CN115420035A

CN115420035A - 基于光伏光热一体化的风光储综合能源系统及控制方法

Info

Publication number: CN115420035A
Application number: CN202210920056.3A
Authority: CN
Inventors: 勾昱君; 杨兴豪; 钟晓晖; 纪明达
Original assignee: North China University of Science and Technology
Current assignee: North China University of Science and Technology
Priority date: 2022-08-02
Filing date: 2022-08-02
Publication date: 2022-12-02

Abstract

本发明提供一种基于光伏光热一体化的风光储综合能源系统及控制方法，涉及可再生能源应用技术领域。本发明充分利用风能和太阳能两种可再生能源，将风热系统和光伏光热系统两者结合形成风光储综合能源系统。风热系统，用于风能直驱压缩机，将风能转化为热能进行系统供热。光伏光热系统，用于将太阳能转化为电能与热能。风热系统和光伏光热系统的结合点在于利用了光伏光热一体化技术，利用光伏光热一体化技术产生的热水作为风热系统的工作热源，并能降低光伏板的背板温度，提高电池效率，同时产生电能实现建筑物的用电需求。本发明集发电、供暖、制冷于一体，全面满足用户需求，提高了太阳能和风能的综合利用率。

Description

基于光伏光热一体化的风光储综合能源系统及控制方法

技术领域

本发明涉及可再生能源应用技术领域，尤其涉及一种基于光伏光热一体化的风光储综合能源系统及控制方法。

背景技术

风能是一种清洁无公害的可再生能源，很早就被人们利用，并且风能储量巨大，因此日益受到世界各国的重视。太阳能作为一种清洁能源，主要分为太阳能光发电和太阳能热发电两种类型，太阳能发电具有安全可靠性高、运行成本低、发电方式灵活、装置维护简单等特点，因此被广泛应用。

目前，太阳能和风能往往是单独应用，太阳能利用率和风能利用率均不高。对于风能和太阳能的结合，一般情况下采用风光互补发电系统实现，利用两种资源季节性互补特点，将太阳能电池和风热机组组合成一个系统，充分发挥各自的特点和优势，最大限度的利用风能和太阳能。但是太阳能和风能均需转换成电能再进行利用，在能量转换过程中造成部分能量损失，降低了资源利用率，并且仅结合了光电，而忽视了对光热的利用。因此，需要一种新型的风光储综合能源系统，以实现对风能和太阳能更大限度的利用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于光伏光热一体化的风光储综合能源系统及控制方法，以解决上述问题。

基于上述目的，本发明提供了一种基于光伏光热一体化的风光储综合能源系统，包括：风热机组、压缩机、换热装置、光伏光热一体化板和储水箱，风热机组内设置有齿轮箱；压缩机与齿轮箱连接，压缩机的两个端口分别与换热装置连接，换热装置包括第一管路、第二管路、第一换热器、第二换热器、空气源换热器、第一阀门、第二阀门、换向阀、第一循环水泵和第二循环水泵；第一管路的一端与压缩机的一端口连通，第一管路的另一端与换向阀连接，第一管路上连接有第一换热器，第一换热器的一端口与第一循环水泵的一端连通，第一循环水泵的另一端与储水箱的一端口连通，储水箱的另一端口与第一换热器的另一端口连通；第二管路的一端与压缩机的另一端口连通，第二管路的另一端连接有第一支管和第二支管，第一支管上依次连接有第一阀门和第二换热器，第二换热器的一端口与第二循环水泵的一端连通，第二循环水泵的另一端与光伏光热一体化板的进水口连通，光伏光热一体化板的出水口与第二换热器的另一端口连通；第二支管上依次连接有第二阀门和空气源换热器，第一支管和第二支管的端部分别与换向阀连接。

进一步地，光伏光热一体化板的输出端与逆变器的一端电连接，逆变器的另一端与交流汇流箱的一端电连接，交流汇流箱的另一端与用户端和/或电网电连接。部分太阳能转换成电能部分供用户使用，并且能够将余电上网连接到市政电网，既能满足用户需求，又能提高光伏发电的发电效益。

进一步地，光伏光热一体化板包括玻璃盖板、光伏电池、金属集热背板、集流通道和保温层，玻璃盖板的一面与光伏电池的一面连接，光伏电池的另一面与金属集热背板的一面连接，金属集热背板的另一面与集热流道的一面连接，集热流道的另一面与保温层连接，保温层上分别开设有贯通至集热流道的进水口和出水口。通过光伏光热一体板，将太阳能分别转化成电能和热能，对太阳能进行充分的利用。

进一步地，储水箱还包括用水口，用水口与用户端连接；用于为用户提供冷水或热水。

基于光伏光热一体化的风光储综合能源系统控制方法，包括制热控制方法和制冷控制方法，其中，制热控制方法按以下步骤进行：

S11、选择制热模式，并开启风热机组。

S12、通过风热机组驱动压缩机转动，压缩机将第一制冷剂压缩成第一制冷剂气体。

S13、第一制冷剂气体传输至第一换热器中，第一制冷剂气体与第一换热器外的第一循环水换热，得到第一液体制冷剂和热水。

S14、通过第一循环水泵将热水传输至储水箱，第一液体制冷剂通过换向阀传输至第二换热器中。

S15、第一液体制冷剂在第二换热器中与光伏光热一体化板中的水换热，第一液体制冷剂蒸发，回到压缩机中。

制冷控制方法按以下步骤进行：

S21、选择制冷模式，并开启风热机组。

S22、通过风热机组驱动压缩机转动，压缩机将第二制冷剂压缩成第二制冷剂气体。

S23、第二制冷剂气体传输至空气源换热器中，在空气源换热器中冷凝成第二液体制冷剂，第二液体制冷剂通过换向阀传输至第一换热器中。

S24、第二液体制冷剂与第一换热器外的第二循环水换热，第二循环水形成冷水，通过第一循环水泵输送至储水箱中，第二液体制冷剂换热后蒸发，回到压缩机中。

进一步地，通过第二循环水泵将光伏光热一体化板中的水输送至第二换热器，作为第二换热器的热源与第一液体制冷剂进行换热。

进一步地，本方法还包括启停控制方法，具体包括：当风热机组的高速轴的转矩达到压缩机的最低转矩，高速轴转速小于压缩机额定转速的70%且压缩机滑阀对压缩机负载的可调范围在30%至110%额定功率时，通过电磁离合器使压缩机出力轴与风力机高速轴相连。

进一步地，启停控制方法还包括：当压缩机的滑阀处于最大进气量，压缩机转速超过额定转速且风力继续增大时，控制压缩机脱网。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、将太阳能和风能相结合，形成基于光伏光热一体化的新型风光储综合能源系统，提高了太阳能、风能的综合利用率，使得可再生能源得到充分利用。

2、使用光伏光热一体化板，同时利用太阳能进行发热和发电，对太阳能的利用更加充分，并且光伏光热一体化板中的水不仅用于与换热器中的制冷剂换热，同时还能降低光伏板的背板温度，从而提高电池效率。

3、本发明集制热、制冷和发电于一体，全面满足用户的需求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于光伏光热一体化的风光储综合能源系统的示意图；

图2为本发明实施例提供的基于光伏光热一体化的风光储综合能源系统的风热机组示意图；

图3为本发明实施例提供的基于光伏光热一体化的风光储综合能源系统的光伏光热一体化板俯视图；

图4为图3中A-A剖面图。

图中标记为：1、风热机组；2、光伏光热一体化板；3、第一换热器；4、第二换热器；5、空气源换热器；6、第一循环水泵；7、第二循环水泵；8、换向阀；9、第一阀门；10、第二阀门；11、第三阀门；12、储水箱；13、用户端；14、叶片；15、轮毂；16、机舱；17、齿轮箱；18、变桨系统；19、压缩机；20、偏航系统；21、塔筒；22、玻璃盖板；23、光伏电池；24、金属集热背板；25、导热粘合剂；26、集热流道；27、保温层；28、出水口；29、进水口；30、逆变器；31、交流汇流箱。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明提出的一种基于光伏光热一体化的风光储综合能源系统，由风热机组1、压缩机19、换热装置、光伏光热一体化板2和储水箱12等组成。

如图2所示，风热机组1由叶片14、轮毂15、塔筒21和机舱16组成，塔筒21固定连接在地面，塔筒21的顶部与机舱16连接，机舱16的端部连接有轮毂15，轮毂15上连接有叶片14。机舱16内设置有齿轮箱17、变桨系统18和偏航系统20，变桨系统18与偏航系统20分别与齿轮箱17连接。使用结构改进后的风力发电机作为风热机组1，因此，风热机组1还包括低速轴、高速轴及其机械匣、液压系统、冷却元件、风速计及风向标、尾舵等。风热机组1与风力发电机的不同之处在于，传统方式中，风力发电机中通过设置发电机将机械能转换成电能，需要制热的话，再将电能转换成热能。然而在风热机组1中，不采用发电机，而是直接将压缩机19与齿轮箱17连接，省略电能的转换，直接利用机械能进行热能的转化，这样的结构更加高效，减少了电子元器件对能源的损耗。

压缩机19采用开启式压缩机19，用于将制冷剂压缩成高温高压气体。压缩机19包括两个端口，压缩机19的两个端口分别与换热装置连接。换热装置由第一管路、第二管路、第一换热器3、第二换热器4、空气源换热器5、第一阀门9、第二阀门10、换向阀8、第一循环水泵6和第二循环水泵7等组成。

第一管路的一端与压缩机19的一端口连通，第一管路的另一端与换向阀8的一个接口连接，换向阀8包括三个接口。第一管路上连接有第一换热器3，第一换热器3包括两个端口，第一换热器3的一端口与第一循环水泵6的一端连通，第一循环水泵6的另一端与储水箱12的一端口连通，储水箱12的另一端口与第一换热器3的另一端口连通。储水箱12还包括用水口，用水口与用户端13连接。储水箱12为保温箱体，各个管路均为保温管路，减少循环过程中制冷剂以及水的热量的流失，实现对资源的最大限度的利用。

第二管路的一端与压缩机19的另一端口连通，第二管路的另一端连接有第一支管和第二支管，第一支管上依次连接有第一阀门9和第二换热器4。第二换热器4包括两个端口，第二换热器4的一端口与第二循环水泵7的一端连通。第二支管上依次连接有第二阀门10和空气源换热器5。第一支管和第二支管的端部分别与换向阀8的另两个接口连接。

如图3和图4所示，光伏光热一体化板2由玻璃盖板22、光伏电池23、金属集热背板24、集流通道和保温层27组成，玻璃盖板22的一面与光伏电池23的一面连接，光伏电池23的另一面与金属集热背板24的一面连接，金属集热背板24的另一面通过导热粘合剂25与集热流道26的一面连接，集热流道26的另一面与保温层27连接，保温层27上分别开设有贯通至集热流道26的进水口29和出水口28。第二循环水泵7的另一端与光伏光热一体化板2的进水口29连通，光伏光热一体化板2的出水口28与第二换热器4的另一端口连通。光伏光热一体化板2的输出端与逆变器30的一端电连接，逆变器30的另一端与交流汇流箱31的一端电连接，交流汇流箱31的另一端与用户端13和/或电网电连接。管路上还连接有第三阀门11，第三阀门11的一端连接在空气源换热器5和换向阀8之间的管路上，第三阀门11的另一端连接在第二换热器4和换向阀8之间的管路上，第三阀门11处于常闭状态。

基于光伏光热一体化的风光储综合能源系统控制方法，由制热控制方法、制冷控制方法和启停控制方法组成，其中，制热控制方法按以下步骤进行：

S11、选择制热模式，即打开第一阀门9，关闭第二阀门10，并开启风热机组1。

S12、通过风热机组1驱动压缩机19转动，压缩机19将第一制冷剂压缩成高温高压的第一制冷剂气体。

S13、第一制冷剂气体传输至第一换热器3中，第一制冷剂气体与第一换热器3外的第一循环水换热，第一制冷剂气体降温，得到第一液体制冷剂，第一循环水升温，得到热水。

S14、通过第一循环水泵6将热水传输至储水箱12，第一液体制冷剂通过换向阀8传输至第二换热器4中。

S15、通过第二循环水泵7将光伏光热一体化板2中的水输送至第二换热器4外，用于与第一液体制冷剂进行换热。在第二换热器4中，第一液体制冷剂与光伏光热一体化板2中的水换热后蒸发，回到压缩机19中。

制冷控制方法按以下步骤进行：

S21、选择制冷模式，即关闭第一阀门9，打开第二阀门10，并开启风热机组1。

S22、通过风热机组1驱动压缩机19转动，压缩机19将第二制冷剂压缩成高温高压的第二制冷剂气体。

S23、第二制冷剂气体传输至空气源换热器5中，在空气源换热器5中向周围环境散热，冷凝成第二液体制冷剂，第二液体制冷剂通过换向阀8传输至第一换热器3中。

S24、第二液体制冷剂与第一换热器3外的第二循环水换热，第二循环水降温形成冷水，通过第一循环水泵6输送至储水箱12中，第二液体制冷剂换热后蒸发，回到压缩机19中。

启停控制方法具体包括：

启动阶段：高速轴处于松开状态，开启自动偏航，此时不携带压缩机19负载，变桨系统18处于运行模式，如在一定时间内的平均风速大于启动风速设定值，且液压系统自检良好，开始启机。

加速提升阶段：机组以设定的加速度进行转速的提升，即寻求最大功率系数Cp，此时仍未带压缩机19负载。当风热机组1的高速轴的转矩达到压缩机19的最低转矩，高速轴转速小于压缩机19额定转速的70%且压缩机19滑阀对压缩机19负载的可调范围在30%至110%额定功率时，通过电磁离合器使压缩机19出力轴与风力机高速轴相连。之后随着风速的增大，更多的功输入到压缩机19，压缩机19首先要进行滑阀调节，提升压缩机19的输入扭矩，确保压缩机19在下一刻无风的状态不会导致脱网。

满发和脱网：如果风力继续增大会导致压缩机19的滑阀处于最大进气量，即扭矩最大。转速也超过额定转速，即将逼近限值。如果风力继续增大，令压缩机19脱网，断开力矩负载，高速轴刹车，偏航系统20偏离此时盛行风行90度，通过最快的降载方案，实现了对叶片14和整体风力机的保护。

因此，本综合能源系统最大的特征是充分利用风能和太阳能两种可再生能源，将风热系统和光伏光热系统两者结合形成风光储综合能源系统。风热系统，用于风能直驱压缩机19，将风能转化为热能进行系统供热。光伏光热系统，用于将太阳能转化为电能与热能。风热系统和光伏光热系统的结合点在于利用了光伏光热一体化技术，该综合能源系统利用光伏光热一体化技术产生的热水作为风热系统的工作热源，并能降低光伏板的背板温度，提高电池效率，同时产生电能实现建筑物的用电需要。本发明集发电、供暖、制冷于一体，能够全面满足用户需求，提高了太阳能、风能的综合利用率，是一个综合利用可再生清洁能源的完美结合体。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于光伏光热一体化的风光储综合能源系统，包括：风热机组、压缩机、换热装置、光伏光热一体化板和储水箱，风热机组内设置有齿轮箱；其特征在于，

压缩机与齿轮箱连接，压缩机的两个端口分别与换热装置连接，换热装置包括第一管路、第二管路、第一换热器、第二换热器、空气源换热器、第一阀门、第二阀门、换向阀、第一循环水泵和第二循环水泵；

第一管路的一端与压缩机的一端口连通，第一管路的另一端与换向阀连接，第一管路上连接有第一换热器，第一换热器的一端口与第一循环水泵的一端连通，第一循环水泵的另一端与储水箱的一端口连通，储水箱的另一端口与第一换热器的另一端口连通；

第二管路的一端与压缩机的另一端口连通，第二管路的另一端连接有第一支管和第二支管，第一支管上依次连接有第一阀门和第二换热器，第二换热器的一端口与第二循环水泵的一端连通，第二循环水泵的另一端与光伏光热一体化板的进水口连通，光伏光热一体化板的出水口与第二换热器的另一端口连通；第二支管上依次连接有第二阀门和空气源换热器，第一支管和第二支管的端部分别与换向阀连接。

2.根据权利要求1所述的基于光伏光热一体化的风光储综合能源系统，其特征在于，光伏光热一体化板的输出端与逆变器的一端电连接，逆变器的另一端与交流汇流箱的一端电连接，交流汇流箱的另一端与用户端和/或电网电连接。

3.根据权利要求1所述的基于光伏光热一体化的风光储综合能源系统，其特征在于，光伏光热一体化板包括玻璃盖板、光伏电池、金属集热背板、集流通道和保温层，玻璃盖板的一面与光伏电池的一面连接，光伏电池的另一面与金属集热背板的一面连接，金属集热背板的另一面与集热流道的一面连接，集热流道的另一面与保温层连接，保温层上分别开设有贯通至集热流道的进水口和出水口。

4.根据权利要求1所述的基于光伏光热一体化的风光储综合能源系统，其特征在于，储水箱还包括用水口，用水口与用户端连接。

5.一种根据权利要求1-4任一项所述的基于光伏光热一体化的风光储综合能源系统的基于光伏光热一体化的风光储综合能源系统控制方法，其特征在于，包括制热控制方法和制冷控制方法，其中，制热控制方法按以下步骤进行：

S11、选择制热模式，并开启风热机组；

S12、通过风热机组驱动压缩机转动，压缩机将第一制冷剂压缩成第一制冷剂气体；

S13、第一制冷剂气体传输至第一换热器中，第一制冷剂气体与第一换热器外的第一循环水换热，得到第一液体制冷剂和热水；

S14、通过第一循环水泵将热水传输至储水箱，第一液体制冷剂通过换向阀传输至第二换热器中；

S15、第一液体制冷剂在第二换热器中与光伏光热一体化板中的水换热，第一液体制冷剂蒸发，回到压缩机中；

制冷控制方法按以下步骤进行：

S21、选择制冷模式，并开启风热机组；

S22、通过风热机组驱动压缩机转动，压缩机将第二制冷剂压缩成第二制冷剂气体；

S23、第二制冷剂气体传输至空气源换热器中，在空气源换热器中冷凝成第二液体制冷剂，第二液体制冷剂通过换向阀传输至第一换热器中；

6.根据权利要求5所述的基于光伏光热一体化的风光储综合能源系统控制方法，其特征在于，通过第二循环水泵将光伏光热一体化板中的水输送至第二换热器，作为第二换热器的热源与第一液体制冷剂进行换热。

7.根据权利要求5所述的基于光伏光热一体化的风光储综合能源系统控制方法，其特征在于，还包括启停控制方法，具体包括：当风热机组的高速轴的转矩达到压缩机的最低转矩，高速轴转速小于压缩机额定转速的70%且压缩机滑阀对压缩机负载的可调范围在30%至110%额定功率时，通过电磁离合器使压缩机出力轴与风力机高速轴相连。

8.根据权利要求7所述的基于光伏光热一体化的风光储综合能源系统控制方法，其特征在于，启停控制方法还包括：当压缩机的滑阀处于最大进气量，压缩机转速超过额定转速且风力继续增大时，控制压缩机脱网。