CN117781380B - 一种基于环路热管的太阳能pv/t空调系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于环路热管的太阳能PV/T空调系统，涉及太阳能PV/T空调技术领域，以解决现有技术中空调能耗高的问题；本发明包括PV/T系统和空调系统；PV/T系统包括PV/T板、PV/T板背侧的热管蒸发段、与热管蒸发段和热管冷凝段连通的蒸汽管道、与冷凝段和蒸发段连通的液体回流管以及蓄电池；空调系统包括室外换热器，室外换热器与蒸汽管道，空调系统还包括与蓄电池电连接的压缩机。本发明可以解决现有太阳能空调组件的产品功能单一、系统能量转换效率低、无法满足建筑供暖、制冷、供电、生活热水等多样化需求的问题。
Description
技术领域
本发明属于太阳能空调领域，具体涉及一种基于环路热管的太阳能PV/T空调系统。
背景技术
能源与环境问题是我国当前日益关注的热点问题，太阳能技术的日渐成熟和发展，使其成为可再生能源消费结构中不可或缺的部分。空调能耗在能源消费结构中占比很大，传统空调不仅造成用电紧张，使用化石燃料发电排放的酸性气体将会加剧温室效应。太阳能空调与传统空调相比具有良好的季节匹配性并且能够实现与建筑一体化的建筑供能系统，在世界各国受到越来越多研究单位、建筑及新能源界的广泛关注。传统太阳能空调分为两种，太阳能光伏空调和太阳能光热空调。但是这两种太阳能空调组件的产能功能单一，系统的能量转换效率低，并且任何一种单一的太阳能利用形式存在能源利用效率低、设备利用低等问题，无法满足建筑冬季供暖、夏季制冷以及全年供电和生活热水的能源需求。目前，对于太阳能PV/T空调的研究也只是单独的对建筑进行供暖和制冷，并且传统的空冷型PV/T热效率较低，水冷型PV/T不能在高纬度地区使用。重力热管式PV/T蒸发段只有下部工质部分，传热效果不理想，对于基于PV/T的太阳能空调方面的研究尚不成熟，缺乏对于采用一套系统实现建筑热电冷多联供能的研究。
发明内容
鉴于此，本发明提供了一种基于环路热管的太阳能PV/T空调系统，通过环路热管式太阳能PV/T和空调系统耦合，将环路热管的冷凝端与空调系统的室外换热器通过套管式换热器连接，安装阀门进行控制。PV/T板通过太阳辐射吸收大量太阳能，在夏季太阳能光伏发电直驱压缩制冷实现建筑供冷，将PV/T板产生的热量通过蓄热水箱储存传递到建筑热水系统实现建筑供热水；在冬季光电驱动空调供暖，光热一部分供给空调的室外换热器，提高空调系统的蒸发温度，提升系统的制热性能，另一部分可以供地暖使用，或供热水的多供能效果，实现系统全年利用太阳能高效功能，保障空调安全可靠运行的同时，最大可能的利用太阳能资源以实现节能减排。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于环路热管的太阳能PV/T空调系统，包括PV/T系统和空调系统；
所述PV/T系统包括：
PV/T板；
热管蒸发段，其设在PV/T板背侧，且内部设有工质；
蒸汽管道，位于所述热管蒸发段上方，其一端与热管蒸发段连通，另一端与设在蓄热水箱上的热管冷凝段的进口连通；
液体回流管，其一端与热管冷凝段的出口连通，另一端与热管蒸发段连通；
蓄电池，其与PV/T板电连接；
所述空调系统包括：
室外换热器，其一端通过管道与蒸汽管道连通，所述管道上设有第一阀门；
压缩机，其与蓄电池电连接。
该技术方案中，PV/T板将一部风太阳能转化为电能在蓄电池中存储，为空调系统的压缩机运作提供所必须的电能。另一部分光能由热管蒸发段中的工质吸收热量，工质转化为蒸汽通过蒸汽管道被运输到冷凝段，在冷凝段中蒸汽被蓄热水箱中的冷水冷凝为液体，并通过回流管返回到热管蒸发段中，完成循环。蓄热水箱中的水吸收蒸汽冷凝所放出的热量，提供给建筑用水和供给建筑地暖使用。在冬季，气态工质将部分热量传递到空调的蒸发段，被空调吸热，可提高冬季空调系统的蒸发温度，提升空调系统的制热性能，实现了建筑供暖、制冷、供热水的多供能效果，提高太阳能的全年利用率，最大可能的利用太阳能资源以实现节能减排。
优选的，压缩机一侧通过管路固定连接有风机。
优选的，PV/T系统还包括控制器、市电以及多功能逆变器，控制器与各个电器电连接，用以控制各个电器的开闭，多功能逆变器与蓄电池和压缩机电连接。
优选的，空调系统还包括室内换热器和节流阀，室外换热器、压缩机、室内换热器和节流阀通过连接管连接。其中，在室外换热器和压缩机之间设有四通阀，在室外换热器和室内换热器之间设有节流阀。
该技术方案中，所述的四通阀与压缩机的出气口和吸气口连接。四通阀是来改变冷媒的流通方向的。具体的，四通阀设有第一阀口、第二阀口、第三阀口和第四阀口。第一阀口与出气口连接，第三阀口与吸气口连接。当处于制冷状态时，第一阀口和第四阀口连接并且第二阀口与第三阀口连接。冷媒通过压缩机压缩变为高温高压的气体，通过四通阀的第一阀口，由第四阀口排出，进入室外热交换器(冷凝器)向室外散热，经节流装置进入室内换热器(蒸发器)，再经过四通阀的第二阀口，由第三阀口回到压缩机，然后继续循环。处于制热状态时，第一阀口和第二阀口连接并且第三阀口和第四阀口连接。冷媒通过压缩机压缩变为高温高压的气体，通过四通阀的第一阀口，由第二阀口排出，进入室内热交换器(冷凝器)向室内散热，再经节流装置进入室外热交换器(蒸发器)，经过四通阀第四阀口，由第三阀口回到压缩机，然后继续循环。
优选的，所述室外换热器远离蒸汽管道的一端通过管体与液体回流管连通，所述管体上设有第二阀门。
该技术方案中，PV/T系统的气态工质将部分热量传递到空调的蒸发段后，被空调吸热冷凝后通过管体回流到PV/T。
优选的，所述热管蒸发段与蒸汽管道的连通处设有集汽管。
优选的，蒸汽管道与液体回流管的连通处设有集液管。
优选的，所述热管蒸发段为扁铜热管。
该技术方案中，采用扁铜热管，增大了热管蒸发段与铝板的接触面积，更加容易贴合铝板，增强了热管蒸发段的吸热能力，降低了接触热阻。
优选的，所述热管蒸发段与液体回流管连接处的管壁侧开有小孔。
采用上述技术方案，由于管壁侧开有小孔，上端集液管可以在热管内壁表面形成均匀分布的液膜，防止了传统环路热管的干燥效应，采用这种特殊的汽液分离装置和上供上回模式的方式有助于实现蒸汽连续蒸发，从而显著提高环路热管的热传输能力。
优选的，所述PV/T板包括由上而下依次连接的玻璃盖板、EVA胶膜、光伏组件、EVA胶膜+TPT绝缘层、铝板、热管蒸发段、绝缘层。
该技术方案中，所述的热管式PV/T板以铝板作为基板，所述光伏电池通过EVA胶膜和TPT绝缘层封装，所述EVA胶膜和TPT绝缘层压在铝板上，所述铝板的背面通过导热硅胶粘接热管蒸发段。所述热管蒸发段外侧有绝缘层。
优选的，所述蓄热水箱一端设有与用户系统连通的进水管，所述进水管上设有水泵；所述用户系统远离进水管的一端设有与蓄热水箱连通的出水管，所述出水管上设有开关阀。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.通过环路热管的设计，作为一种通过相变传热被动循环的闭式环路装置，与传统热管相比，环路热管有着分离的蒸汽和液体输送管线，可最大限度地减少蒸汽和液体流动之间的相互作用，从而减少流道上的压力损失。
2.本环路热管系统在传统热管的基础上，对热管进行扁平化加工，使热管和铝板更好的贴合，达到更好的换热目的，提升热管温度的均匀性，缓解热管热流密度集中导致的热应力增大的问题，可提高环路热管的综合效率。
3.可以消除传统太阳能平板集热器系统中冻结、腐蚀和结构问题，并且环路热管中蒸发器和冷凝器是分离的，冷凝器部分的面积是可以调节的，在太阳能热效率上有很大的潜力来提高系统的性能。
4.环路热管PV/T系统采用特殊的汽液分离装置和上供上回模式的方式有助于实现蒸汽连续蒸发，从而显著提高环路热管的热传输能力。
5.可以解决现有太阳能空调组件的产品功能单一、系统能量转换效率低、无法满足建筑供暖、制冷、供电、生活热水等多样化需求的问题，本系统可实现建筑多源多供能，有利于指导发展高效低碳的新型环路热管型PV/T耦合空调系统技术应用于工程实际，并有助于推动太阳能PV/T空调与建筑一体化的转型升级。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明中一种基于环路热管的太阳能PV/T空调系统的结构示意图；
图2是本发明中环路热管式太阳能PV/T板竖向剖面结构示意图；
图3是发明中环路热管横截面结构示意图；
图4是发明中PV/T板结构示意图；
图5是本发明中环路热管与空调室外机耦合结构示意图。
附图标记
1-PV/T系统、2-空调系统、3-热管蒸发段、4-下集管、5-集液管、6-集汽管、7-环路热管冷凝段、8-蓄热水箱、9-蒸汽管道、10-液体回流管、11-自来水管、12-控制器、13-蓄电池、14-逆变器、15-电线、16-室外换热器、17-压缩机、18-室内换热器、19-节流阀、20-四通阀、21-风机、22-水泵、23-用户、24-开关阀、25-水管、26-第一阀门、27-第二阀门、28-管道、30-市电、31-玻璃盖板、32-EVA胶膜、33-光伏电池、34-EVA胶膜+TPT、35-铝板、37-绝缘层、38-框架、39-小孔、40-PV/T板。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
实施例
如图1-4所示，本发明实施例中公开了一种基于环路热管的太阳能PV/T空调系统2，包括PV/T系统1和空调系统2；
所述PV/T系统1包括：
PV/T板40；
热管蒸发段，其设在PV/T板40背侧，且内部设有工质；
蒸汽管道9，位于所述热管蒸发段上方，其一端与热管蒸发段连通，另一端与设在蓄热水箱上的热管冷凝段的进口连通；
液体回流管10，其一端与热管冷凝段的出口连通，另一端与热管蒸发段连通；
蓄电池13，其与PV/T板40电连接；
所述空调系统2包括：
室外换热器16，其一端通过管道28与蒸汽管道9连通，所述管道28上设有第一阀门26；
压缩机17，其与蓄电池13电连接。
PV/T板40将一部风太阳能转化为电能在蓄电池13中存储，为空调系统2的压缩机17运作提供所必须的电能。另一部分光能由热管蒸发段中的工质吸收热量，工质转化为蒸汽通过蒸汽管道9被运输到冷凝段，在冷凝段中蒸汽被蓄热水箱中的冷水冷凝为液体，并通过回流管返回到热管蒸发段中，完成循环。蓄热水箱8中的水吸收蒸汽冷凝所放出的热量，提供给建筑用水和供给建筑地暖使用。在冬季，气态工质将部分热量传递到空调的蒸发段，被空调吸热，可提高冬季空调系统2的蒸发温度，提升空调系统2的制热性能，实现了建筑供暖、制冷、供热水的多供能效果，提高太阳能的全年利用率，最大可能的利用太阳能资源以实现节能减排。
在一个实施例中，如图1所示，压缩机17一侧通过管路固定连接有风机21。
在一个实施例中，如图1所示，PV/T系统1还包括控制器12、市电30以及多功能逆变器14，控制器12与各个电器电连接，用以控制各个电器的开闭，多功能逆变器14与蓄电池13和压缩机17电连接。
在一个实施例中，如图1所示，空调系统2还包括室内换热器18和节流阀19，室外换热器16、压缩机17、室内换热器18和节流阀19通过连接管连接。其中，在室外换热器16和压缩机17之间设有四通阀20，在室外换热器16和室内换热器18之间设有节流阀19。所述的四通阀20与压缩机17的出气口和吸气口连接。四通阀20是来改变冷媒的流通方向的。具体的，四通阀20设有第一阀口、第二阀口、第三阀口和第四阀口。第一阀口与出气口连接，第三阀口与吸气口连接。当处于制冷状态时，第一阀口和第四阀口连接并且第二阀口与第三阀口连接。冷媒通过压缩机17压缩变为高温高压的气体，通过四通阀20的第一阀口，由第四阀口排出，进入室外热交换器(冷凝器)向室外散热，经节流装置进入室内换热器18(蒸发器)，再经过四通阀20的第二阀口，由第三阀口回到压缩机17，然后继续循环。处于制热状态时，第一阀口和第二阀口连接并且第三阀口和第四阀口连接。冷媒通过压缩机17压缩变为高温高压的气体，通过四通阀20的第一阀口，由第二阀口排出，进入室内热交换器(冷凝器)向室内散热，再经节流装置进入室外热交换器(蒸发器)，经过四通阀20第四阀口，由第三阀口回到压缩机17，然后继续循环。
在一个实施例中，如图1所示，所述室外换热器16远离蒸汽管道9的一端通过管体与液体回流管10连通，所述管体上设有第二阀门27。PV/T系统1的气态工质将部分热量传递到空调的蒸发段后，被空调吸热冷凝后通过管体回流到PV/T。
在一个实施例中，如图1所示，所述热管蒸发段3与蒸汽管道9的连通处设有集汽管6。
在一个实施例中，如图1所示，蒸汽管道9与液体回流管10的连通处设有集液管5。
在一个实施例中，所述热管蒸发段为扁铜热管。采用扁铜热管，增大了热管蒸发段与铝板35的接触面积，更加容易贴合铝板35，增强了热管蒸发段的吸热能力，降低了接触热阻。
在一个实施例中，如图3所示，所述热管蒸发段与液体回流管10连接处的管壁侧开有小孔39。
由于管壁侧开有小孔39，上端集液管5可以在热管内壁表面形成均匀分布的液膜，防止了传统环路热管的干燥效应，采用这种特殊的汽液分离装置和上供上回模式的方式有助于实现蒸汽连续蒸发，从而显著提高环路热管的热传输能力。
在一个实施例中，如图2所示，所述PV/T板40包括由上而下依次连接的玻璃盖板31、EVA胶膜32、光伏组件、EVA胶膜32+TPT绝缘层37、铝板35、热管蒸发段、绝缘层37。所述的热管式PV/T板40以铝板35作为基板，所述光伏电池33通过EVA胶膜32和TPT绝缘层37封装，所述EVA胶膜32和TPT绝缘层37压在铝板35上，所述铝板35的背面通过导热硅胶粘接热管蒸发段。所述热管蒸发段外侧有绝缘层37。
在一个实施例中，如图1所示，所述蓄热水箱8一端设有与用户23系统连通的进水管25，所述进水管25上设有水泵22；所述用户23系统远离进水管25的一端设有与蓄热水箱8连通的出水管25，所述出水管25上设有开关阀24。
工作原理及使用过程：
当太阳辐射照射到PV/T组件表面后，一部分短波辐射到达光伏组件表面，被光伏组件转化为电能输出，作为空调系统2中压缩机17的动力来源，在夏季光电驱动空调制冷、在冬季驱动空调供暖，多余的电能也可以向外输出。其余部分辐射通过基板，以导热方式将热量传递给背部的环路热管蒸发段3，蒸发段内循环工质受热发生相变，由液态转变为气态，密度降低，在密度差的驱动下向上流动并持续吸热，由饱和状态进入过热状态，经蒸汽管道9进入蓄热水箱8内(环路热管冷凝段7)，气态工质在水箱内冷凝放热，将热量传递给蓄热水箱8中的水。工质再由气相转变为液相，液体向下流动，离开水箱经液体回流管10回流到PV/T组件的蒸发段，重新开始吸热蒸发，完成循环。蓄热水箱8中的热水经过水管25输送到用户23使用，在冬季也可以供给地暖使用。蓄热水箱8下部连接自来水水管25，作为蓄热水箱8的补水。在冬季，气态工质将部分热量传递到空调的蒸发段，被空调吸热后冷凝回流到PV/T。可提高冬季空调系统2的蒸发温度，提升空调系统2的制热性能，实现了建筑供暖、制冷、供热水的多供能效果，提高太阳能的全年利用率，最大可能的利用太阳能资源以实现节能减排。
涉及到电路和电子元器件和模块均为现有技术，本领域技术人员完全可以实现，无需赘言，本发明保护的内容也不涉及对于软件和方法的改进。
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。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种基于环路热管的太阳能PV/T空调系统，其特征在于，包括PV/T系统(1)和空调系统(2)；
所述PV/T系统(1)包括：
PV/T板(40)；
热管蒸发段(3)，其设在PV/T板(40)背侧，且内部设有工质；
蒸汽管道(9)，位于所述热管蒸发段(3)上方，其一端与热管蒸发段(3)连通，另一端与设在蓄热水箱(8)上的热管冷凝段(7)的进口连通；
液体回流管(10)，其一端与热管冷凝段(7)的出口连通，另一端与热管蒸发段(3)连通；
蓄电池(13)，其与PV/T板(40)电连接；
所述空调系统(2)包括：
室外换热器(16)，其一端通过管道(28)与蒸汽管道(9)连通，所述管道(28)上设有第一阀门(26)；
压缩机(17)，其与蓄电池(13)电连接；
所述热管蒸发段(3)与液体回流管(10)连接处的管壁侧开有小孔(39)。
2.根据权利要求1所述的一种基于环路热管的太阳能PV/T空调系统，其特征在于，所述室外换热器(16)远离蒸汽管道(9)的一端通过管体与液体回流管(10)连通，所述管体上设有第二阀门(27)。
3.根据权利要求1所述的一种基于环路热管的太阳能PV/T空调系统，其特征在于，所述热管蒸发段(3)与蒸汽管道(9)的连通处设有集汽管(6)。
4.根据权利要求2所述的一种基于环路热管的太阳能PV/T空调系统，其特征在于，蒸汽管道(9)与液体回流管(10)的连通处设有集液管(5)。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种基于环路热管的太阳能PV/T空调系统，其特征在于，所述热管蒸发段(3)为扁铜热管。
6.根据权利要求1-4任一所述的一种基于环路热管的太阳能PV/T空调系统，其特征在于，
所述PV/T板(40)包括由上而下依次连接的玻璃盖板(31)、EVA胶膜(32)、光伏组件(33)、EVA胶膜+TPT绝缘层(34)、铝板(35)、热管蒸发段(3)、绝缘层(37)。
7.根据权利要求1-4任一所述的一种基于环路热管的太阳能PV/T空调系统，其特征在于，所述蓄热水箱(8)一端设有与用户系统(23)连通的进水管(25)，所述进水管(25)上设有水泵；所述用户系统(23)远离进水管(25)的一端设有与蓄热水箱(8)连通的出水管(11)，所述出水管(11)上设有开关阀(24)。
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