CN203312319U - 一种多能源综合利用装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多能源综合利用装置，该装置包括有三个子系统：光电光热一体化系统、复合冷凝热泵系统以及燃料电池蓄电及辅助供电系统。该系统通过将太阳能发电、制热水与复合冷凝热回收技术相结合，并且加入了燃料电池蓄电及辅助供电系统。整个系统优先使用太阳能进行发电和生产生活热水，在太阳能不足时再调用热泵系统获取生活热水。该系统不仅能够以更少的使用费用、更绿色的工作方式来满足用户对制冷制热的不同需求，同时在一些应急情况下，可以采用燃料电池辅助发电供电，具有较为广泛地适用性。总体来看，本实用新型是一种具有良好节能效果的多功能的多能源综合利用装置。

Description

一种多能源综合利用装置

技术领域

本实用新型涉及一种多能源综合利用装置，特别是涉及一种利用太阳能发电和制热的光电光热一体化、可再生式燃料电池以及复合冷凝热泵的多能源综合利用装置。

背景技术

目前国家对建筑节能减排工作以及对新能源和可再生能源的开发和利用给予高度的重视和大力的政策支持，使得中国的太阳能热水器和热泵热水器产业不断壮大，取得了很好的节能效益，同时也暴露出一些问题：在民用建筑中，太阳能仅用于采暖（制热），太阳能综合利用效率仅在40%左右。太阳能的利用受季节、地域和时间影响较大，因此太阳能热水器和太阳能采暖（制热）具有较大的间歇性，严重影响了用户体验。传统的空气能热泵热水器尽管能够带来一定程度上的节能，但是在热泵工作时，仍然有一部分的冷凝热没有加以利用而直接排放到空气中，造成新的浪费和损失。生活用电主要还是依赖于城市电网，在用电高峰期，往往因为用电负荷过大而采取分区分时限电的方式，严重影响了用户的生活。目前来看不管是太阳能的利用还是热泵（热泵式热水器）的使用，其形式都是相互独立的。这样的系统形式不能很好的弥补不同产品、不同系统之间的缺点，无法同时满足用户的多种使用需求。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题就是提供一种在最大程度减少传统能源利用率的情况下，保证或提高用户的使用体验并且最大限度地利用新型的及可再生型能源的多能源综合利用装置。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的多能源综合利用装置，光电光热一体化装置由透光型太阳能光电板和设在所述的透光型太阳能光电板的背部的管式换热器组成，所述的管式换热器通过供水管和回水管与蓄热水箱连接，所述的供水管上设有输送泵、第一旁通阀和第一控制电磁阀，在所述的回水管上设有第一止回阀；优先控制器通过电缆一端与所述的光电光热一体化装置的输电端连接，一端连接有电解制氢储氢装置，另一端连接有第一并网逆变器，所述的电解制氢储氢装置通过输气管道连接到质子膜燃料电池的进气端，所述的质子膜燃料电池的输电端则通过电缆连接至第二并网逆变器，所述的第一并网逆变器和第二并网逆变器通过电缆分别与市电网相连；复合冷凝热泵系统的热回收装置通过输送泵连接有换热器储水箱，所述的换热器储水箱通过进水管和出水管与所述的蓄热水箱连接，所述的进水管上设有第二控制电磁阀，在所述的出水管设有水泵和第二旁通阀。

所述的管式换热器通过固定换热铜板与所述的透光型太阳能光电板的背部相连接，所述的管式换热器成“工”字形连接，所述的固定换热铜板与所述的透光型太阳能光电板之间填充有由高导热率的导热硅脂构成的导热层，所述的管式换热器与所述的透光型太阳能光电板整体性地封闭在一个密闭容器中，容器在封装时填充有保温填充层。

所述的管式换热器为管径为5～8mm的毛细换热管。 

采用上述技术方案的多能源综合利用装置，由光电光热一体化系统、复合冷凝热泵系统和燃料电池蓄电及辅助供电系统组成，其作用分别如下：

（1）光电光热一体化系统

在为用户制取生活热水时，优先采用光电光热一体化装置。该装置的核心部件是高效的透光型太阳能光电板和一种管式换热器。使用时蓄热水箱中的水由控制系统控制优先流经与透光型太阳能光电板背部紧密相接的管式换热器，当太阳光照射到透光型太阳能光电板上利用光伏效应发电的同时，因吸收太阳光而升温的透光型太阳能光电板与管式换热器中的水进行换热，以此来制取45～50℃左右的生活热水，然后再储存在蓄热水箱中。同时，经过换热后可以有效降低透光型太阳能光电板的背面温度，在一定程度上也提高了透光型太阳能光电板的发电效率。其中，光电效应生产的电能则根据实际情况，经过逆变转换成交流电后与电网并网直接供给生活用电或者直接与制氢装置相连制造氢氧燃料电池所需的氢气。

（2）复合冷凝热泵系统

由于太阳能的不连续性和不稳定性，尤其是在冬天以及过渡季节，阳光不充足的时候，单纯地依靠太阳能制取生活热水有时可能无法满足用户需求。此种复合型冷凝热泵是一种双级、双旁路控制的、能够方便实现空/水转换的、将冷凝热回收利用的热水热泵空调装置。在夏季炎热时，可以通过控制器进行转换来达到制冷目的。而在过渡季节或冬季，需要制取足够的生活热水，太阳能制热又无法满足，此时可以转换为热水热泵来生产生活热水。此技术的应用能够有效降低制热成本，减少制取生活热水带来的电力压力。

（3）燃料电池蓄电及辅助供电系统

在太阳能光电富余时，一部分电能被用来电解水制取氢气，然后经过收集装置收集后贮存在储氢罐中以供相配型的燃料电池使用。这样做的好处是可以在太阳光充足，光电富余的情况下充分利用和保存能源。燃料电池作为备用能源也可以在一些应急情况下发挥出重要的作用。

综上所述，本专利在光电光热一体化技术和复合多功能冷凝热泵技术的基础上，通过综合设计和应用，并加入了燃料电池蓄电及辅助供电系统，由此提出了一种新型的空调/热水系统装置。整个系统装置工作在常温常压下，而且优先使用太阳能作为主要动力。并且整个系统装置为模块化设计，可以方便安装和拆卸；同时，加入自动控制系统后，运行操作也较简单。整体运行费用相对传统空调系统和热水系统也低很多，最多可以节省30%左右的电能。

附图说明

图1是本实用新型专利系统示意图；

图2是本实用新型专利光电光热一体化装置剖面结构示意图；

图3是本实用新型专利光电光热一体化装置平面结构示意图；

图4是本实用新型专利光电光热系统示意图；   

图5是本实用新型专利复合冷凝热泵系统结构制冷工况示意图；

图6是本实用新型专利复合冷凝热泵系统结构制热工况示意图；

图7是本实用新型专利燃料电池蓄电及辅助供电系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型专利作详细说明。

参见图1，光电光热一体化装置4由透光型太阳能光电板50和设在透光型太阳能光电板50的背部的毛细换热管54组成，毛细换热管54通过供水管和回水管与蓄热水箱49连接，在回水管上依次串联有第一闸阀1、第一过滤器2和第一止回阀3；在供水管上设有第一软接头5、输送泵6、第一旁通阀7、第一控制电磁阀8、第二闸阀9，蓄热水箱49设有排污阀47和排气阀48；优先控制器42通过电缆一端与光电光热一体化装置4的输电端连接，一端连接有电解制氢储氢装置43，另一端连接有第一并网逆变器46，电解制氢储氢装置43通过输气管道连接到质子膜燃料电池44的进气端，质子膜燃料电池44的输电端则通过电缆连接至第二并网逆变器45，第一并网逆变器46和第二并网逆变器45通过电缆分别与市电网相连；复合冷凝热泵系统的热回收装置18通过输送泵17连接有换热器储水箱19，换热器储水箱19通过进水管和出水管与蓄热水箱49连接，在出水管上连接有第三闸阀10、第二过滤器11、水泵12、第二旁通阀13、第二软接头14、第二止回阀15和第四闸阀16，在进水管上设置有第二控制电磁阀21和第五闸阀20。

下面分别对这三个子系统进行详细说明。

（1）光电光热一体化系统

参见图2、图3和图4：多根管径为5～8mm的毛细换热管54通过固定换热铜板53与透光型太阳能光电板50背部相连接，毛细换热管54之间成“工”字形连接，管间距根据实际透光型太阳能光电板50的尺寸而定；固定换热铜板53因为具有较高的换热系数，同时包裹着毛细换热管54，因而提高了换热面积，增加了换热量。同时，在固定换热铜板53与毛细换热管54不能完全接触的地方，填充空气，通过辐射作用同毛细换热管54进行换热。固定换热铜板53与透光型太阳能光电板50之间则填充有高导热率的导热硅脂，构成导热层51，这样可以有效增加毛细换热管54同透光型太阳能光电板50之间的换热面积，提高换热量；同时，毛细换热管54与透光型太阳能光电板50整体性地封闭在一个密闭容器中，容器在封装时填充高性能的保温填充层52。 

该装置对应一块透光型太阳能光电板50为一个模块，每个模块长宽分别不超过600mm和500mm。在使用时，可以根据用户实际需求将独立的模块进行串联或并联起来。这样提高了整个系统的可靠性和方便性，也为以后的拆卸、维护及改装提供了便利。

在图4中，光电光热系统的供水管和回水管,与蓄热水箱49相连接。在回水管上依次串联有第一闸阀1、第一过滤器2和第一止回阀3；在供水管上设有第一软接头5、输送泵6、第一旁通阀7、第一控制电磁阀8、第二闸阀9。

当太阳光充足时，首先打开第一控制电磁阀8，再打开输送泵6。蓄热水箱49中的水则通过输送泵6泵送至光电光热一体化装置4的毛细换热管54中，经过换热后再流回到蓄热水箱49中，以此进行循环。同时，控制系统对蓄热水箱49的水温进行监控，当蓄热水箱49中的实际水温达到设计要求时，则自动关闭输送泵6。同时，保持第一控制电磁阀8开启，利用重力循环，使蓄热水.49中的水能够始终处于流动状态，一方面可以保证恒温，另一方面可以防止因为温度过高而造成光电光热一体化装置4干烧损坏，提高光电光热一体化装置4的使用寿命。

当在冬季或过渡季节太阳光不足或者夜晚无法使用太阳能直接制取足够的生活热水时，此时由控制系统做出判断，关闭输送泵6，同时保持开启第一控制电磁阀8，并且开启调用复合热泵，以复合热泵为主，同光电光热一体化装置4一起联合制取热水。复合热泵的使用及控制见下述叙述及介绍。

同时，无论是夏天阳光充足时还是冬季或过渡季节阳光不足时，光电转换可以一直进行，其工作方式具体见下述的燃料电池蓄电及辅助供电装置。

（2）复合冷凝热泵系统

在图5中，蓄热水箱49的进水管和出水管与复合热泵的换热器储水箱19相连接。在出水管上连接有第三闸阀10、第二过滤器11、水泵12、第二旁通阀13、第二软接头14、第二止回阀15和第四闸阀16，在进水管上设置有第二控制电磁阀21和第五闸阀20。

连接有进水管和出水管的换热器储水箱19通过输送泵17与水热回收装置18相连接，水热回收装置18通过第三控制电磁阀23串联在压缩机22出口与四通阀26高压侧入口27之间；旁路控制管55一端与压缩机22出口连通，另一端与四通阀26的气动控制管上的先导阀28入口连通；第一工况变换旁通控制管56通过第四控制电磁阀24一端与压缩机22的出口连通，另一端与四通阀26的入口连通；第二工况变换旁通控制管57通过第六控制电磁阀29一端与四通阀22的出口连通，另一端与冷凝器31的出口连通；冷凝器31一端通过第五控制电磁阀30与四通阀26出口连通，冷凝器31另一端与干燥过滤器32、节流阀33或毛细管串联；空冷蒸发器40一端通过第十一控制电磁阀39、节流阀33或毛细管、干燥过滤器32与冷凝器31串联，另一端通过消声器41与四通阀26入口连接；水冷蒸发器37一端通过第十控制电磁阀38、节流阀33或毛细管、干燥过滤器32与冷凝器31串联，另一端通过第七控制电磁阀34与四通阀26出口连接，节流阀33或毛细管、干燥过滤器32并联有第九控制电磁阀36，第八控制电磁阀35一端连接于第七控制电磁阀34和水冷蒸发器37之间，另一端通过消声器41与四通阀26入口连接，四通阀26与压缩机22之间连通有储液器25。

采用此种复合冷凝技术的热水热泵空调装置，在制冷工况下，水热回收装置18、四通阀26、第一工况变换旁通控制管56、第二工况变换旁通控制管57、旁路控制管55和冷凝器31组成复合冷凝模块I。通过出水管向水热回收装置18内注入冷水，冷水在水热回收装置18内与压缩机22出口出来的热冷凝剂进行热量交换，冷却水被加热后从进水管输出储存在蓄热水箱49中供用户使用，达到了回收冷凝热的效果。

在制冷工况下，第七控制电磁阀34和第九控制电磁阀36关闭，第三控制电磁阀23和第四控制电磁阀24不能同时开启。当需要制取热水时，由控制系统进行判断开启第三控制电磁阀23，并且关闭第四控制电磁阀24。冷凝端采用水热回收装置18，冷凝器31一端通过第五控制电磁阀30与四通阀26出口连通，冷凝器31另一端通过第六控制电磁阀29与四通阀26出口连通；同时根据实际需要由控制系统判断开启第五控制电磁阀30或第六控制电磁阀29，但第五控制电磁阀30和第八控制电磁阀35不能同时开启，开启一个时另一个一定要关闭。当卫生热水需求量较大，需要全部回收冷凝热的时候，就关闭第五控制电磁阀30，开启第六控制电磁阀29，由热回收装置18作为冷凝器，而当不需要全部回收冷凝热的时候就关闭第六控制电磁阀29，开启第五控制电磁阀30。当不需要制取热水时，开启第四控制电磁阀24，关闭第三控制电磁阀23，关闭第六控制电磁阀29，即工况变换旁通控制管56旁通。通过第一工况变换旁通控制管56和第二工况变换旁通控制管57采用制冷剂旁路控制技术以后，可以更好的保证在回收冷凝热的同时，实现良好的制冷，不影响蒸发器的工作，避免冷凝器31提前蒸发（冷凝）的现象。而且可以更加灵活的控制冷凝热回收的比例，是旁路流体（气动）控制技术的有益补充。这样，在冷凝端可同时采用风冷、水冷+风冷，或水冷+水冷联合冷凝技术，适用各类热水热泵空调装置（此处以小型装置为例），结构简单，保持了原有阀件的功能，可以最大限度地将冷凝热回收来加热卫生或生活热水或提高第一级水冷温度以制成卫生或生活热水。蒸发端采用空冷蒸发器40和水冷蒸发器37并联，但第八控制电磁阀35、第十控制电磁阀38和第十一控制电磁阀39不能同时开启。

参见图6，该图示是本实用新型专利在制热工况下复合冷凝热泵的结构示意图。图中，水热回收装置18、四通阀26、第一工况变换旁通控制管56、旁路控制管55和空冷凝器40组成复合冷凝模块II。

在制热工况下，第七控制电磁阀34和第九控制电磁阀36开启，第八控制电磁阀35、第六控制电磁阀29、第十控制电磁阀38关闭。第三控制电磁阀23和第四控制电磁阀24不能同时开启。冷凝端采用热回收装置18、空冷凝器40。空冷凝器40一端通过第十一控制电磁阀39与节流阀33或毛细管连通，另一端通过消声器41与四通阀26连通，根据需要可同时采用风冷（开启第四控制电磁阀24、关闭第三控制电磁阀23），水冷或风冷+水冷（开启第三控制电磁阀23、关闭第四控制电磁阀24）联合冷凝技术，适应于功率较大的热水热泵空调装置，结构简单，保持了原有阀件的功能，可以最大限度地将释放到空气中的冷凝热回收来加热卫生或生活热水或提高第一级水冷温度以制成卫生或生活热水。蒸发端采用空冷蒸发器31和水冷蒸发器37并联，但第五控制电磁阀30和第七控制电磁阀34、第九控制电磁阀36不能同时开启，开启一个时另一个一定要关闭。采用制冷剂旁路控制技术以后，可以更好的保证在回收冷凝热的同时，实现良好的制冷，不影响蒸发器的工作，避免蒸发器32提前蒸发（冷凝）的现象。而且可以更加灵活的控制冷凝热回收的比例，是旁路流体（气动）控制技术的有益补充。

实用新型中所采用旁路控制管55的旁路控制管流体控制技术使得整个制冷流程的压力分布处于最佳状态，采用制冷剂旁路控制技术（第一工况变换旁通控制管56和第二工况变换旁通控制管57），使制冷—热泵—热水各种工况间转化灵活。实现在空调制冷制热效果良好的同时，一年四季为用户提供充足的生活卫生热水，并保证空调各元器件稳定运行。

（3）燃料电池蓄电及辅助供电系统

图7为本实用新型专利中的燃料电池发电及辅助供电系统示意图。

图中优先控制器42通过电缆一端连接光电光热一体化装置4的输电端，一端连接电解制氢储氢装置43，另一端连接第一并网逆变器46；电解制氢储氢装置43通过输气管道连接到相配型的质子膜燃料电池44的进气端，质子膜燃料电池44的输电端则通过电缆连接至第二并网逆变器45，第二并网逆变器45和第一并网逆变器46再通过电缆分别与市电网相连供给用户使用。

其工作方式如下：

因为无论阳光是否充足，光电转换都可以进行。因此，优先控制器42经过判断用户的用电负荷和光电转换量，优先将转化后的直流电经过第一并网逆变器46转换成交流电供用户使用；如果经过判断，用户用电负荷较小，此时光电转换的直流电仍有富余，则优先控制器42将一部分直流电送往第一并网逆变器46转换成交流电供用户使用，将另一部分直流电送往电解制氢储氢装置43，制取并且储存氢气，以此来完成对电能的储存；如果经过判断，发电量较小不足以供给用户使用，则优先将直流电送至电解制氢储氢装置43，制取并且储存氢气。

当晚上停电或者用电高峰期电力明显供应不足，严重影响用户生活时，此时相配型的质子膜燃料电池44开始工作，利用储存的氢气产生电能并经过第二并网逆变器45转换为交流电，供应给用户应急使用。

在本实用新型专利中，燃料电池蓄电及辅助供电系统既可以作为蓄能设备，储存富余的太阳能，又可以作为备用的电力供给系统，以弥补太阳能供电的不稳定性和不足。在太阳能发电充足时，利用多余的太阳能电电解制取氢并贮存起来作为燃料电池的燃料来源。待在太阳能发电不足或者市电无法供电，又急需应急供电时则可以启用燃料电池辅助供电。通过燃料电池的加入，可以进一步提高太阳能的利用率。

Claims (3)

1.一种多能源综合利用装置，其特征是：光电光热一体化装置（4）由透光型太阳能光电板（50）和设在所述的透光型太阳能光电板（50）的背部的管式换热器组成，所述的管式换热器通过供水管和回水管与蓄热水箱（49）连接，所述的供水管上设有输送泵（6）、第一旁通阀（7）和第一控制电磁阀（8），在所述的回水管上设有第一止回阀(3)；优先控制器（42）通过电缆一端与所述的光电光热一体化装置（4）的输电端连接，一端连接有电解制氢储氢装置（43），另一端连接有第一并网逆变器（46），所述的电解制氢储氢装置（43）通过输气管道连接到膜燃料电池的进气端，所述的燃料电池的输电端则通过电缆连接至第二并网逆变器（45），所述的第一并网逆变器（46）和第二并网逆变器（45）通过电缆分别与市电网相连；复合冷凝热泵系统的热回收装置（18）通过输送泵（17）连接有换热器储水箱（19），所述的换热器储水箱（19）通过进水管和出水管与所述的蓄热水箱（49）连接，所述的进水管上设有第二控制电磁阀（21），在所述的出水管设有水泵（12）和第二旁通阀（13）。

2.根据权利要求1所述的多能源综合利用装置，其特征是：所述的管式换热器通过固定换热铜板（53）与所述的透光型太阳能光电板（50）的背部相连接，所述的管式换热器成“工”字形连接，所述的固定换热铜板（53）与所述的透光型太阳能光电板（50）之间填充有由高导热率的导热硅脂构成的导热层（51），所述的管式换热器与所述的透光型太阳能光电板（50）整体性地封闭在一个密闭容器中，容器在封装时填充有保温填充层（52）。

3..根据权利要求1或2所述的多能源综合利用装置，其特征是：所述的管式换热器为管径为5～8mm的毛细换热管（54）。

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