CN114659154A - 一种太阳能全光谱地源热泵供热系统 - Google Patents
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Abstract
一种太阳能全光谱地源热泵供热系统，利用降冰片二烯可以吸收紫外线和部分可见光光谱发生异构化反应储存太阳能的特性，将分子太阳能热存储系统、太阳能集热器、太阳能光伏板和地源热泵相结合，实现太阳能全光谱地源热泵供热，属于太阳能供热领域。技术要点：降冰片二烯吸收太阳光中的紫外线和部分可见光光谱，发生异构化反应，将太阳能储存在四环烷的化学键中；太阳能光伏板吸收部分可见光和红外线光谱产生直流电供地源热泵使用；真空集热管吸收部分红外线光谱产生热水供建筑取暖使用，从而实现了太阳能光谱的梯级利用。在白天有太阳能时，真空集热管和地源热泵共同供热，在夜晚或者阴天时，由分子太阳能热存储系统储存的太阳能来供热，提高了太阳能和地源热泵供热的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及可再生能源利用领域，具体为一种太阳能全光谱地源热泵供热系统。
背景技术
地源热泵是一种以岩土体、地层土壤、地下水或地表水为低温热源进行供热的新型能源技术，寒冷地区冬季热负荷需求较大，单纯利用地源热泵供热会消耗大量的电能，在一定程度上加剧了不可再生能源的消耗。太阳能是一种免费的清洁资源，具有“取之不尽，用之不竭”、不会对环境造成污染等优点，采用太阳能供热也成为人们普遍选择的途径。但是普通太阳能供热的利用方式为太阳能集热器、太阳能光伏板、太阳能光伏/光热集热器，只能利用部分太阳能光谱，造成很大的热量损失，此外，太阳能供热受环境影响较大，在阴天、雾霾天、夜晚不能运行。因此，如何进一步提高太阳能和地源热泵的利用率，保证供热的稳定成为该技术领域所亟待解决的课题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种太阳能全光谱地源热泵供热系统，以提高地源热泵和太阳能利用效率，保证供热的稳定性。
本发明所述问题是以下述技术方案解决的：
一种太阳能全光谱地源热泵系统，包括太阳能全光谱子系统和地源热泵子系统，所述太阳能全光谱子系统包括太阳能聚光镜、光线分频器、降冰片二烯罐、第一溶液泵、分子太阳能热反应器、太阳能光伏板、真空集热管、逆变器、四环烷罐、第一阀门、第二溶液泵、化学反应器、公共电网。所述太阳能聚光镜用于聚集太阳光；所述光线分频器将太阳能聚光镜聚集的光分为三束，一束紫外线和部分可见光光子被导入到分子太阳能热反应器，一束部分可见光和红外线光子被导入到太阳能光伏板，一束剩余的光子被导入到真空集热管；所述分子太阳能热反应器为透明板式换热器，由熔融石英材料构成，以便太阳能透过；所述降冰片二烯罐出口端经第一溶液泵与分子太阳能热反应器内的异构化材料通道入口端连接；所述分子太阳能热反应器的异构化材料通道出口端与四环烷罐入口端连接；所述分子太阳能热反应器水加热通道入口端与自来水管路来接，出口端与生活热水供应管路连接；所述四环烷罐出口端经第二溶液泵与化学反应器的壳侧入口端连接；所述化学反应器为管壳式换热器，其壳侧充有溴化汞光敏催化剂；所述化学反应器的壳侧出口端与降冰片二烯罐的入口端连接；所述真空集热管入口端与建筑地暖管路出水端连接；所述建筑地暖管路进水端与真空集热管出口端连接；所述化学反应器管侧进水端与自来水管路连接；所述化学反应器管侧出水端与建筑用水进水端连接；所述太阳能光伏板的直流电输出端连接逆变器；所述逆变器的交流输出端与公共电网和地源热泵系统压缩机连接。
上述太阳能全光谱地源热泵供热系统，所述地源热泵子系统包括蒸发器、冷凝器、节流阀、水泵、地埋管换热器、压缩机。所述地源热泵子系统中的蒸发器、冷凝器均为管壳式换热器，内部为喷淋式结构；所述地源热泵子系统的工质为氟利昂；所述冷凝器管侧出口端与压缩机入口端连接；所述蒸发器管侧出口端经节流阀与冷凝器管侧入口端连接；所述压缩机出口端与蒸发器管侧入口端连接；所述蒸发器壳侧出水端由管道与地埋管换热器进水端连接；所述地埋管换热器出水端经水泵与蒸发器壳侧进水端连接；所述冷凝器壳侧进水端与建筑地暖管路出水端连接；所述冷凝器壳侧出水端与建筑地暖管路进水端连接。
优选地，所述太阳能聚光镜为抛物槽式太阳能聚光镜、蝶式太阳能聚光镜、线性菲涅尔式太阳能聚光镜、塔式太阳能聚光镜、复合抛物面聚光镜。
优选地，所述光线分频器为单层光学玻璃、双层光学玻璃或涂层，如例子交替镀上Nb2O5和SiO2薄层，可以通过调整镀膜厚度自由选择反射和吸收的光谱范围。
优选地，选用降冰片二烯作为分子太阳能热反应器中的异构化材料，但以偶氮苯、蒽物质为异构化材料也在本发明的保护范围之内。
本发明将分子太阳能热反应器、太阳能光伏板、太阳能集热器、地源热泵相结合，在地源热泵系统中实现了太阳能全光谱利用，分子太阳能热反应器在阴天、雾霾天也能运行。提高了太阳能和地源热泵供热的稳定性，提高了能源利用率。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详述。
图1是本发明的系统流程图；
图中各标号为：1、降冰片二烯罐；2、第一溶液泵；3、分子太阳能热反应器；4、四环烷罐；5、阀门；6、第二溶液泵；7、化学反应器；8、真空集热管；9、光线分频器；10、太阳能聚光镜；11、逆变器；12、公共电网；13、太阳能光伏板；14、蒸发器；15、节流阀；16、冷凝器；17、压缩机；18、水泵；19、地埋管换热器。
具体实施方式
本发明提供了一种太阳能全光谱地源热泵供热系统，光线分频器将太阳光分离成三束，一束紫外线和部分可见光光子被导入到分子太阳能热反应器，一束部分可见光和红外线光子被导入到太阳能光伏板，一束剩余的光子被导入到真空集热管，实现了太阳能全光谱的利用。将分子太阳能热反应器、太阳能光伏板、真空集热管与地源热泵相结合，可以稳定的为寒冷地区供热，提高了供热系统的灵活性。本发明所述系统配置合理，能够充分发挥各个子系统的特点，实现了太阳能光谱的梯级利用，提高了太阳能的利用率，为太阳能与地源热泵的耦合提供了一种新的形式。
分子太阳能热反应器中，一些异构化材料可以吸收太阳光紫外线和部分可见光光子，发生异构化反应，将太阳能储存在化学键中，而剩下的部分可见光和红外线光子被光线分频器分离到太阳能光伏板，产生直流电，最后剩余的红外线光子被光线分频器分离到真空集热管，产生热水供建筑取暖使用，实现了太阳能光谱的梯级利用，极大的提高了太阳能的利用效率。
参看图1，本发明包括太阳能全光谱子系统和地源热泵子系统两部分。所述太阳能全光谱子系统包括降冰片二烯罐1、第一溶液泵2、分子太阳能热反应器3、四环烷罐4、阀门5、第二溶液泵6、化学反应器7、真空集热管8、光线分频器9、太阳能聚光镜10、逆变器11、公共电网12、太阳能光伏板13。地源热泵子系统包括蒸发器14、节流阀15、冷凝器16、压缩机17、水泵18、地埋管换热器19。
太阳能全光谱子系统中，所述光线分频器9将太阳能聚光镜10聚集的光分为三束：一束紫外线和部分可见光光子被导入到分子太阳能热反应器3，被降冰片二烯吸收后发生异构化反应，转变为四环烷将太阳能储存在四环烷的化学键中；一束部分可见光和红外线光子被导入到太阳能光伏板13，产生直流电；一束剩余的光子被导入到真空集热管8，产生热水供建筑取暖使用；所述分子太阳能热反应器3为透明板式换热器，由熔融石英材料构成，以便太阳能透过；所述降冰片二烯罐1经第一溶液泵2与分子太阳能热反应器3内的异构化材料通道入口端连接；所述分子太阳能热反应器3的异构化材料通道出口端与四环烷罐4入口端连接；所述分子太阳能热反应器3水加热通道入口端与自来水管路来接，出口端与生活热水供应管路连接；所述四环烷罐4出口端经第二溶液泵6与化学反应器7的壳侧入口端连接；所述化学反应器7为管壳式换热器，其壳侧充有溴化汞光敏催化剂，使四环烷异构化回降冰片二烯，释放储存的太阳能；所述化学反应器7的壳侧出口端与降冰片二烯罐1的入口端连接；所述真空集热管8入口端与建筑地暖管路出水端连接；所述建筑地暖管路进水端与真空集热管8出口端连接；所述化学反应器7管侧进水端与建筑用水出水端连接；所述化学反应器7管侧出水端与建筑用水进水端连接；所述太阳能光伏板13的直流电输出端连接逆变器11；所述逆变器11的交流输出端与公共电网12和地源热泵系统的压缩机连接。
地源热泵子系统中，所述冷凝器16管侧出口端与压缩机17入口端连接；所述蒸发器14管侧出口端经节流阀15与冷凝器16管侧入口端连接；所述压缩机17出口端与蒸发器14管侧入口端连接；所述蒸发器壳侧14出水端由管道与地埋管换热器19进水端连接；所述地埋管换热器19出水端经水泵18与蒸发器14壳侧进水端连接；所述冷凝器16壳侧进水端与建筑地暖管路出水端连接；所述冷凝器16壳侧出水端与建筑地暖管路进水端连接。
在太阳能全光谱子系统中，分子太阳能热反应器3的异构化材料通道有降冰片二烯(C7H8)入口、四环烷(C7H8)出口，水加热通道设有自来水入口和自来水出口；降冰片二烯经管路由第一溶液泵2输送到分子太阳能热反应器3的降冰片二烯(C7H8)入口，在分子太阳能热反应器吸收紫外线和部分可见光光子，降冰片二烯发生异构化反应转变为四环烷，将热量储存在四环烷的化学键中，反应式如下：
C7H8(降冰片二烯)→C7H8(四环烷)
当降冰片二烯发生异构化反应时，会有一些能量以热的形式散失，所以常温水由管路输入到分子太阳能热反应器3中吸收这部分热量，生成可供用户使用的60℃生活热水。随后反应生成的四环烷由管路输送至四环烷罐4，在夜晚打开阀门5，由第二溶液泵6将四环烷输送至化学反应器7，在溴化汞光敏催化剂的作用下发生异构化逆反应，释放储存的太阳能，异构化逆反应如下：
C7H8(四环烷)→C7H8(降冰片二烯)
化学反应器7的壳侧出口端由管路连接至降冰片二烯罐1入口端，将降冰片二烯输送到降冰片二烯罐1中，化学反应器7的管侧入口端由管路连接建筑地暖管路出水端，加热地暖用水供用户取暖使用。太阳能光伏板13吸收光线分频器分离的部分可见光和红外线光子，产生直流电，经逆变器11转换为交流电后供水泵和地源热泵中的压缩机使用，多余的电被输送到公共电网12。被光线分频器分离出的红外线光子被导入到真空集热管8中，产生热水供建筑取暖使用。
在地源热泵子系统中，蒸发器14出口的气态工质由管路输送至压缩机17压缩，使低温低压的气态工质升温升压后由管路输送至冷凝器16凝结为液态工质释放出热量，被建筑地暖管路出水端的低温水吸收，冷凝器16出口的液态工质经节流阀15节流降压后由管路输送至蒸发器14，吸收来自地埋管换热器19地下水的热量后，蒸发变为气态工质，一次循环结束。
上述太阳能全光谱地源热泵系统是通过以下运行方式来达到供热稳定的：
(1)在阴天、雾霾天或夜晚没有太阳能时，打开阀门5，四环烷经第二溶液泵由管路输送至化学反应器7，四环烷在溴化汞光敏催化剂的作用下发生异构化逆反应，释放储存的太阳能，产生热水供建筑取暖使用，此时，地源热泵不工作。如果化学反应器产生的热水不能够满足建筑使用，从公共电网12购电驱动地源热泵运行，满足建筑的热负荷需求。
(2)在白天有太阳能时，真空集热管8产生的热水首先供建筑使用，如果不能够满足建筑负荷需求，太阳能光伏板13输出的直流电经逆变器11后被输送到地源热泵，驱动地源热泵产生热水供建筑使用。如果太阳能光伏板13输出的直流电过多，则经逆变器11后卖给公共电网。
本发明利用某些分子异构化材料可以吸收太阳能部分紫外线和可见光光谱的特点，将分子太阳能热反应器、太阳能光伏板和真空集热管相结合，构成了一个可以实现太阳能全光谱利用的装置，并将太阳能全光谱利用装置与地源热泵相结合，极大的提高了太阳能的利用效率和地源热泵供热的稳定性。
本发明系统配置合理，能够充分发挥各个子系统的特点，实现了太阳能光谱的梯级利用，不仅提高了系统的太阳能和地源热泵的利用率，而且保证了供热的稳定性。
本发明主要用于小型工业、商业及民用的系统中，优点是：
1、将分子太阳能热反应器、太阳能光伏板和真空集热管相结合，实现了太阳能光谱的梯级利用，提高了太阳能的利用率。
2、在阴天、雾霾天或夜晚，分子太阳能热反应器依旧能够利用高频率的光子进行供热，保证了系统供热的稳定性。
3、通过系统的合理配置，本发明实现了地源热泵与真空集热管、分子太阳能热反应器和太阳能光伏板的结合，形成了输出有电和热的联产系统，提高了系统的灵活性。
以上仅是本发明的优选实施方式，并不用以限制本发明的其他实施方式，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明核心技术的前提下，还可以做出各种改进和替换，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种太阳能全光谱地源热泵供热系统，其特征是，所述太阳能全光谱子系统包括降冰片二烯罐1、第一溶液泵2、分子太阳能热反应器3、四环烷罐4、阀门5、第二溶液泵6、化学反应器7、真空集热管8、光线分频器9、太阳能聚光镜10、逆变器11、公共电网12、太阳能光伏板13；所述光线分频器9将太阳能聚光镜10聚集的光分为三束：一束紫外线和部分可见光光子被导入到分子太阳能热反应器3，被降冰片二烯吸收后发生异构化反应，转变为四环烷，将太阳能储存在四环烷的化学键中；一束部分可见光和红外线光子被导入到太阳能光伏板13，产生直流电；一束红外线光子被导入到真空集热管8，产生热水供建筑取暖使用；所述分子太阳能热反应器3为透明板式换热器，由熔融石英材料构成，以便太阳能透过；所述降冰片二烯罐1经第一溶液泵2与分子太阳能热反应器3内的异构化材料通道入口端连接；所述分子太阳能热反应器3的异构化材料通道出口端与四环烷罐4入口端连接；所述分子太阳能热反应器3水加热通道入口端与自来水管路来接，出口端与生活热水供应管路连接；所述四环烷罐4出口端经第二溶液泵6与化学反应器7的壳侧入口端连接；所述化学反应器7为管壳式换热器，其壳侧充有溴化汞光敏催化剂，使四环烷异构化回降冰片二烯，释放储存的太阳能；所述化学反应器7的壳侧出口端与降冰片二烯罐1的入口端连接；所述真空集热管8入口端与建筑地暖管路出水端连接；所述建筑地暖管路进水端与真空集热管8出口端连接；所述化学反应器7管侧进水端与建筑用水出水端连接；所述化学反应器7管侧出水端与建筑用水进水端连接；所述太阳能光伏板13的直流电输出端连接逆变器11；所述逆变器11的交流输出端与公共电网12和地源热泵系统连接。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能全光谱地源热泵供热系统，其特征是，所述地源热泵子系统包括蒸发器14、节流阀15、冷凝器16、压缩机17、水泵18、地埋管换热器19；所述冷凝器16管侧出口端与压缩机17入口端连接；所述蒸发器14管侧出口端经节流阀15与冷凝器16管侧入口端连接；所述压缩机17出口端与蒸发器14管侧入口端连接；所述蒸发器壳侧14出水端由管道与地埋管换热器19进水端连接；所述地埋管换热器19出水端经水泵18与蒸发器14壳侧进水端连接；所述冷凝器16壳侧进水端与建筑地暖出水端连接；所述冷凝器16壳侧出水端与建筑地暖进水端连接。
3.根据权利要求1至2所述的一种太阳能全光谱地源热泵供热系统，其特征是，所述分子太阳能热反应器3为透明板式换热器，由熔融石英材料构成，以便太阳能透过。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能全光谱地源热泵供热系统，其特征是，所述分子太阳能热反应器中的异构化材料为降冰片二烯、偶氮苯、蒽。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能全光谱地源热泵供热系统，其特征是，所述太阳能聚光镜为抛物槽式太阳能聚光镜、蝶式太阳能聚光镜、线性菲涅尔式太阳能聚光镜、塔式太阳能聚光镜或复合抛物面聚光镜。
6.根据权利要求1所述的一种太阳能全光谱地源热泵供热系统，其特征是，所述光线分频器可以通过调整镀膜厚度自由选择反射和吸收的光谱范围。
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|---|---|---|---|
| CN202210426391.8A CN114659154A (zh) | 2022-04-22 | 2022-04-22 | 一种太阳能全光谱地源热泵供热系统 |
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|---|---|
| CN114659154A true CN114659154A (zh) | 2022-06-24 |
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Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
| US20180041158A1 (en) * | 2015-02-15 | 2018-02-08 | Institute Of Engineering Thermophysics Chinese Academy Of Sciences | Photovoltaic-Photothermal Reaction Complementary Full-Spectrum Solar Utilization System |
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2022
- 2022-04-22 CN CN202210426391.8A patent/CN114659154A/zh active Pending
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