集热器出口管道5、第四电动阀门9、四通换向阀16、气液分离14，进入压缩机15压缩，高温高压的制冷剂由第七电动阀门17进入冷凝换热器26，热量释放给水工质，然后再依次经过第十电动阀门23、储液罐22、干燥器21、第九电动阀门20、第三电动阀门8、第一电子膨胀阀1，然后开始下一个制热水循环。
空气源制热水模式具体包括以下步骤：
步骤1、开启第一循环泵31；
在执行步骤1后，供热水箱29下部的水工质进入冷凝换热器26吸收热量，然后返回供热水箱29。
步骤2、开启第二电动阀门7、第四电动阀门9、第五电动阀门10、第七电动阀门17、第十电动阀门23，关闭直膨式PVT热泵供热供冷系统中的其余电动阀门；
步骤3、将四通换向阀16的a、b两端连通，c、d两端连通；
在执行步骤3后，制冷剂经过第二电子膨胀阀19降温降压，由第二电动阀门7进入风冷换热器11吸收环境热量，液态制冷剂变为气态后经过第五电动阀门10、四通换向阀16、气液分离14，进入压缩机15压缩，高温高压的制冷剂由第七电动阀门17进入冷凝换热器26，热量释放给水工质，然后再依次经过第十电动阀门23、储液罐22、干燥器21、电子膨胀阀19，然后开始下一个制热水循环。
太阳能制热水除霜模式具体包括以下步骤：
步骤1、直膨式PVT热泵供热供冷系统在运行所述太阳能制热水模式且直膨式PVT集热器3表面结霜时，直膨式PVT热泵供热供冷系统的运行模式切换为所述空气源制热水模式；
步骤2、直膨式PVT集热器3表面的霜融化，或直膨式PVT集热器3的表面温度到达第一温度以上时，直膨式PVT热泵供热供冷系统的运行模式切换成太阳能制热水模式；
在步骤2中，设定的第一温度的取值范围为5～10℃，示例地，设定的第一温度为8℃。
空气源制热水除霜模式具体包括以下步骤：
步骤1、开启第一循环泵31；
步骤2、开启第一电动阀门6、第六电动阀门12、第八电动阀门18、第十一电动阀门24；
步骤3、将四通换向阀16的c、b两端连通，a、d两端连通；
在执行步骤3后，制冷剂在冷凝换热器26中吸收水工质的热量，变为气态后，依次经过第八电动阀门18、四通换向阀16、气液分离14，进入压缩机15压缩，高温高压的制冷剂由第六电动阀门12进入风冷换热器16，制冷剂将热量释放给风冷换热器11，融化表面的霜，制冷剂然后依次经过第一电动阀门6、第二电子膨胀阀19、干燥器21、储液罐22、第十一电动阀门24和冷凝换热器26，然后开始下一个循环。
制冷模式具体包括以下步骤：
步骤1、开启第一电动阀门6、第六电动阀门12、第八电动阀门18、第十二电动阀门25、第十三电动阀门27，关闭直膨式PVT热泵供热供冷系统中的其余电动阀门；
步骤2、将四通换向阀16的c、b两端连通，a、d两端连通；
如图2所示，蒸发器28为本申请在制冷模式下的供冷端，比如，蒸发器28可以是空调的内挂机；在执行步骤2后，制冷剂在蒸发器28中吸收室内环境热量，制冷剂升温变为气态，然后依次经过第十三电动阀门27、第八电动阀门18、四通换向阀16、气液分离14，进入压缩机15压缩以得到高温高压的制冷剂，之后，制冷剂由第六电动阀门12进入风冷换热器11，制冷剂通过风冷换热器11将热量释放给环境，冷却后的制冷剂然后依次经过电动阀门6、第二电子膨胀阀19、干燥器21、储液罐22、第十二电动阀门25和蒸发器28，开始下一个制冷循环。
此外，设定的第一温度小于设定的第二温度，设定的第二温度小于设定的第三温度；当集热水箱32工质温度不高于第二温度，且液态工质PVT集热器41温度与集热水箱32下部水工质温度的温度差大于第一温度时，液态工质PVT集热系统运行太阳能集热运行模式；当集热水箱32工质温度高于第二温度，且液态工质PVT集热器41温度低于第三温度时，液态工质PVT集热系统停止运行太阳能集热运行模式；当集热水箱32工质温度高于第二温度，且液态工质PVT集热器41温度不低于第三温度时，液态工质PVT集热系统运行散热保护模式。用户可以根据自身需要，选取第二温度和第三温度的取值，其中，第二温度的可取范围为40～60℃，第三温度的可取范围为70～85℃，并且选取的第二温度的取值需要低于选取的第三温度的取值。
需要说明的是，供热水箱29为恒温水箱，温度保持为第二温度，补水源来自集热水箱32；当供热水箱29的热水送往供热端时，集热水箱32补水口补入自来水，然后将集热水箱32上部的热水送入至供热水箱29；夏季条件下，液态工质PVT集热系统性能较好，产生的热水温度较高，其作为补水可以降低直膨式PVT热泵供热供冷系统的耗电量，比单独的直膨式PVT热泵更加省电。当供热水箱29温度低于第二温度时，直膨式PVT热泵供热供冷系统根据判断条件运行太阳能制热水模式、太阳能制热水除霜模式、空气源制热水模式或空气源制热水除霜模式；判断条件包括：直膨式PVT集热器3电流不小于设定值，且直膨式PVT集热器3表面温度稳定不低于0℃时，直膨式PVT热泵供热供冷系统运行太阳能制热水模式；直膨式PVT集热器3电流不小于设定值，且直膨式PVT集热器3表面温度小于0℃时，直膨式PVT热泵供热供冷系统运行太阳能制热水除霜模式；直膨式PVT集热器3电流小于设定值，且风冷换热器11表面温度稳定不低于0℃时，直膨式PVT热泵供热供冷系统运行空气源制热水模式；直膨式PVT集热器3电流小于设定值，上述设定值的取值范围为（0～1A），且风冷换热器11表面温度稳定低于0℃时，直膨式PVT热泵供热供冷系统运行空气源制热水除霜模式，遇到寒冷天气，适当开启辅热换热器30。需要说明的是，上述太阳能制热水模式的性能只有在太阳辐射强度比较高的时候才比空气能制热水模式的性能高，而太阳辐射强度可以通过直膨式PVT集热器3的电流大小来判断，太阳辐射强度越高，发电功率越大，电流也就越大；由于本申请以电流大小作为判断条件，因此，在太阳辐射强度较高时，本申请采用太阳能制热水模式的性能较好。此外，冬季条件下，液态工质PVT集热系统热效率较低，添加直膨式PVT热泵供热供冷系统后，整个系统耗电量要比单独的液态工质PVT集热系统低更多，而且制热性能更加稳定。并且，在夏季，当供热水箱29温度为第二温度，而且用户有制冷需求时，可以运行上述制冷模式。为保证制冷系统稳定性，提高用户舒适感，蒸发器28可以与外部的蓄冷系统结合起来使用。
综上所述，从功能角度，本发明可以实现夏季条件下冷热电三联供，冬季条件下供热系统稳定运行，用户用能舒适度较高；从能耗角度，本发明可实现热泵系统低能耗，PVT实现较大的发电增益；从成本角度，热泵一机多用，具有供冷和供热水功能，设备利用率高，成本降低；从安全角度，PVT集热器不会出现过热超温问题，延长了设备使用寿命；从稳定角度，太阳能与空气能的耦合确保系统供热不受天气影响。
Claims (10)
1.一种基于PVT组件的冷热电联供系统，其特征在于，包括：液态工质PVT集热系统和直膨式PVT热泵供热供冷系统，液态工质PVT集热系统和直膨式PVT热泵供热供冷系统之间相互连接；
液态工质PVT集热系统包括空气压缩模块、抽真空模块和液态工质集热模块；空气压缩模块、抽真空模块均与液态工质集热模块连接；
直膨式PVT热泵供热供冷系统包括太阳能模块、空气源模块与循环控制模块；太阳能模块、空气源模块均与循环控制模块连接。
2.根据权利要求1所述的基于PVT组件的冷热电联供系统，其特征在于，空气压缩模块包括空气压缩单元（36）和第十四电动阀门（37）；抽真空模块包括第十五电动阀门（39）和抽真空单元（40）；液态工质集热模块包括集热水箱（32）、第一换热器（33）、膨胀罐（34）、循环泵（35）、排液阀（38）、液态工质PVT集热器（41）、循环工质管路（42）、保温系统气体管路（43）和电缆（4）；集热水箱（32）内部具有第一换热器（33），第一换热器（33）、膨胀罐（34）和循环泵（35）通过循环工质管路（42）依次连接至液态工质PVT集热器（41）；液态工质集热模块包括至少两个液态工质PVT集热器（41），所述至少两个液态工质PVT集热器（41）通过电缆（4）、循环工质管路（42）和保温系统气体管路（43）形成组串。
3.根据权利要求1所述的基于PVT组件的冷热电联供系统，其特征在于，太阳能模块包括至少两个直膨式PVT集热器（3）和电缆（4）；所述至少两个直膨式PVT集热器（3）通过所述电缆（4）形成组串；空气源模块包括风冷换热器（11）；循环控制模块包括：第一电子膨胀阀（1）、第一电动阀门（6）、第二电动阀门（7）、第三电动阀门（8）、第四电动阀门（9）、第五电动阀门（10）、第六电动阀门（12）、四通换向阀（16）、第七电动阀门（17）、第八电动阀门（18）、第九电动阀门（20）、第十电动阀门（23）、第十一电动阀门（24）、第十二电动阀门（25）、第十三电动阀门（27）、供热水箱（29）和第一循环泵（31）；循环控制模块中的供热水箱（29）分别连接供热端和第一循环泵（31）；第一循环泵（31）依次通过第十电动阀门（23）、第九电动阀门（20）和第二电动阀门（7）连接风冷换热器（11）；风冷换热器（11）、第五电动阀门（10）、四通换向阀（16）、第七电动阀门（17）、第十三电动阀门（27）和第十二电动阀门（25）依次连接；第一电动阀门（6）和第二电动阀门（7）并联；第一电动阀门（6）通过第三电动阀门（8）连接至第一电子膨胀阀（1）；第六电动阀门（12）和第五电动阀门（10）并联；第六电动阀门（12）通过第四电动阀门（9）连接至太阳能模块；第十一电动阀门（24）和第十电动阀门（23）并联；第八电动阀门（18）和第七电动阀门（17）并联。
4.根据权利要求3所述的基于PVT组件的冷热电联供系统，其特征在于，所述直膨式PVT集热器（3）包括第二换热器（51）；所述第二换热器（51）由单个宽边换热器（52）构成，或由左换热器（65）和右换热器（66）构成，或由3个窄边换热器（69）构成；宽边换热器（52）、左换热器（65）、右换热器（66）和窄边换热器（69）均包括：直膨式PVT集热器入口管道（2）、入口区域（61）、第二六边形流道区域（60）、光伏接线盒区域过渡流道区域（59）、第一六边形流道区域（57）、过渡区域（56）、十字形流道区域（55）、出口流道区域（54）和直膨式PVT集热器出口管道（5）；宽边换热器（52）、左换热器（65）、右换热器（66）和窄边换热器（69）均由平面板（63）和凸起板（64）构成，平面板（63）一侧表面光滑，通过缓冲层（50）与背板（49）接触，凸起板（64）一侧涂有防腐层，并与空气接触。
5.根据权利要求2所述的基于PVT组件的冷热电联供系统，其特征在于，所述液态工质PVT集热器（41）包括：由上至下依次排列的增效层（44）、透明保护层（45）、第一EVA胶（46）、光伏电池（47）、第二EVA胶（48）、背板（49）、缓冲层（50）、液体工质换热器（71）、充气保温层（72）、保温层（73）和保护层（74）；所述充气保温层（72）具有充气状态和泄气状态；当充气保温层（72）处于充气状态时，充气保温层（72）将液体工质换热器（71）与保温层（73）之间的空间填充满；当充气保温层（72）处于泄气状态时，液体工质换热器（71）与充气保温层（72）之间存在空气层（83）。
6.根据权利要求5所述的基于PVT组件的冷热电联供系统，其特征在于，所述液体工质换热器（71）包括进口区域（81）、换热区域（77）和出口区域（75）；所述进口区域（81）上具有下集管（82）；所述换热区域（77）由若干换热流道（79）及平板（78）组成，换热流道（79）间距不大于110mm，换热流道（79）截面呈半椭圆状，平板（78）厚度不小于0.2mm，平板（78）上留有光伏接线盒孔（80）；所述出口区域（75）上具有上集管（76）。
7.一种基于PVT组件的冷热电联供系统的运行方法，由权利要求1至6任一所述的基于PVT组件的冷热电联供系统运行，其特征在于，所述液态工质PVT集热系统具有太阳能集热运行模式和散热保护模式；所述直膨式PVT热泵供热供冷系统具有太阳能制热水模式、太阳能制热水除霜模式、空气源制热水模式、空气源制热水除霜模式和制冷模式。
8.根据权利要求7所述的基于PVT组件的冷热电联供系统的运行方法，其特征在于，所述太阳能集热运行模式具体包括以下步骤：
步骤1、开启第十四电动阀门（37），空气压缩单元（36）给充气保温层（72）充气；
步骤2、充气保温层（72）将液体工质换热器（71）与保温层（73）之间的空间填充满后，关闭第十四电动阀门（37）；
步骤3、开启第二循环泵（35）；
所述散热保护模式具体包括以下步骤：
步骤1、开启第十五电动阀门（39），抽真空单元（40）将充气保温层（72）中的空气抽吸干净；
步骤2、关闭抽真空单元（40）和第十五电动阀门（39）；
所述太阳能制热水模式具体包括以下步骤：
步骤1、开启第一循环泵（31）；
步骤2、开启第三电动阀门（8）、第四电动阀门（9）、第五电动阀门（10）、第七电动阀门（17）、第九电动阀门（20）和第十电动阀门（23），关闭直膨式PVT热泵供热供冷系统中的其余电动阀门；
步骤3、将四通换向阀（16）的a、b两端连通，c、d两端连通；
所述空气源制热水模式具体包括以下步骤：
步骤1、开启第一循环泵（31）；
步骤2、开启第二电动阀门（7）、第四电动阀门（9）、第五电动阀门（10）、第七电动阀门（17）和第十电动阀门（23），关闭直膨式PVT热泵供热供冷系统中的其余电动阀门；
步骤3、将四通换向阀（16）的a、b两端连通，c、d两端连通；
所述太阳能制热水除霜模式具体包括以下步骤：
步骤1、直膨式PVT热泵供热供冷系统在运行所述太阳能制热水模式且直膨式PVT集热器（3）表面结霜时，直膨式PVT热泵供热供冷系统的运行模式切换为所述空气源制热水模式；
步骤2、直膨式PVT集热器（3）表面的霜融化，或直膨式PVT集热器（3）的表面温度到达设定的第一温度以上时，直膨式PVT热泵供热供冷系统的运行模式切换成太阳能制热水模式；
所述空气源制热水除霜模式具体包括以下步骤：
步骤1、开启第一循环泵（31）；
步骤2、开启第一电动阀门（6）、第六电动阀门（12）、第八电动阀门（18）和第十一电动阀门（24）；
步骤3、将四通换向阀（16）的c、b两端连通，a、d两端连通；
所述制冷模式具体包括以下步骤：
步骤1、开启第一电动阀门（6）、第六电动阀门（12）、第八电动阀门（18）、第十二电动阀门（25）和第十三电动阀门（27），关闭直膨式PVT热泵供热供冷系统中的其余电动阀门；
步骤2、将四通换向阀（16）的c、b两端连通，a、d两端连通。
9.根据权利要求8所述的基于PVT组件的冷热电联供系统的运行方法，其特征在于，
设有第二温度和第三温度，所述第一温度小于第二温度，所述第二温度小于第三温度；
当集热水箱（32）工质温度不高于第二温度，且液态工质PVT集热器（41）温度与集热水箱（32）下部水工质温度的温度差大于第一温度时，液态工质PVT集热系统运行所述太阳能集热运行模式；
当集热水箱（32）工质温度高于第二温度，且液态工质PVT集热器（41）温度低于第三温度时，液态工质PVT集热系统停止运行所述太阳能集热运行模式；
当集热水箱（32）工质温度高于第二温度，且液态工质PVT集热器（41）温度不低于第三温度时，液态工质PVT集热系统运行所述散热保护模式。
10.根据权利要求8所述的基于PVT组件的冷热电联供系统的运行方法，其特征在于，供热水箱（29）为恒温水箱，温度保持为第二温度，补水源来自集热水箱（32）；当供热水箱（29）的热水送往供热端时，集热水箱（32）补水口补入自来水，然后将集热水箱（32）上部的热水送入至供热水箱（29）；当供热水箱（29）温度低于第二温度时，直膨式PVT热泵供热供冷系统根据判断条件运行太阳能制热水模式、太阳能制热水除霜模式、空气源制热水模式或空气源制热水除霜模式；
所述判断条件包括：
当直膨式PVT集热器（3）电流不小于设定值，且直膨式PVT集热器（3）表面温度稳定不低于0℃时，直膨式PVT热泵供热供冷系统运行所述太阳能制热水模式；
当直膨式PVT集热器（3）电流不小于设定值，且直膨式PVT集热器（3）表面温度小于0℃时，直膨式PVT热泵供热供冷系统运行所述太阳能制热水除霜模式；
当直膨式PVT集热器（3）电流小于设定值，且风冷换热器（11）表面温度稳定不低于0℃时，直膨式PVT热泵供热供冷系统运行所述空气源制热水模式；
当直膨式PVT集热器（3）电流小于设定值，且风冷换热器（11）表面温度稳定低于0℃时，直膨式PVT热泵供热供冷系统运行所述空气源制热水除霜模式。
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