CN117366654A - 一种光伏光热一体化多能协同的发电、热泵及供热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光伏光热一体化多能协同的发电、热泵及供热装置，涉及清洁能源利用技术领域。太阳能光伏/热模块将太阳能转化为第一电能；将空气中的热能转变为传热介质的热能；将储能介质发生相变变化时释放的热能转变为传热介质的热能；热泵机组用于将传热介质的热能与循环工质进行热交换；发电系统储存第一电能；高温高压气体循环工质用于发电得到第二电能；供热系统用于高温高压气体循环工质发电得到第二电能的同时，得到高温供热工质；本发明实现了在太阳能板发电的同时，提高光伏光热一体化太阳能板的使用效率，还可以实现建筑物全天候供热。
Description
技术领域
本发明涉及清洁能源利用技术领域，特别是涉及一种光伏光热一体化多能协同的发电、热泵及供热装置。
背景技术
随着人们对能源资源的需求日益增加，再生能源逐渐成为世界各国发展中备受重视的一部分，太阳能、相变能、空气能的角色逐步转变，由辅助能源变为主要能源。尤其是太阳能光伏/热(PV/T)技术(Solarphotovoltaic/thermal(PV/T)technology)的应用。
但是太阳能集热板存在有效工作时效短、昼夜热量不平衡和不能全天候利用的问题，冬天无法做到全天候供暖，其它季节的时候发电、供热和不能兼顾。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种光伏光热一体化多能协同的发电、热泵及供热装置，以实现在太阳能板发电的同时，提高光伏光热一体化太阳能板的使用效率，还可以实现建筑物全天候供热。
为实现上述目的，本发明实施例提供了如下方案：
一种光伏光热一体化多能协同的发电、热泵及供热装置，包括：
太阳能光伏/热模块，用于：
将太阳能转化为第一电能；
当环境温度大于传热介质的温度时，将空气中的热能转变为传热介质的热能；
将储能介质发生相变变化时释放的热能转变为传热介质的热能；
热泵机组，与所述太阳能光伏/热模块连接，用于将所述传热介质的热能与循环工质进行热交换，将低温低压液体循环工质蒸发形成低温低压气体循环工质；将所述低温低压气体循环工质转换为高温高压气体循环工质；
发电系统，与所述热泵机组连接，用于：
储存所述第一电能；
所述高温高压气体循环工质用于发电得到第二电能；发电后，所述高温高压气体循环工质形成所述低压低温液体；
供热系统，与所述发电系统连接，用于在所述高温高压气体循环工质发电得到第二电能的同时，将所述高温高压气体循环工质释放的热量与供热工质进行热交换，得到高温供热工质；所述高温供热工质释放热量用于供热。
可选地，所述太阳能光伏/热模块包括：
光伏发电板，用于将太阳能转化为所述第一电能；
空气能转化单元，用于：
采集环境温度和传热介质温度；当环境温度大于传热介质温度时，将空气中的热能与所述传热介质进行热交换，得到吸收热能温度升高后的传热介质；
相变能转化单元，用于将储能介质发生相变变化时释放的热能与所述传热介质进行热交换，得到吸收热能温度升高后的传热介质。
可选地，所述空气能转化单元具体包括：
太阳能集热板，用于将太阳能转化为热能；
导热子单元，与所述太阳能集热板连接，用于将热能传导至所述传热介质；
换热子单元，与所述导热子单元连接，用于将空气中的热能传导至所述传热介质；
空气引流子单元，与所述换热子单元连接，用于带动空气流动。
可选地，所述相变能转化单元具体包括：
半圈型翅片集热套管，与所述导热子单元连接，用于采集储能介质发生相变变化时释放的热能；
壳体，用于对太阳能集热板、导热子单元、换热子单元、空气引流子单元和半圈型翅片集热套管进行封装和保温。
可选地，所述导热子单元具体包括：
导热硅胶和导热面板。
可选地，所述空气引流子单元具体包括：
引流风机，用于抽取空气形成气流；
空气流动室，与所述引流风机连接，用于气流按照预设路线进行流动；
下集箱，用于收集释放完热量的传热介质；
上集箱，用于存储吸收完热量的传热介质。
可选地，所述壳体具体包括：
保温层和封闭层。
可选地，所述热泵机组具体包括：
蒸发器，与所述上集箱连接，用于所述吸收完热量的传热介质与所述循环工质进行热交换；
压缩机，与所述蒸发器连接，用于将所述低温低压气体循环工质压缩为高温高压气体循环工质；
冷凝器，与所述压缩机连接，用于所述高温高压气体循环工质释放热量形成高压低温液体循环工质；
膨胀阀，分别与所述冷凝器和蒸发器连接，用于控制所述高压低温液体循环工质的流量，得到低温低压液体循环工质后流入蒸发器；
热源侧循环水泵，用于带动循环工质的流动；
流量计，用于采集循环工质的流量数据。
可选地，所述发电系统具体包括：
储能电池；
逆变器，与所述储能电池连接，用于将直流电转换为交流电；
控制柜，分别与所述储能电池和用电终端连接，用于：
控制所述交流电为所述用电终端供电；
控制所述储能电池储存所述交流电。
可选地，所述供热系统具体包括：
风机盘管，用于所述高温供热工质释放热量进行供热；
循环水泵，与所述风机盘管连接，用于带动供热工质流动；
第二流量计，用于采集供热工质的流量数据。
在本发明实施例中，该发明是一种光伏光热一体化多能协同的发电、热泵及供热装置一是提高太阳能光伏/热模块的发电效率，为用电终端提供电能，二是供热系统可以为建筑物全天候供暖。
1)一种光伏光热一体化多能协同的发电、热泵及供热装置是利用太阳能光伏/热模块正面发电+背面取热与相变能、空气能协同为热泵机组提供热源，晚上储能介质水-冰的相变储能提供热源，同时空气在管腔内流动产生的空气能为热泵机组提供热源，太阳能为主要热源，不仅在白天给热泵机组提供热源，同时要融化晚上结冰时所需的热能，经热泵机组转化后给建筑物采暖。
2)发电系统发电经转化后给用电终端使用，由于太阳能光伏/热模块背面取热供暖，降低了光伏发电板的背面温度，提高了发电效率。
3)太阳能光伏/热模块背面热能通过半圆型翅片套管集热器传给储能介质，通过储能介质将热能再传给循环工质，在循环水泵的作用下，循环工质在热泵机组中进行热交换，再流回集热器完成一个循环。
4)通过将多种再生能源进行互补利用，能够最大化地满足人类对能源的需求，在这个过程中减少对传统能源的依赖，有利于实现能源的可持续发展。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的光伏光热一体化多能协同的发电、热泵及供热装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的光伏光热一体化多能协同的发电、热泵及供热装置的详细结构图；
图3为本发明实施例提供的太阳能光伏/热模块结构示意图；
图4为本发明实施例提供的太阳能光伏/热模块的正面剖视图；
图5为本发明实施例提供的太阳能光伏/热模块的侧面剖视图。
符号说明：
太阳能光伏/热模块-1，光伏发电板-11，太阳能集热板-12，换热子单元-112，半圈型翅片集热套管-13，导热硅胶-14，导热面板-15，引流风机-16，空气流动室-17，下集箱-18，上集箱-19，保温层-110，封闭层-111，热泵机组-2，蒸发器-21，压缩机-22，冷凝器-23，膨胀阀-24，热源侧循环水泵-25，流量计-26，发电系统-3，储能电池-31，逆变器-32，控制柜-33，供热系统-4，风机盘管-41，循环水泵-42，第二流量计-43。
具体实施方式
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种光伏光热一体化多能协同的发电、热泵及供热装置，以解决现有的在太阳能板发电的同时，光伏光热一体化太阳能板的使用效率低，无法为建筑物全天候供热的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1示出了上述一种光伏光热一体化多能协同的发电、热泵及供热装置的一种示例性结构。
太阳能光伏/热模块1用于：
将太阳能转化为第一电能；
当环境温度大于传热介质的温度时，将空气中的热能转变为传热介质的热能；
将储能介质发生相变变化时释放的热能转变为传热介质的热能；
所述太阳能光伏/热模块1包括：
光伏发电板11用于将太阳能转化为所述第一电能；
空气能转化单元，用于：
采集环境温度和传热介质温度；当环境温度大于传热介质温度时，将空气中的热能与所述传热介质进行热交换，得到吸收热能温度升高后的传热介质；
所述空气能转化单元具体包括：
太阳能集热板12用于将太阳能转化为热能；
导热子单元，与所述太阳能集热板连接，用于将热能传导至所述传热介质；所述导热子单元具体包括：
导热硅胶14和导热面板15。
换热子单元112与所述导热子单元连接，用于将空气中的热能传导至所述传热介质；
空气引流子单元与所述换热子单元112连接，用于带动空气流动。
所述空气引流子单元具体包括：
引流风机16用于抽取空气形成气流；
空气流动室17与所述引流风机16连接，用于气流按照预设路线进行流动；
下集箱18用于收集释放完热量的传热介质；
上集箱19用于存储吸收完热量的传热介质。
相变能转化单元，用于将储能介质发生相变变化时释放的热能与所述传热介质进行热交换，得到吸收热能温度升高后的传热介质。
所述相变能转化单元具体包括：
半圈型翅片集热套管13与所述导热子单元连接，用于采集储能介质发生相变变化时释放的热能；
壳体，用于对太阳能集热板12、导热子单元、换热子单元112、空气引流子单元和半圈型翅片集热套管13进行封装和保温。
所述壳体具体包括：
保温层110和封闭层111。
在一个示例中，请参见图2，太阳能光伏/热模块1太阳能光伏/热模块1吸收太阳产生的热能，通过光伏发电板11，由导热硅胶14，传导到导热面板15后，传给半圈型翅片集热套管13内储能介质(水)，由储能介质传给套管内换热子单元112内的传热介质，传热介质从太阳能光伏/热模块1的上集箱19的传热介质出口输送到热泵机组2的蒸发器21，经过热泵机组2的蒸发器21换热后，经过流量计26，在热源侧循环水泵25作用下，通过管路进入传热介质入口，进入下集箱18，在太阳能光伏/热模块1中，吸收太阳热能后，从上集箱19的传热介质出口，输送的热泵机2的蒸发器21，完成取热循环。
如图3、图4和图5所示，太阳能光伏/热模块1中的光伏发电板11，背面涂抹上导热硅胶14然后与导热面板15的正面粘接在一起，导热面板15的背面与半圈型翅片集热套管13是焊接在一起的，半圈型翅片集热套管13的两端封闭与导热面板15焊接；半圈型翅片集热套管13的两端的中心开口，将换热子单元112放入套管内，与两端焊接成一个整体；换热子单元112的两端分别与下集箱18、上集箱19连接；下集箱18的传热介质进口、上集箱19传热介质出口与热泵机组2的蒸发器21的出、进口连接。
在一个示例中，电能转化过程为：太阳照射太阳能光伏/热模块1中的光伏发电板11，正面产生的电能通过电线连接，储存在储能电池31中，经过逆变器32变成交流电到达控制柜33，一部分直接供用电终端使用，一部分储存在储能电池31中晚上使用。
在一个示例中，空气能转化过程为：太阳能光伏/热模块1在阴天或无太阳时，环境温度大于传热介质温度时，开动引流风机16，在引流风机16的作用下，空气从空气入口进入太阳能光伏/热模块1下面的空气流动室17，空气能传给半圈型翅片集热套管13集热器，吸收空气中的热量，传给半圈型翅片集热套管13内储能介质，由储能介质传给套管内换热子单元112内的传热介质，从上集箱19的传热介质出口输送的热泵机组2的蒸发器21，完成空气能的转化。
在一个示例中，相变能转化过程为：太阳能光伏/热模块1中，当传热介质温度低于0℃时半圈型翅片集热套管13内储能介质由水结成冰，释放潜热热能，由换热子单元112传给传热介质，由传热介质输送的热泵机组2的蒸发器21。完成相变能的转化。
热泵机组2与所述太阳能光伏/热模块1连接，热泵机组2用于将所述传热介质的热能与循环工质进行热交换，将低温低压液体循环工质蒸发形成低温低压气体循环工质；将所述低温低压气体循环工质转换为高温高压气体循环工质；
所述热泵机组2具体包括：
蒸发器21与所述上集箱19连接，用于所述吸收完热量的传热介质与所述循环工质进行热交换；
压缩机22与所述蒸发器21连接，用于将所述低温低压气体循环工质压缩为高温高压气体循环工质；
冷凝器23与所述压缩机22连接，用于所述高温高压气体循环工质释放热量形成高压低温液体循环工质；
膨胀阀24分别与所述冷凝器23和蒸发器21连接，用于控制所述高压低温液体循环工质的流量，得到低温低压液体循环工质后流入蒸发器；
热源侧循环水泵25用于带动循环工质的流动；
流量计26用于采集循环工质的流量数据。
发电系统3与所述热泵机组2连接，发电系统3用于：
储存所述第一电能；
所述高温高压气体循环工质用于发电得到第二电能；发电后，所述高温高压气体循环工质形成所述低压低温液体；
所述发电系统3具体包括：
储能电池31；
逆变器32与所述储能电池31连接，用于将直流电转换为交流电；
控制柜33分别与所述储能电池31和用电终端连接，用于：
控制所述交流电为所述用电终端供电；
控制所述储能电池储存所述交流电。
供热系统4与所述发电系统3连接，供热系统4用于在所述高温高压气体循环工质发电得到第二电能的同时，将所述高温高压气体循环工质释放的热量与供热工质进行热交换，得到高温供热工质；所述高温供热工质释放热量用于供热。
所述供热系统4具体包括：
风机盘管41用于所述高温供热工质释放热量进行供热；
循环水泵42与所述风机盘管41连接，用于带动供热工质流动；
第二流量计43用于采集供热工质的流量数据。
请参见图2，经过热泵机组2的蒸发器21换热后的热能，被热泵机组2内的循环工质吸收，循环工质变成低温低压气体，在压缩机22的作用下变成高温高压气体循环工质，进入冷凝器23，在冷凝器23释放热能后，循环工质变成高压低温液体，进入膨胀阀24后，变成低压、低温液体，再次进入蒸发器21，完成低品位热能向高品位热能的转化。
从冷凝器23释放热能，用户端的循环是吸收热能，进入第二流量计43、风机盘管41供用户采暖，从风机盘管41出来的低温热水进入用户侧循环水泵42，再次流入冷凝器23完成一个循环。
半圈型翅片集热套管13内装的是储能介质(可以是水，也可以其它储能物质)，储能介质的主要作用：(1)储能，在没有太阳的时候发生相变释放出凝固给建筑供热；(2)高导热性，储能介质吸收太阳能通过导热面板传来的热能，储能介质将吸收热能通过换热管传导给传热介质，都需要储能介质要有高导热性；(3)储能量的大小与储能物质、套管内的容积大小有关，一般按太阳能一天最大传出的热能进行计算。
选用半圈型翅片集热套管13主要是为了吸收空气中的热能，翅片套管传热系数大。
多能协同是指太阳能发电电能供系统使用，太阳能、相变能、空气中热能协同利用完成全天候的供暖需求。综上所述，在本发明实施例中，该发明是一种光伏光热一体化多能协同的发电、热泵及供热装置一是提高太阳能光伏/热模块的发电效率，为用电终端提供电能，二是供热系统可以为建筑物全天候供暖。
1)一种光伏光热一体化多能协同的发电、热泵及供热装置是利用太阳能光伏/热模块正面发电+背面取热与相变能、空气能协同为热泵机组提供热源，晚上储能介质水-冰的相变储能提供热源，同时空气在管腔内流动产生的空气能为热泵机组提供热源，太阳能为主要热源，不仅在白天给热泵机组提供热源，同时要融化晚上结冰时所需的热能，经热泵机组转化后给建筑物采暖。
2)发电系统发电经转化后给用电终端使用，由于太阳能光伏/热模块背面取热供暖，光伏发电板的背面涂抹上导热硅胶与导热面板粘接在一起，让光伏发电板与导热面板充分接触，导热更流畅，伏发电板与导热面板面积一样大，传热均匀，能有效降低光伏发电板背面温度，降低了光伏发电板的背面温度，提高了发电效率。
3)太阳能光伏/热模块背面热能通过半圆型翅片套管集热器传给储能介质，通过储能介质将热能再传给循环工质，在循环水泵的作用下，循环工质在热泵机组中进行热交换，再流回集热器完成一个循环。
4)通过将多种再生能源进行互补利用，能够最大化地满足人类对能源的需求，在这个过程中减少对传统能源的依赖，有利于实现能源的可持续发展。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明实施例的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明实施例的限制。
Claims (10)
1.一种光伏光热一体化多能协同的发电、热泵及供热装置，其特征在于，包括：
太阳能光伏/热模块，用于：
将太阳能转化为第一电能；
当环境温度大于传热介质的温度时，将空气中的热能转变为传热介质的热能；
将储能介质发生相变变化时释放的热能转变为传热介质的热能；
热泵机组，与所述太阳能光伏/热模块连接，用于将所述传热介质的热能与循环工质进行热交换，将低温低压液体循环工质蒸发形成低温低压气体循环工质；将所述低温低压气体循环工质转换为高温高压气体循环工质；
发电系统，与所述热泵机组连接，用于：
储存所述第一电能；
所述高温高压气体循环工质用于发电得到第二电能；发电后，所述高温高压气体循环工质形成所述低压低温液体；
供热系统，与所述发电系统连接，用于在所述高温高压气体循环工质发电得到第二电能的同时，将所述高温高压气体循环工质释放的热量与供热工质进行热交换，得到高温供热工质；所述高温供热工质释放热量用于供热。
2.根据权利要求1所述的光伏光热一体化多能协同的发电、热泵及供热装置，其特征在于，所述太阳能光伏/热模块包括：
光伏发电板，用于将太阳能转化为所述第一电能；
空气能转化单元，用于：
采集环境温度和传热介质温度；当环境温度大于传热介质温度时，将空气中的热能与所述传热介质进行热交换，得到吸收热能温度升高后的传热介质；
相变能转化单元，用于将储能介质发生相变变化时释放的热能与所述传热介质进行热交换，得到吸收热能温度升高后的传热介质。
3.根据权利要求2所述的光伏光热一体化多能协同的发电、热泵及供热装置，其特征在于，所述空气能转化单元具体包括：
太阳能集热板，用于将太阳能转化为热能；
导热子单元，与所述太阳能集热板连接，用于将热能传导至所述传热介质；
换热子单元，与所述导热子单元连接，用于将空气中的热能传导至所述传热介质；
空气引流子单元，与所述换热子单元连接，用于带动空气流动。
4.根据权利要求3所述的光伏光热一体化多能协同的发电、热泵及供热装置，其特征在于，所述相变能转化单元具体包括：
半圈型翅片集热套管，与所述导热子单元连接，用于采集储能介质发生相变变化时释放的热能；
壳体，用于对太阳能集热板、导热子单元、换热子单元、空气引流子单元和半圈型翅片集热套管进行封装和保温。
5.根据权利要求3所述的光伏光热一体化多能协同的发电、热泵及供热装置，其特征在于，所述导热子单元具体包括：
导热硅胶和导热面板。
6.根据权利要求3所述的光伏光热一体化多能协同的发电、热泵及供热装置，其特征在于，所述空气引流子单元具体包括：
引流风机，用于抽取空气形成气流；
空气流动室，与所述引流风机连接，用于气流按照预设路线进行流动；
下集箱，用于收集释放完热量的传热介质；
上集箱，用于存储吸收完热量的传热介质。
7.根据权利要求4所述的光伏光热一体化多能协同的发电、热泵及供热装置，其特征在于，所述壳体具体包括：
保温层和封闭层。
8.根据权利要求6所述的光伏光热一体化多能协同的发电、热泵及供热装置，其特征在于，所述热泵机组具体包括：
蒸发器，与所述上集箱连接，用于所述吸收完热量的传热介质与所述循环工质进行热交换；
压缩机，与所述蒸发器连接，用于将所述低温低压气体循环工质压缩为高温高压气体循环工质；
冷凝器，与所述压缩机连接，用于所述高温高压气体循环工质释放热量形成高压低温液体循环工质；
膨胀阀，分别与所述冷凝器和蒸发器连接，用于控制所述高压低温液体循环工质的流量，得到低温低压液体循环工质后流入蒸发器；
热源侧循环水泵，用于带动循环工质的流动；
流量计，用于采集循环工质的流量数据。
9.根据权利要求8所述的光伏光热一体化多能协同的发电、热泵及供热装置，其特征在于，所述发电系统具体包括：
储能电池；
逆变器，与所述储能电池连接，用于将直流电转换为交流电；
控制柜，分别与所述储能电池和用电终端连接，用于：
控制所述交流电为所述用电终端供电；
控制所述储能电池储存所述交流电。
10.根据权利要求9所述的光伏光热一体化多能协同的发电、热泵及供热装置，其特征在于，所述供热系统具体包括：
风机盘管，用于所述高温供热工质释放热量进行供热；
循环水泵，与所述风机盘管连接，用于带动供热工质流动；
第二流量计，用于采集供热工质的流量数据。
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