CN205037610U - 一种分布式太阳能并网发电制冷换能系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种分布式太阳能并网发电制冷换能系统，包括太阳能并网发电系统和制冷换能系统两个子系统；太阳能并网发电系统由太阳能阵列、光伏逆变控制器、多功能计量装置、公共电网、蓄电池组构成，制冷换能系统内部划分为制冷系统和储能换热系统。在制冷行业，一般都具备固定的场地空间，而电费是其最大的成本，通过分布式太阳能发电和制冷系统相结合，充份利用大型制冷场所的净空，利用虽不稳定但却源源不断的太阳能，通过太阳能发电驱动制冷系统制冷蓄冷，利用公用电网做为容量无限的备用能源，通过合理的设计和配置不但可以满足制冷系统对电能的需求，而且还可以实现对外售电，不但节约了企业的电费支出，还能额外带来售电的收益。

Description

一种分布式太阳能并网发电制冷换能系统

技术领域

本实用新型涉及一种分布式太阳能并网发电储冷换能系统，属于太阳能(光伏)发电系统和储冷式制冷系统，尤其在分布式太阳能发电和制冷系统的设计制造领域。

背景技术

随着社会经济的发展，制冷行业得到了蓬勃的发展，在生鲜加工、果蔬存储，化工生产等行业都需要低温源，市场空间巨大，冷库等大型制冷系统的建设在近年得到了极大的增长，由于在运输环节中货物保存对制冷大多要求速冷，导致在冷库等大型制冷系统设计制造中需要加大制冷系统制冷能力，在大规模制冷系统中由于制冷系统技术限制通常需要设置多套制冷设备，导致建设成本和运行维护成本大幅提高，而在冷库运行高峰期，电力消耗巨大，对电网造成较大负担，企业也要为其付出高昂的电费成本。

随着人们环保意识的提高，绿色清洁能源逐步被人们所认可，而我国也成为了太阳能芯片生产大国，太阳能发电成本逐年下降，在节能减排的大背景下，国内开始大规模推广太阳能发电站建设，虽然太阳能发电有其清洁无污染的优点，但其缺点也十分明显：a、太阳能发电整体效率偏低，占地面积需求大；b、太阳能发电受环境影响大，云朵、阴影都会大幅降低输出功率，而在夜晚则无输出；c、太阳能发电存储困难，目前还没有经济高效的电能存储技术，采用蓄电池蓄能成本高、寿命短。所以目前太阳能发电大多应用在建立大型并网电站上，而建立大型并网电站成本巨大，投资回报率较低，目前过多依赖国家补贴，在没有补贴的情况下，太阳能发电没有经济优势；而对于小型的分布式太阳能发电系统由于储能技术的局限导致应用并不广泛。

在制冷行业，一般都具备固定的场地空间，而电费是其最大的成本，如何降低制冷行业的电能消耗对用户和供电企业及对国家都具有非常重大的意义，通过分布式太阳能发电和制冷系统相结合，充份利用大型制冷场所的净空，利用虽不稳定但却源源不断的太阳能，通过太阳能发电驱动制冷系统制冷蓄冷，利用公用电网做为容量无限的备用能源，通过合理的设计和配置不但可以满足制冷系统对电能的需求，而且还可以实现对外售电，不但节约了企业的电费支出，还能额外带来售电的收益，而企业也大大降低了碳排放量，利国利民。

发明内容

为了降低制冷系统对电能的消耗，充份利用清洁的太阳能源，本实用新型设计了一种分布式太阳能并网发电制冷换能系统，如图1所示，实现由分布式太阳能发电为主、公共电网为辅的制冷系统供能方式，通过对制冷系统进行重新设计和改造，实现实时冷量存储，由制冷系统来存储太阳能，在需要供冷时通过储冷装置释放冷量，通过将分布式太阳能并网发电和制冷系统相结合，充分发挥两者的长处，弥补不足，不但解决了太阳能发电的储能问题，也解决了制冷系统对降低电费成本和提高制冷能力的需求，而实现分布式太阳能并网发电和制冷系统相结合需要解决的问题为：

1、最大化利用太阳能所发电能量，减少对电网的依赖，在满足自用的前提下再向外输电。

2、制冷系统功率适应范围要足够大，能够适应在不同功率输入下持续工作。

3、重新设计制冷系统蒸发器，最大可能的提高换能盒的换能效率。

4、载冷剂回路控制，自动判断系统运行状态实现载冷剂回路自动调整，实现换能储能效率最大化、智能化。

5、低温相变储冷装置模块化。

本实用新型的技术方案如下：

一种分布式太阳能并网发电制冷换能系统，本实用新型特征在于，包括太阳能并网发电系统和制冷换能系统两个子系统；太阳能并网发电系统由太阳能阵列、光伏逆变控制器、多功能计量装置、公共电网、蓄电池组五个大的核心模块构成，太阳能阵列与光伏逆变控制器连接，将太阳能转换为电能输入至光伏逆变控制器，光伏逆变控制器分别连接蓄电池组和多功能计量装置，多功能计量装置与公共电网相连接；太阳能发电系统通过由光伏逆变控制器分别引出的控制电缆和动力电缆与制冷换能系统的控制器连接；制冷换能系统内部划分为制冷系统和储能换热系统，由控制器分别控制的制冷压缩机组、冷凝设备、干燥器、储液盒、膨胀阀、包括蒸发器的换能盒依序连接构成了制冷储能系统中的制冷系统，蒸发器封闭在换能盒中，在换能盒设有载冷剂；由换能盒、低温泵、电磁阀A、包括储冷模块的储冷装置、电磁阀B、电磁阀C、风机制冷模块依序连接构成了储能换热系统；其中电磁阀A还与风机制冷模块连接，风机制冷模块、电磁阀C分别与换能盒连接。

本实用新型换能盒设为一个密闭保温的扁平立式容器，包括一个盒壁、设置在盒壁内的蒸发器以及位于蒸发器内侧的散热翅片，整个蒸发器包括散热翅片浸泡于载冷剂之中；在盒壁(顶部开设有载冷剂入口，底部开设有载冷剂出口，在盒壁侧面上部开设有制冷剂蒸发器入口，下部开设有制冷剂蒸发器出口。

本实用新型蒸发器采用扁平蛇形排管加装所述散热翅片的结构。

本实用新型储冷装置的储能模块包括一个保温外壳和设置在保温外壳内的载冷剂储能排管，该载冷剂储能排管设为蛇形呈立式结构，其上端连接开设在保温外壳上部的载冷剂出水口，下端连接开设在保温外壳下部的载冷剂入水口；采用氯化钠或氯化钾或氯化钙溶液作为低温相变储冷材料；整个储冷装置采用组件化结构，模块的接口统一，支持串联或并联工作模式；储冷装置采用具有温控和电控旁路功能的控制电路；储冷装置的载冷剂出入口设在同一侧。

本实用新型在所述制冷换能系统中增加了载冷剂储液器，其中换能盒、电磁阀C、风机制冷模块分别与载冷剂储液器连接。

本实用新型制冷换能系统中的制冷压缩机组采用一台以上的多台并联，由系统核心的控制器根据规则自动控制制冷压缩机组中的各个压缩机，增大了制冷系统压缩机对电源输入功率的适应范围。

本实用新型由换能盒将制冷换能系统分隔为制冷系统和换能系统两部分，制冷系统采用制冷剂循环制冷，换能系统采用载冷剂循环进行储能或放冷。

本实用新型系统核心的控制器能够根据太阳能实时发电功率和制冷实际需求，自动控制制冷储能系统工作状态。

本实用新型的储冷模块载冷剂出水口处安装有温度传感器。

本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型通过对制冷系统进行重新设计和改造，实现实时冷量存储，由制冷系统来存储太阳能，在需要供冷时通过储冷装置释放冷量，通过将分布式太阳能并网发电和制冷系统相结合，充分发挥两者的长处，弥补不足；

(2)不但解决了太阳能发电的储能问题，也解决了制冷系统对降低电费成本和提高制冷能力的需求；

(3)本实用新型能最大化利用太阳能的发电能量，减少对电网的依赖；可以根据制冷系统最大功率需求和高峰期日均耗电量，参考用户具备的净空面积合理的计算出太阳能光伏发电规模，最大限度的保证用户减少对公共电网的电力需求，在保证制冷系统电力需求的情况下光伏发电；

(4)光伏逆变控制器采用最大功率点跟踪技术(MPPT)，可时刻保证太阳能光伏组件的最大功率输出；

(5)太阳能发电系统最大可输出功率数据支持实时输出功能，制冷系统的控制系统可通过实时采集此数据来控制制冷系统工作状况；

(6)光伏逆变控制器具备孤网运行能力，当公共电网发生停电后，根据设置光伏逆变控制器可脱网运行，保证制冷系统核心功能的正常运行；

(7)本实用新型设计了一套智能控制系统，可以实时监测太阳能发电系统可输出最大功率，根据系统储冷总容量和当前电价信息智能确定压缩机组的工作状态，可以监测所有储冷模块的储冷情况，根据具体储冷装置的状态确定通过载冷剂换能系统对储冷模块进行储冷、放冷、旁路、串联、并联等操作，还可以根据制冷目标的工作状态要求，智能判断制冷系统工作模式，单储冷、单放冷或同步进行。

本实用新型的工作原理是：

1.本实用新型的能源供应主要来自于太阳能光伏发电，由于太阳能发电的不稳定性，和过高的储能成本，本实用新型摒弃了传统的蓄电池储能方式，采用太阳能发电并入公共电网的方式，不但很好的解决了太阳能发电不稳定的问题，还大大降低了制冷系统对逆变系统峰值功率的要求(大功率压缩机启动瞬时电流巨大，靠逆变器来支撑难度较大)。为了最大限度使用太阳能，减少对公共电网的电力需求，降低用户电费成本，对太阳能发电模块做了如下发明：

A.根据制冷系统最大功率需求和高峰期日均耗电量，参考用户具备的净空面积合理的计算出太阳能光伏发电规模，最大限度的保证用户减少对公共电网的电力需求，在保证制冷系统电力需求的情况下光伏发电可盈利。

B.光伏逆变控制器采用最大功率点跟踪技术(MPPT)，时刻保证太阳能光伏组件的最大功率输出。

C.太阳能发电系统最大可输出功率数据支持实时输出功能，制冷系统的控制系统可通过实时采集此数据来控制制冷系统工作状况(如压缩器的启动、制冷模式还是储冷模式等)。

D.光伏逆变控制器具备孤网运行能力，当公共电网发生停电后，根据设置光伏逆变控制器可脱网运行，保证制冷系统核心功能的正常运行。(当需要孤网运行时，需要配置一定容量的储能设备，稳定太阳能发电保持输出平稳，维持系统核心模块的正常运行，具体储能设备的容量可根据需要保障的最小设备容量进行计算)

2.由于太阳能发电的固有特性，太阳能发电的功率波动较大，传统的制冷系统压缩机不能适应这种功率的大范围变化，为了最大限度的利用太阳能所发电量，减少对公共电网的电力需求，对传统的制冷压缩机模块进行了如下发明：

A.根据制冷系统最大制冷量需求确定好系统需要的压缩机功率，根据制冷规模和太阳能发电规模综合考虑压缩机需要适应的功率范围。采用多台压缩机并联的工作模式，对小型制冷系统可采用多台同功率小型压缩机，对大功率制冷系统建议采用1：2：2：5比例设置制冷压缩机组。

B.系统核心控制器根据当前太阳能发电的最大输出功率来自动控制制冷压缩机组内各个压缩机的工作状态，达到最大化利用太阳能所发电量的目的。

3.传统的制冷系统在需要制冷时压缩机启动，制冷剂在蒸发器蒸发吸热，通过风机对蒸发器强制送风实现换能，直接对目标进行制冷，而本实用新型采用太阳能发电，则需要把所有的太阳能所发电量最大化利用起来，就需要把制冷系统制造的冷量存储起来，需要对传统的制冷系统进行改造，具体发明如下：

A.重新设计制冷系统蒸发器，根据制冷系统的热交换量和所选用的载冷剂的相关参数进行计算，设计出蒸发器的换热面积和载冷剂的容量及流速等数据，设计制造一个全密闭保温换能盒，蒸发器至于换能盒中，载冷剂自上而下流动实现迅速换能。

B.换能盒是一个全密闭的保温空间，盒体设计为扁平长方形，蒸发器采用扁平盘管加换能翅片以增加换热面积，蒸发器换能翅片和水流方向平行，减少载冷剂流动阻力。

C.载冷剂采用在换能盒上方多管喷淋方式流入，下方多管汇集方式留出，提高换能盒整体换能效率。

4.本实用新型的制冷系统，是通过利用载冷剂在换能盒和储冷装置进行能量交换，在需要制冷时由储冷装置进行冷量释放，可实现远大于压缩机实际功率的制冷效果，为此需要根据不同工况控制载冷剂的流向，以达到相应的工作要求，具体结构设置如下：

A.在换能盒载冷剂出口加装换向阀，当系统需要储冷时系统核心控制器控制换向阀将载冷剂流向储冷装置，当系统需要制冷时，如果储冷装置并未存储足够的冷量则自动控制装置控制换向阀将载冷剂直接流向制冷换能装置，实现直接制冷。

B.储冷模块入口内置旁路阀，出口安装换向阀。在储冷模式下，当单个储冷模块冷量蓄满以后，控制系统控制此储冷模块的旁路阀打开，载冷剂不再流向此储冷模块；在制冷模式下，如果储冷模块已经储存了足够冷量，系统核心控制器则控制此储冷模块的出口换向阀将载冷剂流向制冷模块，实现由储冷装置供冷制冷模式。

5.在本系统中吸收并存储冷量的储冷装置，要求具备较大的储冷能力、高效的换热能力和灵活的搭配模式，还要求其具备通用性组件化的特点，以适应灵活多变的应用场景，具体发明如下：

A.储冷模块采用模块化设计，根据制冷规模大小可灵活选择符合要求的储冷模块，储冷模块的选择依据要以能够全部存储太阳能所发电量的制冷量为原则，在制冷频繁的工作环境下，可根据总储冷量设置多个储冷模块，通过串并联方式来实现即时储冷，即时制冷的要求。

B.储冷模块是一个密闭保温容器，根据低温相变材料定制容器内壁，针对采用共晶盐为蓄冷材料的，采用不锈钢内壁，储冷模块采用内置排管方式和储冷材料进行热量交换，为保证热交换效率在排管上加装换热翅片，翅片方向充分考虑蓄冷材料发生相变时膨胀产生的应力，载冷剂从下方流入，上方流出，保证在发生相变时先从下方开始。

C.储冷模块在载冷剂出水口处安装有温度传感器，用于监测储冷装置的冷量存储情况。

D.储冷模块中入口处安装有旁路电磁阀，旁路电磁阀旁路直通载冷剂出口。当核心控制模块监测到储冷模块达到设定温度后，旁路电磁阀闭合，将载冷剂直接转向到储冷模块的载冷剂出口，方便实现储冷模块的串联工作模式。

6.本实用新型主要涉及3个大的系统，分别是太阳能发电系统、压缩机制冷系统、载冷剂换能系统，这三个系统是紧密联系的，为了协调好这三大系统在各工况下能够精准的工作，本实用新型设计了一套智能控制系统，具体发明如下：

A.实时监测太阳能发电系统可输出最大功率，根据系统储冷总容量和当前电价信息智能确定压缩机组的工作状态。

B.监测所有储冷模块的储冷情况，根据具体储冷装置的状态确定通过载冷剂换能系统对储冷模块进行储冷、放冷、旁路、串联、并联等操作。

C.根据制冷目标的工作状态要求，智能判断制冷系统工作模式，单储冷、单放冷或同步进行。

附图说明

图1为本实用新型太阳能并网发电制冷换能系统结构图；

图2为换能盒剖面图结构示意图；

图3为储冷模块剖面图结构示意图；

图4为系统控制主流程图；

图5为储冷控制子流程图；

图6为能源判定子流程图。

具体实施方式

本实用新型适合于新建大型制冷系统或对原有的制冷系统进行改造，下面分别针对两种场景进行说明：

案例1、新建太阳能并网发电冷库，在冷库规划设计之初，对冷库的占地空间、容积和最大冷量需求进行规划和设计，计算出需要的分布式太阳能发电组件的功率、压缩机功率等关键数据，根据压缩机功率确定换能盒相关参数，根据单体冷库的相关数据确定储冷装置的尺寸和数量，完成整体关键设计，按照设计进行施工。

冷库的具体工作流程说明：

太阳能并网发电冷库的制冷储能系统由太阳能发电系统和制冷换能系统组成，系统启动后太阳能发电系统即开始工作有光照的情况下，太阳能逆变控制器2采用最大功率点跟踪技术，实时保证太阳能发电系统处于最大发电量的工况下，太阳能逆变控制器2通过多功能计量装置3和公共电网4并联，并将实时最大功率数据通过控制电缆7传递给系统核心控制器8；制冷储能系统由制冷剂循环系统和载冷剂循环系统两个子系统构成，系统核心控制器8实时监测目标冷库的运行状态，当系统需要储冷时，系统核心控制器8对当前能源状况进行判定，根据具体判定结果启动压缩机组9中相应的压缩机组，压缩机组压缩制冷剂通过膨胀阀13进入换能盒14中的蒸发器15，通过蒸发器15和载冷剂16完成热量交换；载冷剂16载冷后，根据系统核心控制器8的相关指令进行储冷循环或制冷循环，下面分别进行说明：

储冷循环，载冷剂16通过低温泵17、换向阀18流向储冷装置19进行储冷，系统核心控制器8通过储冷模块20中的温度传感器25获取储冷模块20的储冷量，当储冷模块20的温度达到设定温度后，系统核心控制器8控制储冷模块20的入口电磁阀，将载冷剂16直接通向储冷模块20的载冷剂16出口，当所有储冷模块20都达到设定温度后，系统储冷过程完成，系统进去待用状态；

制冷循环，制冷循环可分为压缩机组9直接供冷模式和储冷装置19供冷模式，压缩机组9直接供冷模式可发生在储冷装置19冷量严重不足或制冷目标对冷量需求不大的情况下，压缩机组9直接供冷模式循环情况如下：载冷剂16通过换能盒14载冷后，通过低温泵17、换向阀18直接流向制冷模块21，通过制冷模块21直接对目标进行制冷；储冷装置19供冷模式可发生在储冷装置19储存了足够冷量且太阳能发电不足或制冷目标对制冷功率要去较大的情况下，储冷装置19供冷模式循环情况如下：载冷剂16通过低温泵17、换向阀18流入储冷装置19，系统核心控制器8控制各个储冷模块20的工作状态，自动选取合适的储冷模块20，载冷剂16流过储冷模块20吸收冷量后，通过换向阀22、23流向制冷模块21对目标实现快速制冷。

本实用新型还有如下变通实施方式，图1太阳能并网发电制冷换能系统图中，仅对系统的原理进行阐述，在实际应用过程中，储冷装置可根据需要灵活进行分散布置，由载冷剂载冷进行远距离热量交换，在需要对指定目标制冷时，可由系统核心控制器8根据目标所属的储冷装置19，启动相应的储冷模块20，实现对指定目标的精准制冷，由于储冷模块20是模块化的，当冷量存储足够后，可以通过将储冷模块安装到需要制冷的风机制冷循环中，实现脱网式制冷模式，最大化提高太阳能的利用效率。

Claims (9)

1.一种分布式太阳能并网发电制冷换能系统，其特征在于，包括太阳能并网发电系统和制冷换能系统两个子系统；太阳能并网发电系统由太阳能阵列(1)、光伏逆变控制器(2)、多功能计量装置(3)、公共电网(4)、蓄电池组(5)五个大的核心模块构成，太阳能阵列(1)与光伏逆变控制器(2)连接，将太阳能转换为电能输入至光伏逆变控制器(2)，光伏逆变控制器(2)分别连接蓄电池组(5)和多功能计量装置(3)，多功能计量装置(3)与公共电网(4)相连接；太阳能发电系统通过由光伏逆变控制器(2)分别引出的控制电缆(7)和动力电缆(6)与制冷换能系统的控制器(8)连接；制冷换能系统内部划分为制冷系统和储能换热系统，由控制器(8)分别控制的制冷压缩机组(9)、冷凝设备(10)、干燥器(11)、储液盒(12)、膨胀阀(13)、包括蒸发器(15)的换能盒(14)依序连接构成了制冷储能系统中的制冷系统，蒸发器(15)封闭在换能盒(14)中，在换能盒(14)设有载冷剂(16)；由换能盒(14)、低温泵(17)、电磁阀A(18)、包括储冷模块(20)的储冷装置(19)、电磁阀B(22)、电磁阀C(23)、风机制冷模块(21)依序连接构成了储能换热系统；其中电磁阀A(18)还与风机制冷模块(21)连接，风机制冷模块(21)、电磁阀C(23)分别与换能盒(14)连接。

2.根据权利要求1所述的一种分布式太阳能并网发电制冷换能系统，其特征在于，换能盒(14)为一个密闭保温的扁平立式容器，包括一个盒壁(14.1)、设置在盒壁内的蒸发器(15)以及位于蒸发器(15)内侧的散热翅片(14.2)，整个蒸发器(15)包括散热翅片(14.2)浸泡于载冷剂(16)之中；在盒壁(14.1)顶部开设有载冷剂(16)入口(14.3)，底部开设有载冷剂出口(14.4)，在盒壁侧面上部开设有制冷剂蒸发器入口(14.5)，下部开设有制冷剂蒸发器出口(14.6)。

3.根据权利要求2所述的一种分布式太阳能并网发电制冷换能系统，其特征在于，所述蒸发器(15)采用扁平蛇形排管加装所述散热翅片的结构。

4.根据权利要求1所述一种分布式太阳能并网发电制冷换能系统，其特征在于，储冷装置(19)的储能模块(20)包括一个保温外壳(20.1)和设置在保温外壳内的载冷剂换热排管(20.2)，该载冷剂换热排管设为蛇形呈立式结构，其上端连接开设在保温外壳上部的载冷剂出水口(20.3)，下端连接开设在保温外壳下部的载冷剂入水口(20.4)；采用氯化钠或氯化钾或氯化钙溶液作为低温相变储冷材料(20.5)。

5.根据权利要求1所述一种分布式太阳能并网发电制冷换能系统，其特征在于，整个储冷装置(19)采用组件化结构，模块的接口统一，支持串联或并联工作模式；储冷装置(19)采用具有温控和电控旁路功能的控制电路；储冷装置(19)的载冷剂出入口设在同一侧。

6.根据权利要求1所述的一种分布式太阳能并网发电制冷换能系统，其特征在于，在所述制冷换能系统中增加了载冷剂储液器(24)，其中换能盒(14)、电磁阀C(23)、风机制冷模块(21)分别与载冷剂储液器(24)连接。

7.根据权利要求1中所述的一种分布式太阳能并网发电制冷换能系统，其特征在于，制冷换能系统中的制冷压缩机组(9)采用一台以上并联，由系统核心的控制器(8)控制制冷压缩机组(9)中的各个压缩机。

8.根据权利要求1所述的一种分布式太阳能并网发电制冷换能系统，其特征在于，换能盒(14)将制冷换能系统分隔为制冷系统和换能系统两部分，制冷系统采用制冷剂循环制冷，换能系统采用载冷剂循环进行储能或放冷。

9.根据权利要求1所述的一种分布式太阳能并网发电制冷换能系统，其特征在于，在储冷模块(20)载冷剂出水口(20.3)处安装有温度传感器(25)。