CN205245633U - 一种分布式光伏独立供能制冰系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种分布式光伏独立供能的制冰系统，包括光伏电池组件，控制器、蓄电池、逆变器、压缩机控制器、压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器。该制冰系统采用分布式光伏独立供能驱动。为实现太阳能最大化利用，采用了具有最大功率跟踪策略的控制器，并对制冰系统压缩机进行了改造优化，将原来单一压缩机改为四个压缩机并联的压缩系统，可拓宽太阳能辐照度利用范围，提高太阳能利用率。为缓解过冷冰现象，避免能源浪费，对制冰系统蒸发器结构进行改造，将原来单一蒸发器改为四个并联蒸发器分布在制冰系统内壁的不同地方同时制冰，确保制冰总量同时，提高制冰效率。

Description

一种分布式光伏独立供能制冰系统

技术领域

本实用新型涉及一种脱离电网只采用分布式光伏组件将太阳能转化为电能驱动的制冰系统，属于太阳能制冷技术领域。

背景技术

随着社会的进步和经济的发展，农产品、食品、医药和疫苗的保鲜冷冻领域对冰的需求量逐渐增加，制冰耗能与日增加，利用清洁能源之一的太阳能驱动制冰系统备受关注。采用太阳能制冷有两种方式，一种是采用太阳能光热制冰，又分太阳能吸附式制冰和太阳能吸收式制冰，国内外学者Boubakri、Buchter、Hildbrand、Khattab、王如竹和李明等对太阳能光热驱动吸附床和吸收机组制冰研究较多；另外一种是太阳能光伏产生电能驱动制冰机的蒸汽压缩机制冰，国内外学者ElTom、Taha、Toure、Kattaakayam、代彦军和李明等对光伏制冰系统设计制造和运行性能进行了研究和分析。通常商用蒸汽压缩机COP（制冷系数）为3-5左右，而热能驱动的吸附式制冷机COP在0.1-0.5之间，热能驱动的单效溴化锂吸收式制冷机COP为0.7左右，双效溴化锂吸收式制冷机COP为1.2左右，三效溴化锂吸收式制冷机COP为1.7左右。因蒸汽压缩机制冷系数较高，光伏驱动的蒸汽压缩机制冰机商业化推广应用前景较好，为未来太阳能制冷和太阳能空调发展主要趋势。

发明内容

为充分利用分布式独立能源，本实用新型提供了一种分布式光伏独立供能制冰系统，主要由光伏组件、带最大功率跟踪的控制器、蓄电池、逆变器、压缩机控制器、压缩机系统、冷凝器、节流阀和制冰系统蒸发器组成，如图1所示，要解决的技术问题为。

分布式光伏组件发电量与蓄电池储能容量匹配，实现制冰系统不间断运行。

改造压缩机系统，降低制冰系统的辐照度阈值下限，拓宽太阳能辐照度利用范围，提高太阳能利用率。

改造制冰系统蒸发器，避免过冷冰出现，减少能源浪费，增加制冰效率。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案为。

根据制冰系统额定功率大小，稳定工作电压和电流情况，选择光伏组件数量和联接方式，确保分布式能源系统的输出功率、电压和电流值与制冰系统匹配较好。

为弥补太阳能间歇性的缺点，保证制冰系统稳定工作，采用蓄电池调节电路波动，不仅可稳定供能系统输出特性，还可延长制冰系统工作时间，选择合适容量的蓄电池，可确保制冰机全天候运转。

为降低制冰系统辐照度阈值下限，拓宽太阳能辐照值利用范围，增加太阳能利用率，必须对传统制冰系统的压缩机进行优化改造。传统制冰系统为单一的交流/直流压缩机，具有额定的功率、电压和电流值，最大输出功率的转速也被固定，若采用独立光伏组件和蓄电池供能，不能始终确保制冰系统工作在最大输出功率转速，当转速不够时，影响制冰效率，转速过高，造成能量浪费。此外，只有当供能系统供给的能量达到制冰系统压缩机开启的条件后，制冰系统才开始工作，造成压缩机开启前和停机后较大部分的能量浪费，影响制冰效率，采用单一压缩机分布式光伏独立供能制冰系统能量利用情况如图2所示。图中曲线所包含的面积为分布式光伏供能系统提供的功率，带阴影的方框面积为制冰系统消耗功率，白色部分为未利用的浪费掉的功率。

优化后，压缩机系统主要由四个小型压缩机并联组成，四个小型压缩机的额定功率之和与原来一个压缩机额定功率相等，采用四个并联压缩机的一种分布式光伏独立供能制冰系统的能量利用情况如图3所示，压缩机系统采用四个压缩机并联组成的后，降低制冰系统的辐照度阈值下限，将原来单一压缩机启动的辐照值由不少于400W/m²减少到现在压缩机系统的150W/m²，将辐照度阈值下限降低了近三分之二，压缩机系统的压缩机启动功率只有原来单一压缩机启动功率的一半，压缩机系统工作流程如图4所示。

压缩机系统的压缩机开启控制策略优化。压缩机出厂时会给出个转速范围，通常情况下压缩机最大输出功率在范围之间，不会在最低转速，也不会在最高转速，通常位于转速中间偏高转速点，例如某压缩机转速范围为2000rap/min-3500rap/min，其最大输出功率转速为3000rap/min。因此对压缩机系统的开启控制策略显得十分重要，压缩机系统开启顺序和时机都应控制准确。1号压缩机功率最大，转速范围也最宽，4号压缩机功率最小，转速范围也最窄。因此为充分利用低辐照值，首先应开启转速范围最宽的压缩机。压缩机系统开启顺序为先开启压缩机1，接着开启压缩机2，然后开启压缩机3，最后开启压缩机4。随着辐照度升高，压缩机1转速逐渐增加，当达到一定转速时，开启压缩机2，此时因为压缩机2开启，电路电流分流，导致压缩机1电流减少，压缩机1转速降低，采取特定控制策略，确保压缩机2开启后，压缩机1正好工作在输出功率最大转速，此后辐照度的增加，电流只流向压缩机2，提升压缩机2转速，压缩机1电流不变，始终工作在最大转速。依照次控制策略，依次开启压缩机3和压缩机4，直到辐照度达到最大值。当辐照度减少时，可依靠蓄电池补充能量维持压缩机系统运行，当晚上无辐照度时，完全靠蓄电池供能支撑压缩机系统运行，当蓄电池供能不足时，控制器应执行控制策略的逆过程，依次关停压缩机4、3、2和1。若蓄电池容量足够大，则可以实现压缩机不停机，直到第二天开始重复循环，整个控制策略如图5和图6所示。

制冰系统蒸发器由4个小型蒸发器组成，并联分布在不同地方同时产冰。现今市场上售卖的制冰系统在制冰过程中都会出现过冷冰现象，传统制冰系统制冰过程中，冰块温度分布很不均匀，过冷现象极为严重，过冷温度有时可达到-20多度；制冰系统蒸发器内的水先从底端和两壁开始结冰，然后才是中间结冰，制取的冰块温度存在分布不均，出现过冷现象。为减缓制冰过冷现象，对制冰系统蒸发器进行优化：缩减制冰系统蒸发器盛水尺寸，减少冰块厚度，同时，为确保制冰总量不变，优化后的制冰系统蒸发器由4个小型蒸发器组成，并联分布在不同地方同时产冰，减缓过冷冰现象，减少能量浪费，提高制冰效率。

本实用新型的有益效果是，采用分布式光伏组件独立供能，并对普通家用制冰系统的压缩机系统和制冰系统蒸发器进行结构改造升级后，减少了压缩机系统的太阳辐照值阈值下限，提高了太阳能利用率。通过智能控制压缩机系统启停时机，实现能量供给与用能单元的最佳耦合。对制冰系统蒸发器结构改造后，可缓解过冷冰现象，大幅度减少能量浪费，提高了制冰效率。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种分布式光伏独立供能制冰系统运行流程。

图2为本实用新型提供的采用单一压缩机分布式光伏独立供能制冰系统能量利用情况。

图3为本实用新型提供的采用四个并联压缩机的一种分布式光伏独立供能制冰系统的能量利用情况。

图4为本实用新型提供的压缩机系统工作流程。

图5为本实用新型提供的光伏组件和蓄电池供能时，压缩机控制系统控制策略流程。

图6为本实用新型提供的无辐照值蓄电池单独供能时，压缩机控制系统控制策略流程。

具体实施方式

以下介绍本实用新型一种分布式光伏独立供能制冰系统的具体实施方式。一种分布式光伏独立供能制冰系统由光伏组件、带最大功率跟踪的控制器、蓄电池、逆变器、压缩机控制器、压缩机系统、冷凝器、节流阀和制冰系统蒸发器组成，系统运行流程如图1所示。压缩机系统可由交流压缩机并联组成，此时对应的需要配备逆变器，具体实施方式由实施例1说明。当压缩机系统采用直流压缩机时，此时不需要逆变器，直接由光伏组件产生的直流电供能，具体实施方式由实施例2说明。

实施例1

晴天时，光伏组件产生的直流电，流经带最大功率跟踪的控制器后，可确保光伏组件时刻工作在最大功率点上，输出功率始终保持最大。当辐照度没有达到压缩机系统启动条件时，此时带最大功率跟踪的控制器将全部电流分配给蓄电池为蓄电池充电，随着辐照度的增加，电路中电流逐步增加，当电流达到可供用电负载值后，带最大功率跟踪的控制器会按照设定好的控制策略分配一部分额定电流给蓄电池充电，剩下的电流分配给负载，且随着太阳辐照强度的增加，供给用电负载的电流值也会逐步增加。

电流流经压缩机控制器后，压缩机控制器通过检测电路的电流和电压，当达到压缩机1启动值后，启动压缩机1，驱动制冷工质均匀流向4个小型蒸发器开始制冰。随着电流增加，压缩机1转速也逐步增加，输出功率也相应增加，当达到启动压缩机2工作条件时——启动压缩机2后压缩机1正好工作在最大功率转速。压缩机控制器启动压缩机2，驱动制冷工质均匀流向4个小型蒸发器制冷。此时带最大功率跟踪的控制器分配给压缩机1的电流值锁定，随着辐照值增加，压缩机1工作电流保持不变仍为最大功率电流值，增加的电流值全部流向压缩机2，提高压缩机2转速，当达到启动压缩机3工作条件——启动压缩机3后压缩机1和2正好工作在最大功率转速。压缩机控制器启动压缩机3，驱动制冷工质均匀流向4个小型蒸发器制冷。此时带最大功率跟踪的控制器分配给压缩机1和2的电流值锁定，随着辐照值增加，压缩机1和2工作电流保持不变仍为最大功率电流值，增加的电流值全部流向压缩机3，提高压缩机3转速，当达到启动压缩机4工作条件——启动压缩机3后压缩机1、2和3正好工作在最大功率转速。压缩机控制器启动压缩机4，驱动制冷工质均匀流向4个小型蒸发器制冷。此时带最大功率跟踪的控制器分配给压缩机1、2和3的电流值锁定，随着辐照值增加，压缩机1、2和3的工作电流保持不变仍为最大功率电流值，增加的电流值全部流向压缩机4，提高压缩机4转速，直到压缩机4也工作在最佳转速，此时辐照值已达到一天的最大值，此时蓄电池也处于充满状态。此时，太阳辐照度会逐渐减小，太阳能辐照度已不能保证4个压缩机全部工作在最大功率点，此时带最大功率跟踪的控制器通过控制策略侦测到这一趋势，会调配蓄电池能量供给压缩机，确保4个压缩机均工作在最大功率点上，采取智能的按需调配手段，减少能量浪费。到晚上无太阳时，此时压缩机系统的全部能量均由蓄电池供给，确保4个压缩机均工作在最大功率点，直到用户无制冰需求后，关停制冰系统。

当遇到阴雨天或蓄电池能量不能确保压缩机系统均工作在最大功率点时，带最大功率跟踪的控制器采取特定控制策略，确保压缩机1、2和3能工作在最大功率点，驱动制冷剂均匀流到4个蒸发器制冷，逐步减少压缩机4供能，直到关停压缩机4；当压缩机4关停后，蓄电池能量还在继续减少，达到不能确保3个压缩机工作在最大功率点时，此时带最大功率跟踪的控制器会确保压缩机1和2能工作在最大功率点，驱动制冷剂均匀流到4个小型蒸发器制冷，逐步减少压缩机3供能，直到关停压缩机3；当压缩机3关停后，蓄电池能量还在继续减少，达到不能确保2个压缩机工作在最大功率点时，此时带最大功率跟踪的控制器会确保压缩机1工作在最大功率点，驱动制冷剂均匀流到4个小型蒸发器制冷，逐步减少压缩机2供能，直到关停压缩机2，最后直到关停压缩机1，制冰系统停止制冰，此时蓄电池已无输出能量能力，直到太阳出来，开始新的循环。

实施例2

采用直流压缩机的制冰系统可直接采用分布式能源系统提供的直流电驱动，电路中不需要逆变器将直流电逆变为交流电，整个实施过程无逆变器将直流电逆变为交流电这一环节，其他过程与实施例1相同。

Claims (3)

1.一种分布式光伏独立供能制冰系统，其特征在于主要由光伏组件、带最大功率跟踪的控制器、蓄电池、逆变器、压缩机控制器、压缩机系统、冷凝器、节流阀和制冰系统蒸发器组成，带最大功率跟踪的控制器输入端连接光伏组件，输出端连接蓄电池，蓄电池依次通过逆变器、压缩机控制器驱动压缩机系统，压缩机系统输出端连接冷凝器后，通过节流阀连接制冰系统蒸发器。

2.权利要求1所述的一种分布式光伏独立供能制冰系统，其特征在于压缩机系统由四个小型压缩机并联组成。

3.权利要求1所述的一种分布式光伏独立供能制冰系统，其特征在于制冰系统蒸发器由4个小型蒸发器组成，并联分布在不同地方同时产冰。