CN219572067U - 热电协同式能源系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于能源系统技术领域，尤其涉及一种热电协同式能源系统。本实用新型包括光伏阵列、并网逆变器、超低温空气源热泵、辅助用电设备、1~8号电磁阀、1号循环水泵、2号循环水泵、供暖水箱、融雪水箱，其特征在于光伏阵列通过并网逆变器分别与电网、超低温空气源热泵的供电端口、辅助用电设备的供电端口相连，超低温空气源热泵的出口分别与5号电磁阀一端、7号电磁阀一端相连，5号电磁阀另一端与融雪分水器的进口相连，融雪分水器的出口与光伏组件背板管路相连；本系统使用超低温空气源热泵为北方寒冷地区供暖，白天光伏发电系统发出的电能解决超低温空气源热泵的全部或部分能耗，从而大幅降低空气源热泵的用电成本。

Description

热电协同式能源系统

技术领域

本实用新型属于能源系统技术领域，尤其涉及一种热电协同式能源系统。

背景技术

在北方寒冷地区，一些居民特别是农村居民由于无法接入供暖官网，冬季取暖成为难题，不得不采用燃烧秸秆、燃烧煤炭、电加热等方式进行取暖。这些方式中燃烧秸秆和燃烧煤炭对大气污染严重，电加热取暖费用高。需要一种使用费用较低的清洁能源供暖方式解决目前的问题。

实用新型内容

本实用新型就是针对上述问题，提供一种费用较低的热电协同式能源系统的硬件基础。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案，本实用新型热电协同式能源系统包括光伏阵列、并网逆变器、超低温空气源热泵、辅助用电设备、1~8号电磁阀、1号循环水泵、2号循环水泵、供暖水箱、融雪水箱，其特征在于光伏阵列通过并网逆变器分别与电网、超低温空气源热泵的供电端口、辅助用电设备的供电端口相连，超低温空气源热泵的出口分别与5号电磁阀一端、7号电磁阀一端相连，5号电磁阀另一端与融雪分水器的进口相连，融雪分水器的出口与光伏组件背板管路相连；

7号电磁阀另一端分别与供暖分水器的进口、8号电磁阀一端相连，供暖分水器的出口通过供暖电磁阀与供暖末端管路相连；

超低温空气源热泵的进口分别与6号电磁阀一端、2号循环水泵出口相连，6号电磁阀另一端分别与1号循环水泵出口、8号电磁阀另一端相连，1号循环水泵进口与供暖水箱出口相连，供暖水箱进口与供暖集水器出口相连，供暖集水器进口与供暖末端回管路相连；

2号循环水泵进口与融雪水箱出口相连，融雪水箱进口与融雪集水器出口相连，融雪集水器进口与光伏组件背板回管路相连。

作为一种优选方案，本实用新型所述供暖分水器的出口为四路， 供暖电磁阀包括1号电磁阀、2号电磁阀、3号电磁阀和4号电磁阀。

作为另一种优选方案，本实用新型所述1号循环水泵和2号循环水泵采用低噪音管道屏蔽泵。

作为另一种优选方案，本实用新型所述1~8号电磁阀均采用两位两通电磁阀，其中1~4号、6号和7号电磁阀为常开型，5号和8号电磁阀为常闭型。1~4号电磁阀的通径可为20mm，5~8号电磁阀的通径可为25mm。

作为另一种优选方案，本实用新型所述供暖分水器至供暖末端之间的管路和供暖末端至供暖集水器之间的管路均采用聚氯乙烯管。

其次，本实用新型所述融雪分水器至光伏组件背板之间的管路和光伏组件背板至融雪集水器之间的管路均采用圆形钢管。

另外，本实用新型所述供暖水箱安装在室内，供暖水箱中电加热器安装在供暖水箱底部；所述融雪水箱安装在地下，融雪水箱的上表面低于系统所在地冻土层深度。

本实用新型有益效果。

本系统使用超低温空气源热泵为北方寒冷地区供暖，白天光伏发电系统发出的电能解决超低温空气源热泵的全部或部分能耗，从而大幅降低空气源热泵的用电成本。

由于冬季积雪导致光伏阵列的发电量大幅降低，通过设置在光伏组件背板的循环管路，当光伏阵列表面有积雪时，利用超低温空气源热泵产生的热能通过循环管路散热为光伏阵列融雪，从而提高光伏系统的发电量，实现用一台热泵既可为房屋供暖又可为光伏阵列融雪两种功能。

附图说明

图1 超低温空气源热泵供暖+光伏发电热电协同式能源系统原理图。

图2光伏组件背面“目”字型融雪管路。

图3半圆形钢管与半圆形聚氨酯保温管壳横截面图。

图4 光伏组件背面“目”字型融雪管实例路。

图5半圆形钢管与半圆形聚氨酯保温管壳横截面实例图。

图6光伏组件背面融雪管路连接图。

图7 供暖融雪控制器原理图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型热电协同式能源系统包括光伏阵列、并网逆变器、超低温空气源热泵、辅助用电设备、1~8号电磁阀、1号循环水泵、2号循环水泵、供暖水箱、融雪水箱，光伏阵列通过并网逆变器分别与电网、超低温空气源热泵的供电端口、辅助用电设备的供电端口相连，超低温空气源热泵的出口分别与5号电磁阀一端、7号电磁阀一端相连，5号电磁阀另一端与融雪分水器的进口相连，融雪分水器的出口与光伏组件背板管路相连；

7号电磁阀另一端分别与供暖分水器的进口、8号电磁阀一端相连，供暖分水器的出口通过供暖电磁阀与供暖末端管路相连；

超低温空气源热泵的进口分别与6号电磁阀一端、2号循环水泵出口相连，6号电磁阀另一端分别与1号循环水泵出口、8号电磁阀另一端相连，1号循环水泵进口与供暖水箱出口相连，供暖水箱进口与供暖集水器出口相连，供暖集水器进口与供暖末端回管路相连；

2号循环水泵进口与融雪水箱出口相连，融雪水箱进口与融雪集水器出口相连，融雪集水器进口与光伏组件背板回管路相连。

所述供暖分水器的出口为四路，供暖电磁阀包括1号电磁阀、2号电磁阀、3号电磁阀和4号电磁阀。

所述1号循环水泵和2号循环水泵采用低噪音管道屏蔽泵。屏蔽泵额定流量应大于1.2l/s，屏蔽泵内部电机绝缘等级需达到H级。

所述1~8号电磁阀均采用两位两通电磁阀，其中1~4号、6号和7号电磁阀为常开型，5号和8号电磁阀为常闭型。1~4号电磁阀的通径可为20mm，5~8号电磁阀的通径可为25mm。

系统中所使用的防冻液可每5年更换一次，防冻液的冰点应比系统所在地冬季最低气温低5℃以上。

所述供暖分水器至供暖末端之间的管路和供暖末端至供暖集水器之间的管路均采用聚氯乙烯管。管路内径可为20mm。

所述融雪分水器至光伏组件背板之间的管路和光伏组件背板至融雪集水器之间的管路均采用圆形钢管。钢管内径可为15mm。系统中其余管路均可采用聚氯乙烯管，管路内径可为25mm。

所述供暖水箱安装在室内，使供暖水箱与寒冷大气隔绝，减少热量损耗以降低能耗。供暖水箱中电加热器安装在供暖水箱底部，在所有工作模式下电加热器都处于完全浸入防冻液中的状态，电加热器的作用是在系统需要同时实现融雪和供暖两种功能时，用电加热器制热以维持供暖循环系统内部流体的温度。

供暖水箱参数如下：

0.7V_g≦V₁≦0.9V_g

V₁= V_pg+V_rgV_yg≧0.03

S/40≦P_g≦(S/40+1)

其中，V_g为供暖水箱容积（单位m³），V₁为供暖系统不工作时供暖水箱内存储防冻液的体积（单位m³）。V_pg为供暖循环管路中各管路内部容积之和（单位m³），V_yg为供暖循环系统防冻液裕量（单位m³），P_g为供暖水箱中电加热器功率（单位kW），S为供暖房屋的建筑面积（单位m²）。

所述融雪水箱安装在地下，使融雪水箱与寒冷大气隔绝。使融雪水箱的上表面低于系统所在地冻土层深度，以使融雪水箱内的防冻液保持较高温度。

融雪水箱参数如下：

0.7V_r≦V₂≦0.9V_r

V₂= V_br+ V_pr+V_yrV_yr≧0.03

H_r>H_d

其中，V_r为融雪水箱容积（单位m³），V₂为融雪系统不工作时融雪水箱内存储防冻液的体积（单位m³）。V_br为所有光伏组件背板融雪管路的内部容积之和（单位m³），V_pr为融雪循环管路中除光伏组件背板融雪管路之外的各管路内部容积之和（单位m³），V_yr为融雪循环系统防冻液裕量（单位m³）。H_r为融雪水箱上表面距离地表的垂直距离（单位m），H_d为系统所在地冻土层深度（单位m）。

在光伏组件背板的管路表面覆盖聚氨酯保温管壳，并将融雪水箱置于地下，以降低融雪系统的热量损失。由于使用环境为北方寒冷地区，所有管路和水箱中的循环介质均采用防冻液，防冻液的防冻温度应比系统所在地的年最低温度低5摄氏度以上。

系统工作模式包括以下5种。

模式1：常规供暖模式。该模式下启动1号循环水泵，关闭2号循环水泵，1~4号、6号、7号电磁阀不上电（对应管路导通），5号和8号电磁阀不上电（对应管路关闭）。该工作方式下融雪循环系统不工作，对应的管路内无液体循环。空气源热泵制热后的热流体供给所有供暖末端管路。

模式2：节能供暖模式。该模式下启动1号循环水泵，关闭2号循环水泵，6号和7号电磁阀不上电（对应管路导通），5号和8号电磁阀不上电（对应管路关闭）。1~4号电磁阀中一部分不上电（对应管路导通），另一部分上电（对应管路关闭）。该工作模式下融雪循环系统不工作，对应的管路内无液体循环。空气源热泵制热后的热流体选择性供给1~4号电磁阀中不上电的供暖末端管路，以减少供热负荷，降低能耗。

模式3：融雪模式。该模式下启动2号循环水泵，关闭1号循环水泵，1~4号电磁阀不上电（对应管路导通），6号和7号电磁阀上电（对应管路关闭），5号电磁阀上电（对应管路导通），8号电磁阀不上电（对应管路关闭）。该工作模式下供暖循环系统不工作，对应的管路内无液体循环。融雪循环系统工作，空气源热泵制热后的热流体供给光伏组件背板管路。

模式4：融雪+常规供暖模式。该模式下启动1号循环水泵和2号循环水泵，5号和8号电磁阀上电（对应管路导通），6号和7号电磁阀上电（对应管路关闭），1~4号电磁阀不上电（对应管路导通），供暖水箱中的电加热器开始工作。该工作模式下融雪循环系统工作，空气源热泵制热后的热流体供给光伏组件背板管路。供暖循环系统也工作，由电加热器制热后的热流体供给所有供暖末端管路。

模式5：融雪+节能供暖模式。该模式下启动1号循环水泵和2号循环水泵，5号和8号电磁阀上电（对应管路导通），6号和7号电磁阀上电（对应管路关闭）。1~4号电磁阀中一部分不上电（对应管路导通），另一部分上电（对应管路关闭），供暖水箱中的电加热器开始工作。该工作模式下融雪循环系统工作，空气源热泵制热后的热流体供给光伏组件背板管路。供暖循环系统也工作，由电加热器制热后的热流体选择性供给1~4号电磁阀中不上电的供暖末端管路，以减少供热负荷，降低能耗。

如图2所示，光伏组件背面中部设置有“目”字型融雪管路，融雪管路外侧罩有有保温管壳，保温管壳与融雪管路之间留有间距。

融雪管路的进出水口设置在对角侧，各光伏组件的融雪管路串联。

所述融雪管路的截面为半圆框形，保温管壳的截面为半圆环形。

所述融雪管路采用钢管。

所述保温管壳采用聚氨酯保温管壳。

光伏组件背面“目”字型融雪管路如图2所示。图2中h为光伏组件的长度（单位mm），w为光伏组件的宽度（单位mm），m为最上侧和最下侧横向融雪管路的钢管中心线之间的距离（单位mm），n为左侧和右侧纵向融雪管路的钢管中心线之间的距离（单位mm），g为左侧和右侧纵向融雪管路的钢管中心线与光伏组件侧边缘的距离（单位mm），f为最上侧和最下侧横向融雪管路的钢管中心线与光伏组件侧边缘的距离（单位mm），k为半圆形聚氨酯保温管壳的宽度（单位mm）。

图3中b为半圆形钢管的外圆半径（单位mm），c为半圆形钢管的管壁厚度（单位mm），d为半圆形聚氨酯保温管壳内孔半径（单位mm），e为半圆形聚氨酯保温管壳的管壁厚度（单位mm）。

参数设计原则如下：

m=0.75h

n=0.5w

f=0.125h

g=0.25w

1mm≦c≦3mm

30mm≦e≦60mm

d≧(b+2mm) k=2d+2e

光伏组件背面布置“目”字型融雪管路，该设计可使光伏组件各部位融雪速度更加均匀。管路使用半圆框形钢管，以增加管路与光伏组件背板的导热接触面积，提升融雪效果。钢管外安装半圆环形聚氨酯保温管壳，以减少热量向周围环境传导形成的热量损失。

以对隆基乐叶光伏科技有限公司生产的型号为LR5-72HPH-550M的光伏组件设计融雪管路为例，该组件长度为2256mm，宽度为1133mm。在光伏组件背板设计安装“目”字型融雪管路，尺寸如图4所示。半圆形钢管与半圆形聚氨酯保温管壳横截面图如图5所示。

光伏组件背面融雪管路连接图如图6所示。由融雪分水器输出的热流体从第一块光伏组件背面管路的左上口流入，从第一块光伏组件背面管路的右下口流出；第一块光伏组件背面管路右下口流出的热流体从第二块光伏组件背面管路的左下口流入，从第二块光伏组件背面管路的右上口流出；第二块光伏组件背面管路右上口流出的热流体从第三块光伏组件背面管路的左上口流入，从第三块光伏组件背面管路的右下口流出，以此类推。这种连接方式可使光伏组件背面所有融雪管路中均有热流体流动，避免存在没有热流体循环的管路死角，使光伏组件受热均匀。

供暖融雪控制器原理图如图7所示。供暖融雪控制器包括微控制器电路、无线通信电路、键盘与液晶显示电路、485通讯电路、温度信号调理电路、辐照信号调理电路、液位信号调理电路和开关量控制电路，微控制器电路分别与无线通信电路、键盘与液晶显示电路、485通讯电路、温度信号调理电路、辐照信号调理电路、液位信号调理电路和开关量控制电路相连，开关量控制电路分别与1号循环水泵、2号循环水泵、1~8号电磁阀、供暖水箱的电加热器相连，液位信号调理电路与供暖水箱中的液位传感器、融雪水箱中的液位传感器相连，辐照信号调理电路与光伏组件旁侧的辐照传感器相连，温度信号调理电路与室内温度传感器相连，485通讯电路分别与并网逆变器、空气源热泵相连。

通过无线通信电路实现通过远程终端设备（包括手机、平板电脑等）对系统进行实时控制，并在线查看系统实时工作状态和历史故障、各物理量的实时数据和历史数据。

通过键盘与液晶显示电路实现对系统一些物理参数的设置，并实时显示系统的工作模式。

通过485通讯电路实时监控并网逆变器和空气源热泵的工作状态和各项物理参数。

通过温度信号调理电路将温度传感器发出模拟信号的电压范围调整为微控制器可接收的电压范围，模拟信号通过微控制器内部的AD模块变为数字信号供计算使用。

通过辐照信号调理电路将辐照传感器发出模拟信号的电压范围调整为微控制器可接收的电压范围，模拟信号通过微控制器内部的AD模块变为数字信号供计算使用。

通过液位信号调理电路将液位传感器发出模拟信号的电压范围调整为微控制器可接收的电压范围，模拟信号通过微控制器内部的AD模块变为数字信号供计算使用。

开关量控制电路将微控制器发出的开关量控制弱电信号通过光耦隔离方式控制继电器的开关，从而控制系统中的强电设备。

微控制器电路为控制器的核心电路，负责系统的数据采集、计算与实时控制等工作，由CPU及外围电路组成，CPU可选用高速单片机、DSP、ARM等芯片，CPU的工作频率应在70MHz以上。

其中，室内温度传感器分别安装在被供暖房屋内，选择距离地面高度1.2m、在南北方向上距离南墙和北墙中点处安装,组件背板温度传感器安装在光伏组件背面的中心位置，且远离组件背板的融雪管路。辐照传感器安装在室外光伏组件附近，辐照传感器不能受到阴影遮挡。液位传感器分别安装在供暖水箱和融雪水箱中。开关量控制电路控制的对象包括1号循环水泵、2号循环水泵、1~8号电磁阀、供暖水箱中的电加热器。

Claims (7)

1.热电协同式能源系统，包括光伏阵列、并网逆变器、超低温空气源热泵、辅助用电设备、1~8号电磁阀、1号循环水泵、2号循环水泵、供暖水箱、融雪水箱，其特征在于光伏阵列通过并网逆变器分别与电网、超低温空气源热泵的供电端口、辅助用电设备的供电端口相连，超低温空气源热泵的出口分别与5号电磁阀一端、7号电磁阀一端相连，5号电磁阀另一端与融雪分水器的进口相连，融雪分水器的出口与光伏组件背板管路相连；

7号电磁阀另一端分别与供暖分水器的进口、8号电磁阀一端相连，供暖分水器的出口通过供暖电磁阀与供暖末端管路相连；

超低温空气源热泵的进口分别与6号电磁阀一端、2号循环水泵出口相连，6号电磁阀另一端分别与1号循环水泵出口、8号电磁阀另一端相连，1号循环水泵进口与供暖水箱出口相连，供暖水箱进口与供暖集水器出口相连，供暖集水器进口与供暖末端回管路相连；

2号循环水泵进口与融雪水箱出口相连，融雪水箱进口与融雪集水器出口相连，融雪集水器进口与光伏组件背板回管路相连。

2.根据权利要求1所述热电协同式能源系统，其特征在于所述供暖分水器的出口为四路， 供暖电磁阀包括1号电磁阀、2号电磁阀、3号电磁阀和4号电磁阀。

3.根据权利要求1所述热电协同式能源系统，其特征在于所述1号循环水泵和2号循环水泵采用低噪音管道屏蔽泵。

4.根据权利要求1所述热电协同式能源系统，其特征在于所述1~8号电磁阀均采用两位两通电磁阀，其中1~4号、6号和7号电磁阀为常开型，5号和8号电磁阀为常闭型。

5.根据权利要求1所述热电协同式能源系统，其特征在于所述供暖分水器至供暖末端之间的管路和供暖末端至供暖集水器之间的管路均采用聚氯乙烯管。

6.根据权利要求1所述热电协同式能源系统，其特征在于所述融雪分水器至光伏组件背板之间的管路和光伏组件背板至融雪集水器之间的管路均采用圆形钢管。

7.根据权利要求1所述热电协同式能源系统，其特征在于所述供暖水箱安装在室内，供暖水箱中电加热器安装在供暖水箱底部；所述融雪水箱安装在地下，融雪水箱的上表面低于系统所在地冻土层深度。