CN215412082U - 一种光伏直驱的太阳能跨季节储热供热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光伏直驱的太阳能跨季节储热供热系统。该系统包括太阳能集热器、集热水箱、热泵机组、地埋管群、末端装置、光伏电池组、保护开关、温控开关、蓄电池、控制开关、温度传感器、储热直流循环泵、集热直流循环泵、末端循环泵、地源循环泵、各个控制阀和储热流量调节阀。本实用新型光伏发电与太阳能集热的匹配性，一方面利用光伏输出功率作为集热/储热过程的控制信号，无需额外的电子控制和数据处理等辅助控制系统，简化系统运行的控制过程，降低控制成本和建设成本；另一方面直接驱动直流循环泵，为集热/储热循环提供动力，节约了运行成本。

Description

一种光伏直驱的太阳能跨季节储热供热系统

技术领域

本实用新型涉及可再生能源领域，具体是一种光伏直驱的太阳能跨季节储热供热系统。

背景技术

在我国，冬季太阳辐射普遍低于夏季，用能季节差问题对太阳能的利用影响巨大。根据安装角度的不同，冬季的太阳能日总辐射量比夏季低20％～60％，因此太阳能跨季节储热越来越得到关注。

申请号为201610306157.6的文献公开了一种太阳能跨季节集热和土壤储热系统与方法，该系统包括太阳能集热系统、土壤储热系统和控制系统。由控制系统根据水温和土壤温度按季节进行太阳能集热和土壤储热。其存在问题是：需要单独设置复杂的电子控制和辅助系统，需安装若干个温度传感器和控制阀，且采用换热水箱中换热盘管实现热量的传递降低了储热效率，控制系统复杂。同时没有考虑储热过程中水泵的泵耗对系统运行效率的影响，而实际运行中集热泵和储热泵电耗往往占到系统全年总电耗的20％以上。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种光伏直驱的太阳能跨季节储热供热系统。

本实用新型解决所述技术问题的技术方案是，提供一种光伏直驱的太阳能跨季节储热供热系统，其特征在于，该系统包括太阳能集热器、集热水箱、热泵机组、地埋管群、末端装置、光伏电池组、保护开关、温控开关、蓄电池、控制开关、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、储热直流循环泵、集热直流循环泵、末端循环泵、地源循环泵、第一储热控制阀、第二储热控制阀、第一集热控制阀、第二集热控制阀、第一末端控制阀、第二末端控制阀、第三末端控制阀、第一地源控制阀、第二地源控制阀、第一水箱储热控制阀、第二水箱储热控制阀和储热流量调节阀；

太阳能集热器的出口、第一储热控制阀、地埋管群的储热入口、地埋管群的储热出口、第二储热控制阀、储热直流循环泵和太阳能集热器的入口按照传热工质流动方向通过管路顺序连接，构成太阳能储热主路循环；

地埋管群的储热出口、第二储热控制阀、储热直流循环泵、储热流量调节阀和地埋管群的储热入口按照传热工质流动方向通过管路顺序连接，构成太阳能储热支路循环；

太阳能集热器的出口、第一集热控制阀、集热水箱的高温入口、集热水箱的低温出口、第二集热控制阀、集热直流循环泵和太阳能集热器的入口按照传热工质流动方向通过管路顺序连接，构成太阳能集热循环；

集热水箱的高温出口、第一末端控制阀、末端循环泵、热泵机组的冷凝器入口、热泵机组的冷凝器出口、末端装置的入口、末端装置的出口、第二末端控制阀和集热水箱的低温入口按照传热工质流动方向通过管路顺序连接，构成末端供热循环；

热泵机组的冷凝器出口、末端装置的入口、末端装置的出口、第三末端控制阀、末端循环泵和热泵机组的冷凝器入口按照传热工质流动方向通过管路顺序连接，构成热泵机组独立供热循环；

集热水箱的高温出口、第一水箱储热控制阀、地源循环泵、地埋管群的取热入口、地埋管群的取热出口、第二水箱储热控制阀和集热水箱的低温入口按照传热工质流动方向通过管路顺序连接，构成供热季储热循环；

热泵机组的蒸发器出口、第一地源控制阀、地源循环泵、地埋管群的取热入口、地埋管群的取热出口、第二地源控制阀和热泵机组的蒸发器入口按照传热工质流动方向通过管路顺序连接，构成地源取热循环；

第一温度传感器设置于太阳能集热器的出口处；第二温度传感器设置于集热水箱的低温出口处；第三温度传感器设置于集热水箱的高温出口处；第四温度传感器设置于地埋管群的储热出口处；

光伏电池组与蓄电池电连接；光伏电池组通过保护开关和温控开关与集热直流循环泵电连接；光伏电池组通过保护开关与储热直流循环泵电连接；蓄电池通过控制开关与储热直流循环泵电连接；蓄电池通过控制开关和温控开关与集热直流循环泵电连接；第一温度传感器和第二温度传感器均与温控开关通讯连接。

与现有技术相比，本实用新型有益效果在于：

(1)本实用新型根据光热和光伏发电具有时效统一的特性，用光伏驱动的直流泵代替了传统的集热泵和储热泵，利用光伏输出功率作为集热/储热过程的控制信号，无需额外的电子控制和数据处理等辅助控制系统，简化了系统运行的控制过程，降低了控制成本，实现了集热和储热过程零电量消耗的目标。

(2)本实用新型的温控开关和保护开关的应用，减少了冬季集热水箱的无谓散热，避免了光伏电池组输出功率小于直流泵运行功率时电路接通造成的水泵电机过热问题。集热水箱只在供热季使用，集热水箱容积大大减少。

(3)本实用新型的控制开关和蓄电池的应用，考虑了直流水泵的启动功率远大于运行功率，并且需要高功率的时间很短，因此通过控制开关控制蓄电池的接入，降低了水泵启动时对光伏发电池组的功率要求，启动后可断开，保证直流水泵在光伏电池组的输出功率满足水泵的运行功率时即开始启动运行，减少对光伏电池组输出功率的要求，延长了水泵运行时间，提高集热/储热效率。此外蓄电池只是在水泵启动阶段投入使用，大大减小了蓄电池配置容量。

(4)直流水泵启动后，仅需使用少量的光伏电池板，就能够产生足够的直流电直接驱动直流循环泵，为集热/储热循环提供动力，使集热和储热循环不需要市电接入便可运行，有效节约了运行成本。同时通过温度传感器实现不同循环的运行。

(5)本系统使用直流循环泵，相较于交流循环泵，不需要逆变器、变频器等配套设备，具有建设成本低、效率高、寿命长等优点。

(6)本系统可依据太阳能集热和地埋管储热性能的变化灵活调节储热流量调节阀的开度，协调太阳能集热器和地埋管换热器流量要求的差异问题，从而实现太阳能集热能力和地埋管储热能力的匹配。

(7)整体而言，本系统降低了太阳能集热和储热过程的常规能源的消耗，提高了储热效率和太阳能资源利用率，并简化系统运行。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构示意图；

图中，太阳能集热器1、集热水箱2、热泵机组5、地埋管群6、末端装置7、光伏电池组8、保护开关9、温控开关10、蓄电池11、控制开关12、第一温度传感器13、第二温度传感器14、第三温度传感器15、第四温度传感器16；

储热直流循环泵31、集热直流循环泵32、末端循环泵33、地源循环泵34；

第一储热控制阀411、第二储热控制阀412、第一集热控制阀421、第二集热控制阀422、第一末端控制阀431、第二末端控制阀432、第三末端控制阀433、第一地源控制阀441、第二地源控制阀442、第一水箱储热控制阀451、第二水箱储热控制阀452、储热流量调节阀46、排空阀47、放气阀48。

具体实施方式

下面给出本实用新型的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本实用新型，不限制本申请权利要求的保护范围。

本实用新型提供了一种光伏直驱的太阳能跨季节储热供热系统(简称系统)，其特征在于，该系统包括太阳能集热器1、集热水箱2、热泵机组5、地埋管群6、末端装置7、光伏电池组8、保护开关9、温控开关10、蓄电池11、控制开关12、第一温度传感器13、第二温度传感器14、第三温度传感器15、第四温度传感器16、储热直流循环泵31、集热直流循环泵32、末端循环泵33、地源循环泵34、第一储热控制阀411、第二储热控制阀412、第一集热控制阀421、第二集热控制阀422、第一末端控制阀431、第二末端控制阀432、第三末端控制阀433、第一地源控制阀441、第二地源控制阀442、第一水箱储热控制阀451、第二水箱储热控制阀452和储热流量调节阀46；

太阳能集热器1的出口、第一储热控制阀411、地埋管群6的储热入口、地埋管群6的储热出口、第二储热控制阀412、储热直流循环泵31和太阳能集热器1的入口按照传热工质流动方向通过管路顺序连接，构成太阳能储热主路循环；

地埋管群6的储热出口、第二储热控制阀412、储热直流循环泵31、储热流量调节阀46和地埋管群6的储热入口按照传热工质流动方向通过管路顺序连接，构成太阳能储热支路循环；随着太阳辐照情况，通过调节储热流量调节阀46开度来调节储热支路循环流量，实现集热流量与储热流量分配；

太阳能集热器1的出口、第一集热控制阀421、集热水箱2的高温入口、集热水箱2的低温出口、第二集热控制阀422、集热直流循环泵32和太阳能集热器1的入口按照传热工质流动方向通过管路顺序连接，构成太阳能集热循环；该循环仅在供热季或者太阳能储热主路循环故障时运行；

集热水箱2的高温出口、第一末端控制阀431、末端循环泵33、热泵机组5的冷凝器入口、热泵机组5的冷凝器出口、末端装置7的入口、末端装置7的出口、第二末端控制阀432和集热水箱2的低温入口按照传热工质流动方向通过管路顺序连接，构成末端供热循环；该循环的优点是太阳能集热器1的热量通过集热水箱2的中转后输送给热泵机组5，提高热泵机组5的负荷侧进口温度，进而提高热泵机组5性能，实现太阳能与地源热泵联合为末端装置7供热。

热泵机组5的冷凝器出口、末端装置7的入口、末端装置7的出口、第三末端控制阀433、末端循环泵33和热泵机组5的冷凝器入口按照传热工质流动方向通过管路顺序连接，构成热泵机组独立供热循环；在没有太阳能集热时实现热泵机组5的独立供热，减小因采用开式水箱而产生的压降损耗问题。

集热水箱2的高温出口、第一水箱储热控制阀451、地源循环泵34、地埋管群6的取热入口、地埋管群6的取热出口、第二水箱储热控制阀452和集热水箱2的低温入口按照传热工质流动方向通过管路顺序连接，构成供热季储热循环；

热泵机组5的蒸发器出口、第一地源控制阀441、地源循环泵34、地埋管群6的取热入口(即储热出口)、地埋管群6的取热出口(即储热入口)、第二地源控制阀442和热泵机组5的蒸发器入口按照传热工质流动方向通过管路顺序连接，构成地源取热循环；

第一温度传感器13设置于太阳能集热器1的出口处，用于采集太阳能集热器1出口处的温度；第二温度传感器14设置于集热水箱2的低温出口处，用于采集集热水箱2低温出口处的温度；第三温度传感器15设置于集热水箱2的高温出口处，用于采集集热水箱2高温出口处的温度；第四温度传感器16设置于地埋管群6的储热出口处，用于采集地埋管群6储热出口处的温度；

光伏电池组8的输出端与蓄电池11的输入端电连接，蓄电池11在电量不满的时候始终处于充电状态，充满后自动不再充电；光伏电池组8的输出端通过保护开关9和温控开关10与集热直流循环泵32的电源输入端电连接；光伏电池组8的输出端通过保护开关9与储热直流循环泵31的电源输入端电连接；光伏电池组8的输出功率决定保护开关9的通断；蓄电池11的输出端通过控制开关12与储热直流循环泵31的电源输入端电连接；蓄电池11的输出端通过控制开关12和温控开关10与集热直流循环泵32的电源输入端电连接；第一温度传感器13和第二温度传感器14均与温控开关10通讯连接，通过第一温度传感器13和第二温度传感器14采集的温度值决定温控开关10的通断。

优选地，该系统还包括排空阀47和放气阀48；排空阀47的管路一端与集热水箱2的低温出口连通，另一端与太阳能集热器1的入口连通，位于集热直流循环泵32的旁通管上；放气阀48设置在太阳能集热器1的出口处，位于太阳能集热器1的最高点上。在供热季夜间或没有光照条件的白天，为了预防太阳能集热循环的管路冻住，排空阀47和放气阀48同时打开，把太阳能集热循环中的水排空到集热水箱2。

优选地，本系统内的传热工质为液体工质，优选水，在严寒地区可采用防冻液。

优选地，太阳能集热器1采用热管式真空管集热器。

优选地，光伏电池组8是由多个光伏电池板构成的光伏阵列，将太阳能转化成直流电，直接采用直流给储热直流循环泵31和集热直流循环泵32供电。

本实用新型的工作流程是：

(一)非供热季

当光伏电池组8的输出功率不小于储热直流循环泵31的运行功率时，保护开关9处于闭合状态，光伏电池组8和储热直流循环泵31之间电路为通路状态；当光伏电池组8与蓄电池11的输出功率之和满足储热直流循环泵31的启动功率时，储热直流循环泵31启动，太阳能储热主路循环开始运行，将太阳能集热器1收集的热量存储于地埋管群6中；太阳能储热主路循环开始运行后，控制开关12断开，此时储热直流循环泵31由光伏电池组8单独提供电能；

太阳能储热主路循环运行后，当太阳辐照增大时，太阳能集热器1吸收的太阳热能增大，此时光伏电池组8的发电功率相应增大，但储热直流循环泵31流量的增大相对光伏电池组8的发电功率的增大要小，太阳能集热器1的出口温度会增大，进而造成地埋管群6的储热出口温度增大，因此，当第四温度传感器16采集的温度高于设定值(本实施例为35℃)时，打开储热流量调节阀46，同时运行太阳能储热主路循环和太阳能储热支路循环，根据第四温度传感器16所测温度的高低来储热流量调节阀46的开度，进而调节太阳能储热支路循环的流量，实现集热流量与储热流量的合理分配；增大储热流量调节阀46的开度，起到了对太阳能集热器1的出口高温热水降温的作用，以保证太阳能储热循环的稳定运行；

当太阳能储热主路循环出现故障，导致第一温度传感器13采集的温度高于设定值(本实施例为超过80℃，温度过高会损坏地埋管群6)时，运行太阳能集热循环，将太阳能集热器1收集的热量存储于集热水箱2中，降低太阳能集热器1的出口温度，待太阳能集热器1的出口温度降低到符合要求后再恢复太阳能储热主路循环；

(二)供热季

当光伏电池组8的输出功率不小于集热直流循环泵32的运行功率时，保护开关9处于闭合状态；当第一温度传感器13采集的温度不高于第二温度传感器14采集的温度时，温控开关10处于断开状态，此时光伏电池组8与集热直流循环泵32之间的电路以及蓄电池11与集热直流循环泵32之间的电路均处于开路状态；当第一温度传感器13采集的温度高于第二温度传感器14采集的温度时，温控开关10处于闭合状态，此时光伏电池组8与集热直流循环泵32之间的电路以及蓄电池11与集热直流循环泵32之间的电路均处于通路状态；当光伏电池组8与蓄电池11的输出功率之和满足集热直流循环泵32的启动功率时，集热直流循环泵32启动，太阳能集热循环开始运行；此后，控制开关12断开，集热直流循环泵32由光伏电池组8单独提供电能；

太阳能集热循环运行后，当第三温度传感器15采集的集热水箱2的高温出口处的温度达到设定值(本实施例为40～45℃)时，第一末端控制阀431和第二末端控制阀432打开，末端循环泵33启动，运行末端供热循环，对用户供暖；当第三温度传感器15采集的集热水箱2的高温出口处的温度较低(低于35℃)时，第三末端控制阀433打开，第一末端控制阀431和第二末端控制阀432关闭，运行热泵机组独立供热循环，对用户供暖；当建筑较长时间不需供热或太阳能集热大于末端用热需求而导致集热水箱2的高温出口处的温度超过设定值(本实施例为60℃)时，运行供热季储热循环，将集热水箱2中多余的热量存储到地埋管群6中，以提高集热效率并减少水箱散热，以备供暖季的其他工况使用；

在热泵机组5的压缩机启动的工况下，地源循环泵34同时启动，运行地源取热循环，为热泵机组5提供热量。

本实用新型中，太阳能集热器1热量的输出和流过太阳能集热器1的传热工质流量相关，而水泵流量的大小又受光伏输出功率的影响。当太阳能集热器1产生的热量增大时，如果流过太阳能集热器1的流量不变，太阳能集热器1进出水温差会增大，反之，如果要保证太阳能集热器1进出水温差不变，需要流过太阳能集热器1的流量增大。如果采用光伏直驱的直流水泵，则太阳能集热器1流量的变化随水泵功率变化，只需要保证太阳能集热器1温度在一定范围内变化即可。这样，通过发电功率的变化直接变成水泵输入功率的变化，只要设计的光伏面积和太阳能集热器1面积匹配，就可实现光伏发电和集热量的匹配。

另一方面，太阳能集热和土壤储热也需要匹配才能实现太阳能跨季节土壤储热。但是在设计时常出现土壤储热流量和太阳能集热器流量并不相同的情况，这样就需要考虑流量控制问题。土壤传热系数往往小于太阳能集热器1的传热系数，所以一般情况土壤储热流量要大于太阳能集热器1流量。本实用新型中采用了旁路控制法，通过设置一个太阳能储热支路循环，并设置一个储热流量控制阀46，通过控制旁路流量的大小来实现集热器流量和土壤储热流量之间的流量分配问题。

综上，本实用新型充分考虑了光伏电池组8和储热直流循环泵31、集热直流循环泵32的运行匹配问题，通过设置储热流量调节阀考虑了太阳能集热器1和地埋管群6的流量匹配问题，还设置了保护开关和温控开关考虑了储热直流循环泵31、集热直流循环泵32运行之前的过热保护问题和冬季集热循环散热问题。通过设置蓄电池11和控制开关12解决了因水泵启动功率远大于运行功率而使水泵投入运行困难的问题。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。

Claims (4)

1.一种光伏直驱的太阳能跨季节储热供热系统，其特征在于，该系统包括太阳能集热器、集热水箱、热泵机组、地埋管群、末端装置、光伏电池组、保护开关、温控开关、蓄电池、控制开关、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、储热直流循环泵、集热直流循环泵、末端循环泵、地源循环泵、第一储热控制阀、第二储热控制阀、第一集热控制阀、第二集热控制阀、第一末端控制阀、第二末端控制阀、第三末端控制阀、第一地源控制阀、第二地源控制阀、第一水箱储热控制阀、第二水箱储热控制阀和储热流量调节阀；

太阳能集热器的出口、第一储热控制阀、地埋管群的储热入口、地埋管群的储热出口、第二储热控制阀、储热直流循环泵和太阳能集热器的入口按照传热工质流动方向通过管路顺序连接，构成太阳能储热主路循环；

地埋管群的储热出口、第二储热控制阀、储热直流循环泵、储热流量调节阀和地埋管群的储热入口按照传热工质流动方向通过管路顺序连接，构成太阳能储热支路循环；

太阳能集热器的出口、第一集热控制阀、集热水箱的高温入口、集热水箱的低温出口、第二集热控制阀、集热直流循环泵和太阳能集热器的入口按照传热工质流动方向通过管路顺序连接，构成太阳能集热循环；

集热水箱的高温出口、第一末端控制阀、末端循环泵、热泵机组的冷凝器入口、热泵机组的冷凝器出口、末端装置的入口、末端装置的出口、第二末端控制阀和集热水箱的低温入口按照传热工质流动方向通过管路顺序连接，构成末端供热循环；

热泵机组的冷凝器出口、末端装置的入口、末端装置的出口、第三末端控制阀、末端循环泵和热泵机组的冷凝器入口按照传热工质流动方向通过管路顺序连接，构成热泵机组独立供热循环；

集热水箱的高温出口、第一水箱储热控制阀、地源循环泵、地埋管群的取热入口、地埋管群的取热出口、第二水箱储热控制阀和集热水箱的低温入口按照传热工质流动方向通过管路顺序连接，构成供热季储热循环；

热泵机组的蒸发器出口、第一地源控制阀、地源循环泵、地埋管群的取热入口、地埋管群的取热出口、第二地源控制阀和热泵机组的蒸发器入口按照传热工质流动方向通过管路顺序连接，构成地源取热循环；

第一温度传感器设置于太阳能集热器的出口处；第二温度传感器设置于集热水箱的低温出口处；第三温度传感器设置于集热水箱的高温出口处；第四温度传感器设置于地埋管群的储热出口处；

光伏电池组与蓄电池电连接；光伏电池组通过保护开关和温控开关与集热直流循环泵电连接；光伏电池组通过保护开关与储热直流循环泵电连接；蓄电池通过控制开关与储热直流循环泵电连接；蓄电池通过控制开关和温控开关与集热直流循环泵电连接；第一温度传感器和第二温度传感器均与温控开关通讯连接。

2.根据权利要求1所述的光伏直驱的太阳能跨季节储热供热系统，其特征在于，该系统还包括排空阀和放气阀；排空阀的管路一端与集热水箱的低温出口连通，另一端与太阳能集热器的入口连通；放气阀设置于太阳能集热器的最高点上。

3.根据权利要求1所述的光伏直驱的太阳能跨季节储热供热系统，其特征在于，太阳能集热器采用热管式真空管集热器。

4.根据权利要求1所述的光伏直驱的太阳能跨季节储热供热系统，其特征在于，光伏电池组是由多个光伏电池板构成的光伏阵列，将太阳能转化成直流电，给储热直流循环泵和集热直流循环泵供直流电。

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