CN203928491U - 风光能源热泵系统 - Google Patents

Abstract

一种风光能源热泵系统，属于能源转换技术领域。本实用新型的目的是为了实现光能→热能，风能→电能→热能的复合转化；形成一个封闭相对温场，提供稳定的热源输出的风光能源热泵系统。本实用新型的光热发生器结构是：在底部镀锌铁板的四周边框通过铝合金边框围成，铝合金边框内侧是边框保温，底部镀锌铁板上是底部保温，在底部保温上是半导体纳米碳纤维场致发热层，在半导体纳米碳纤维场致发热层内部插有碳纳米管，半导体纳米碳纤维场致发热层上面是光致热场吸收体；在铝合金边框上安装有光强分析控制器； 风力发电机组通过风力电能储存装置连接到光热发生器上，在接口处安装有光强分析控制仪，光热发生器通过管路连接在二级高温热泵系统上。本实用新型具有结构简单，工作可靠，输出热能稳定等特点。

Description

风光能源热泵系统

技术领域

本实用新型属于能源转换技术领域。

背景技术

近年来，随着对新能源需求的增加，可再生资源的减少，现行的热泵系统需要空气源、土壤源（地源）、水源等采集温度，高寒条件下由于可采集温度范围小，导致热泵能效比率降低至1左右，无法达到满意的节能效果。

发明内容

本实用新型的目的是为了实现光能→热能，风能→电能→热能的复合转化；形成一个封闭相对温场，提供稳定的热源输出的风光能源热泵系统。

本实用新型的光热发生器结构是：在底部镀锌铁板的四周边框通过铝合金边框围成，铝合金边框内侧是边框保温，底部镀锌铁板上是底部保温，在底部保温上是半导体纳米碳纤维场致发热层，在半导体纳米碳纤维场致发热层内部插有碳纳米管，半导体纳米碳纤维场致发热层上面是光致热场吸收体；在铝合金边框上安装有光强分析控制器；

光致热场吸收体：是由上层高硼硅超透单项滤膜玻璃、中层高硼硅超透单项滤膜玻璃和紫金靶向镀膜光热片构成，上层高硼硅超透单项滤膜玻璃与中层高硼硅超透单项滤膜玻璃、中层高硼硅超透单项滤膜玻璃与紫金靶向镀膜光热片之间分别构成一个密闭的真空腔；上层高硼硅超透单项滤膜玻璃的上表面是超透膜涂层，下表面是上层反射镀膜涂层；中层高硼硅超透单项滤膜玻璃的下表面是中层反射镀膜涂层；紫金靶向镀膜光热片是钢化高硼硅玻璃基料，其下表面是红外光致场涂层，在红外光致场涂层的外侧是UV光致热场涂层；

半导体纳米碳纤维场致发热层：是由光伏光热PV、围绕在碳纳米管上的铝导热片、碳纤维发热层、氧化锆毡层、聚氨酯保温层构成；

风力发电机组通过风力电能储存装置连接到光热发生器上，在接口处安装有光强分析控制仪，光热发生器通过管路连接在二级高温热泵系统上。

本实用新型具有结构简单，工作可靠，输出热能稳定等特点。利用风能、光能、热能，实现能量之间的转化，即当光线不足的时候，通过风能──电能──热能的转化，持续提供热源，具有复合多功能性。北方地区冬季冻土层厚约180CM,地源施工土方量大；高寒环境零下30℃空气源无法采集热能；水源则需要打深水井，北方很多区域属于地下贫水区；由此风光能源能够代替空气源地源和水源作为热泵的工作热源。热泵的冷凝器（温度采集器）处于封闭温场内， 提供给热泵系统工作，使热泵能效值处于6～8 之间，cop≥7达到高效节能、不受地域及环境影响的目的，延长热泵冷凝系统的使用寿命，具有安装快捷方便维护的特点。采用风能转化为电能进行蓄电存储和低压直流电源驱动纳米碳纤维半导体材料发热，实现风电热转换。采用微电子控制，依据光照强度调控电流量输出调节纳米碳纤维发热层的发热强度，从而实现风能、光能的互补转化温度控制。

附图说明

图1是本实用新型光热发生器结构示意图；

图2是本实用新型光热发生器中光致热场吸收体的结构示意图；

图3是本实用新型光热发生器中光致热场吸收体光传导示意图；

图4是本实用新型光热发生器整体分解图；

图5是本实用新型光热发生器中光致热场吸收体的上层高硼硅超透单项滤膜玻璃截面图；

图6是本实用新型光热发生器中光致热场吸收体的中层高硼硅超透单项滤膜玻璃截面图；

图7是本实用新型光热发生器中光致热场吸收体的紫金靶向镀膜光热片截面图；

图8是本实用新型风能、光能、热能转换原理结构图；

图9是本实用新型实验日太阳辐射强度图；

图10是环境温度和辐照强度的变化图；

图11是蒸发压力变化曲线图；

图12是系统压缩比的变化曲线；

图13是水温升高的对比曲线。

具体实施方式

本实用新型在底部镀锌铁板1的四周边框通过铝合金边框5围成，铝合金边框5内侧是边框保温3，底部镀锌铁板1上是底部保温2，在底部保温2上是半导体纳米碳纤维场致发热层4，在半导体纳米碳纤维场致发热层4内部插有碳纳米管7，半导体纳米碳纤维场致发热层4上面是光致热场吸收体6；在铝合金边框5上安装有光强分析控制器8；

光致热场吸收体6：是由上层高硼硅超透单项滤膜玻璃61、中层高硼硅超透单项滤膜玻璃64和紫金靶向镀膜光热片63构成，上层高硼硅超透单项滤膜玻璃61与中层高硼硅超透单项滤膜玻璃64、中层高硼硅超透单项滤膜玻璃64与紫金靶向镀膜光热片63之间分别构成一个密闭的真空腔62；上层高硼硅超透单项滤膜玻璃61的上表面是超透膜涂层611，下表面是上层反射镀膜涂层612；中层高硼硅超透单项滤膜玻璃64的下表面是中层反射镀膜涂层641；紫金靶向镀膜光热片63是钢化高硼硅玻璃基料，其下表面是红外光致场涂层631，在红外光致场涂层631的外侧是UV光致热场涂层632；

半导体纳米碳纤维场致发热层4：是由光伏光热PV41、围绕在碳纳米管7上的铝导热片42、碳纤维发热层43、氧化锆毡层45、聚氨酯保温层44构成；

风力发电机组11通过风力电能储存装置10连接到光热发生器上，在接口处安装有光强分析控制仪9，光热发生器通过管路连接在二级高温热泵系统12上。

本实用新型的技术原理为：风光热发生器以太阳能、风能为来源，以风光互补热能转换，即光-热转换、风-电-热转换。再通过计算机模拟光照辐射强度和环境温差变化情况，以光强控制器调整纳米碳纤维（半导体）的风能—电能—热能转化效率。

将光电转换、光热转换、风电热转换、热泵循环四者有机结合,研制出了一种带热泵循环的太阳能光电/光热综合利用系统—风光能源热泵(Photovoltaic Solar Assisted Heat Pump Wind power,PV-WT/SAHP)。PV-WT/SAHP系统中,光伏电池冷却系统、风电热补充系统和热泵蒸发器有机结合在一起,形成风光热发生器（PV-WT）。可以同时进行光电转换、光热转换和热泵工质的蒸发冷却过程。一方面,热泵直接利用太阳辐照作为蒸发热源,使得热泵性能系数得以提高;另一方面,由于热泵工质的蒸发作用,光伏电池得到低温冷却,光电转换效率得以提高。

本实用新型的风光热发生器的集热玻璃面板实施例结构如图1所示。该发生器的集热玻璃面板由表板（上层高硼硅超透单项滤膜玻璃），辅板（中层高硼硅超透单项滤膜玻璃），和基板（紫金靶向镀膜光热片）组成，三面板层组合后形成真空腔为氩气真空腔。表板的上表面镀有增加透射率的超透膜涂层，下表面镀有增加反射率的反射镀膜涂层；辅板下表面镀有反射镀膜涂层；基板主要物质为钢化高硼硅玻璃基料，结构下表面有光致发热器。

本实用新型的风光热发生器，5mm钢化超透单滤高硼硅玻璃下面为发生器的集热玻璃面板；集热玻璃面板中有真空氩气腔，下方为光致热场吸收体；半导体纳米碳纤维场致发热层置于光致热场吸收体下；整个发生器先由边框保温材料和底部保温材料包裹，再固定于由底部铝镁合金,和铝合金边框组成的框架内，形成一个规则的形状。在铝合金边框中装有光强分析控制器。

其工作原理是： 本实施例的集热玻璃面板部分由表板，辅板，和基板组成。表板上层为超透膜涂层，中间层为钢化高硼硅玻璃基料，厚度为5mm，下层为反射镀膜涂层；辅板上层为钢化高硼硅玻璃基料，厚度为3mm，下层为反射镀膜涂层；基板上层为钢化高硼硅玻璃基料，厚度为3mm组合成复合真空玻璃面板。

由于采用纳米超透镀膜技术制备超透高硼硅玻璃，提高了光线透过率，当有光线投射于发生器的集热玻璃面板时，CPC结构将光线温度经过多次反射提高，再通过光致热场吸收体见光线的能量转化为热能，此热能又被碳纳米管换热纤维用来加热管内的流体，以得到合适的能量输出。边框和底部的保温材料防止热能的散射，有利于得到有效稳定的能量输出。

本实施例中在边框中加入光强分析控制器，用来对入射光线进行监测和分析，即依据光照强度调控电流量输出调节纳米碳纤维发热层的发热强度，从而实现风能、光能的互补控制。

本实施例的局部剖面图如图所示，其主体为厚约10cm，集热面积视实际情况而定的矩形层状体。由5mm钢化超透单滤高硼硅玻璃，光强分析控制器，铝合金边框，真空氩气腔，光致热场吸收体，碳纳米管换热纤维，半导体纳米碳纤维场致发热层，边框保温，底部保温，底部铝镁合金板等部分组成。

实验相关参数：

测试位置：北纬43o49′52.61″东经125o17′50.48″。2013年6月25日太阳辐射强度图（见图9）；

平均辐照为747.ZW/㎡,平均环温为4.25℃,平均风速为3.2m/s;无玻璃盖板工况测试期间的平均辐照为776.IW/㎡,平均环温为9,08℃,平均风速为2.9m/s。

两次测试的初始条件都为15℃的冷凝水温,在10:15 5min开始正式测试运行。当冷凝水温超过55℃后,测试停止。两次测试的气象参数类似,测试设备及设置完全一致,便于两种工况下的性能对比,气象数据见图。试验过程中,阀1、阀2、阀5、阀6关闭,阀3、阀4、阀7、阀8开启,压缩机定频(40Hz)运行。PV电池得到电压为48V的直流电流输出,经逆变器逆变为220V的交流电流后,由外界负载消耗。水箱储水80kg,水冷换热器水侧流速0.217㎏/s。

热泵循环热性能的高低最直接反映在冷凝功率上,统计显示,有盖板工况的平均冷凝功率为1578.0W,无盖板工况的平均冷凝功率为1271.8W,冷凝功率相对增加了24%。冷凝功率的增加也可以通过加热时间的长短间接反映。在相同质量的冷凝水从15℃加热到55℃的过程中,有盖板工况耗时146min,无盖板工况耗时201min,有盖板工况的加热时间明显缩短。在水温升高的过程中,水温曲线的斜率逐渐减小,水温升高的趋势逐渐减缓。说明随着水温的升高,热泵系统的冷凝功率逐渐降低,加热速度变缓。影响热泵循环性能的另外一个主要因素是压缩机耗功。

有玻璃盖板不仅可以增大冷凝功率,同时还减小了压缩机功率。水温15℃时,有、无盖板的压缩机功率分别为169.1w和264.8w,随着水温的升高,两种工况的压缩机功率都明显加大,水温升高到55℃时,两种工况的压缩机功率分别为666.8W和728.5W。在整个测试过程中,有盖板工况下的压缩功率都明显低于无盖板工况。有、无盖板工况下的平均压缩机功率分别为433.4W和532.0w,有盖板可以使压缩机功率降低23%,直接减少了系统对外界电能的消耗。热泵循环的整体性能一般用性能系数COP来表示,性能系数COP是热量收益和系统耗功的比值。有盖板工况提高了热泵循环的冷凝功率,降低了热泵的压缩机耗功,因此有盖板工况的COP明显高于无盖板工况。如图7所示,有玻璃盖板工况的平均COP为6.85,无玻璃盖板工况的平均COP为4.41,性能系数提高了42%。因此,玻璃盖板可以明显提高PV-WT/SAHP系统热泵循环的冬季热性能。仅对热泵循环而言,在冬季加盖玻璃盖板是更合适的选择。

上述实验表明：PV-WT风光热发生器模块化设计后，可以同普通的水源热泵机组联合组成为风光能源热泵(PV-WT/SAHP)系统，使COP≧6始终处于高效运行状态。光伏发电PV系统能提供热泵机组电力，供其运转。

通过采用特殊的真空层压工艺和绝缘导热材料把光伏电池和热泵蒸发部件结合为一体,形成具有良好热传导、电绝缘性能的PV蒸发器。PV蒸发器可同时进行光电转换、光热转换、风电热转换、工质蒸发四种功能,为平板模块结构,既可以和建筑屋或墙体一体化,也可以单独放置。太阳辐照被PV蒸发器接收后,0.6-0.7波段辐照通过光电转换以电流形式输出,逆变转换后输送给公共电网。采用风能转化为电能进行蓄电存储和低压直流电源驱动纳米碳纤维（半导体）材料发热，实现风、电、热转换。采用微电子控制，依据光照强度调控电流量输出调节纳米碳纤维发热层的发热强度，从而实现风能、光能的热能转化互补控制。

风光热发生器（PV-WT）边框中装有光强分析控制器，由于地区及气候的差异，投射于集热器的光线往往很不稳定，通过光强分析器的对投射光的监测，调解风力发电储存电源输出的电流，使集热器温度恒定，从而实现初级热源风光热互补。

综上所述PV-WT风光热发生器模块化设计后，可以同普通的水源热泵机组联合组成为风光能源热泵(PV-WT/SAHP)系统，使COP≧6始终处于高效运行状态。光伏发电PV系统能提供热泵机组电力，供其运转。将光电转换、光热转换、风电热转换、热泵循环四者有机结合，组成一种带热泵循环的太阳能光电/光热综合利用系统—光伏一太阳能热泵(Photovoltaic Solar Assisted Heat Pump Wind power,PV-WT/SAHP)。PV-WT/SAHP系统中,光伏电池和热泵蒸发器有机结合在一起,形成光伏蒸发器。光伏蒸发器是PV-SAHP系统的关键部件,可以同时进行光电转换、光热、电热转换和热泵工质的蒸发冷却过程。一方面,热泵直接利用太阳辐照作为蒸发热源,使得热泵性能系数得以提高;另一方面,由于热泵工质的蒸发作用,光伏电池得到低温冷却,光电转换效率得以提高。风冷冷凝器和水冷冷凝器并联,两者一般不同时开启。水冷冷凝器得到热量后,可以通过循环水,间接向房间供暖或者供生活热水,风冷冷凝器启动时可以直接向房间供暖。通过电磁阀和四通阀的切换,系统还可以完成风冷制冷、风冷制热、风冷制热水等多种功能。

Claims (1)

1.一种风光能源热泵系统，其特征在于：光热发生器结构是：在底部镀锌铁板（1）的四周边框通过铝合金边框（5）围成，铝合金边框（5）内侧是边框保温（3），底部镀锌铁板（1）上是底部保温（2），在底部保温（2）上是半导体纳米碳纤维场致发热层（4），在半导体纳米碳纤维场致发热层（4）内部插有碳纳米管（7），半导体纳米碳纤维场致发热层（4）上面是光致热场吸收体（6）；在铝合金边框（5）上安装有光强分析控制器（8）；

光致热场吸收体（6）：是由上层高硼硅超透单项滤膜玻璃（61）、中层高硼硅超透单项滤膜玻璃（64）和紫金靶向镀膜光热片（63）构成，上层高硼硅超透单项滤膜玻璃（61）与中层高硼硅超透单项滤膜玻璃（64）、中层高硼硅超透单项滤膜玻璃（64）与紫金靶向镀膜光热片（63）之间分别构成一个密闭的真空腔（62）；上层高硼硅超透单项滤膜玻璃（61）的上表面是超透膜涂层（611），下表面是上层反射镀膜涂层（612）；中层高硼硅超透单项滤膜玻璃（64）的下表面是中层反射镀膜涂层（641）；紫金靶向镀膜光热片（63）是钢化高硼硅玻璃基料，其下表面是红外光致场涂层（631），在红外光致场涂层（631）的外侧是UV光致热场涂层（632）；

半导体纳米碳纤维场致发热层（4）：是由光伏光热PV（41）、围绕在碳纳米管（7）上的铝导热片（42）、碳纤维发热层（43）、氧化锆毡层（45）、聚氨酯保温层（44）构成；

风力发电机组（11）通过风力电能储存装置（10）连接到光热发生器上，在接口处安装有光强分析控制仪（9），光热发生器通过管路连接在二级高温热泵系统（12）上。