CN220436624U - 一种风光互补直驱耦合式清洁能源供暖系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风光互补直驱耦合式的清洁能源供暖系统；所述清洁能源供暖系统包括聚光太阳能集热器、风机驱动机械式热泵机组制热装置、耦合蓄热供暖系统、智慧能量管控系统和太阳能辅助供电储能系统；所述聚光太阳能集热器适于吸收太阳能，且其通过管路与耦合蓄热供暖系统连接；所述风机驱动机械式热泵机组制热装置适于风能通过机械能直接转换为热能，且其通过管路与耦合蓄热供暖系统连接。本发明采用的太阳能‑热能、风能‑热能直接转换技术，极具创新优势，可以大幅度提高清洁能源的利用效率，增加有效供给；采用热‑电耦合、储供一体的复合技术，实现风光高效融合利用，弥补自然资源的不稳定和随机性，自给自足，运行稳定可靠。

Description

一种风光互补直驱耦合式清洁能源供暖系统

技术领域

本发明涉及风能制热相关技术领域，特别涉及一种风光互补直驱耦合式清洁能源供暖系统。

背景技术

与传统能源相比，清洁能源的可再生性和丰富的天然储量极具优势，尤其是在远离中心城市、居住不集中的工业或居住区，传统能源的短缺与太阳能、风能资源的极大丰富形成鲜明对比。国家煤改电政策的大力推行，三北地区“弃风弃光”形势的加剧，不断助力太阳能、风能等清洁能源创新技术研究和创新应用发展突飞猛进，逐渐从传统的风力发电、太阳能发电、风光互补发电等成熟技术向可再生能源供暖供热新技术、新装备研发转变。基于清洁能源的融合互补和多产业联供已经成为现阶段区域能源发展领域关注的重点。

清洁能源供暖供热始于太阳能热水器的利用，根据采暖方式不同可分为主动式太阳能功能系统供暖和被动式太阳能辐射采暖，其中90%以上使用的是平板集热器。伴随太阳能光热技术及产业的发展，一些新型塔式聚光集热器、槽式聚光集热器、碟式聚光集热器陆续出现，但绝大多数也都是以提升光-电转化效率为目标应用于太阳能发电领域，并且受天气、昼夜等自然因素影响很大。

风能作为第二大新型环保清洁能源，由于可挖掘能量大、无污染等特点，在发电和新型环保供暖领域的规模化开发前景和商业化发展潜力不亚于太阳能。但现阶段的风能直驱式采暖供热，本质上都还是风电供暖，采用的是风能—电能—热能间接转换模式，受限于风能与电能之间较低的转化率，其系统能量利用率和热能转化效率最高也只能达到 15%左右，且同等能量输出条件下的系统规模比较庞大，只能用在地域开阔的独立建筑供暖。上世纪末，采用风力搅拌液体或者风力挤压液体的风力致热技术成功探索出风能-机械能-热能直接转换模式，迂回解决了风能-电能低转化效率的问题，系统总的热转化效率可达30%-40%。但迄今为止，也仅限于个别研究者的机理探索和试验装置验证，尚未出现实际的工程应用，尤其是关于一些新型高效风力致热装置的研究，基本处于停滞阶段。

基于太阳能、风能与热能的转换利用基本模式，国内外现阶段风光互补供暖系统的主要集中在风光联合发电供热或者风电光热两种形式，在一定程度上弥补了单一能量来源的不稳定性和随机性。有研究认为，风电光热的供热能力相对较强，但由于其在太阳能集热装置方面主要采用的还是传统平板型集热器和真空管式集热器，热能转化效率低，热损失大，成本高，整个供暖系统对于对光照和风速的要求也高，示范性远大于实用性，很难得到实际推广应用。现阶段国内大部分风光互补型供热系统才用的还是较为成熟的风电联合发电供热技术，也就是将太阳能、风能先经传统技术发电，然后再利用电加热器、电锅炉等电热设施实现供暖供热，其能源利用效率不仅受限于光电、风电转化效率，还与配套电热设施密切相关，清洁能源的综合利用率非常低，匹配容量下的供暖系统建设投资大于终端用户建筑投资，无法满足严寒地区独立式或区域范围内清洁能源的统筹利用与有效供给。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种风光互补直驱耦合式清洁能源供暖系统；实现多品位热能耦合互补的独立式清洁能源供暖系统，不依存其他第三种能源形式，能量转化利用率高、完全独立自主供给、全生命周期零排放，为清洁能源创新利用与消纳开辟了新途径，具有重要的技术价值和工程意义。

为实现上述目的，本发明一种风光互补直驱耦合式清洁能源供暖系统；所述清洁能源供暖系统包括聚光太阳能集热器、风机驱动机械式热泵机组制热装置、耦合蓄热供暖系统、智慧能量管控系统和太阳能辅助供电储能系统；所述聚光太阳能集热器适于吸收太阳能，且其通过管路与耦合蓄热供暖系统连接；所述风机驱动机械式热泵机组制热装置适于风能通过机械能直接转换为热能，且其通过管路与耦合蓄热供暖系统连接；所述耦合蓄热供暖系统适于热量的存储和输出；所述太阳能辅助供电储能系统适于给本清洁能源供暖系统提供电力输出；所述智慧能量管控系统分别与聚光太阳能集热器、风机驱动机械式热泵机组制热装置、耦合蓄热供暖系统和太阳能辅助供电储能系统配合连接。

优选的，所述聚光太阳能集热器包括聚光反射碟盘和集热装置；所述集热装置通过碟盘圆周拉杆固定在聚光反射碟盘的焦点位置，聚光反射碟盘边缘处设置有太阳能辐照测试仪。

优选的，所述聚光反射碟盘包括龙骨框架和扇形背板；所述扇形背板匹配安装在龙骨框架上，在扇形背板上配合安装有反射镜片；所述聚光反射碟盘的镜面通过自动追光机构对准太阳入射角度，辐射到碟盘上的太阳光通过镜片的反射作用聚集到焦点处的集热装置内部。

优选的，所述集热装置是立方体结构，在朝向聚光反射碟盘的一面设置有圆孔，在圆孔内布置喇叭型金属盘管；在圆孔的孔口设置盘管进出并向下方延伸至耦合蓄热供暖系统；由聚光反射碟盘反射过来的太阳光通过圆孔聚焦进入集热装置内部，焦点处太阳光转化为热能并加热盘管中的导热介质，进而热量传输至耦合蓄热供暖系统中实现热量输出和利用。

优选的，所述耦合蓄热供暖系统包括储热供水箱和冷热耦合罐；所述储热供水箱与集热装置配合连接，所述风机驱动机械式热泵机组制热装置通过冷热耦合罐与用户供热网连接。

优选的，所述风机驱动机械式热泵机组制热装置包括风力驱动装置和机械式热泵机组，风力驱动装置与机械式热泵机组匹配连接，且机械式热泵机组与冷热耦合罐配合连接。

优选的，所述机械式热泵机组为分级控制的单机准二级压缩结构形式，包括压缩机、蒸发器和冷凝器；所述压缩机和蒸发器为安装在室外机，适用于制冷工质与外界的热交换，冷凝器安装在室内机，适用于制冷工质与循环水的热交换。

优选的，所述智慧能量管控系统由一级控制系统和二级控制系统组成，一级控制系统为能量调控系统，适于对二级控制系统进行调控；所述二级控制系统包括：聚光器控制系统、风机驱动机械式热泵机组制热装置、监控系统和报警系统，二级控制系统适于对各自的控制单元进行调控；所述监控系统适于对辐照强度、风速、环境温度、工质温度、管道压力和管道流量参数进行监控。

优选的，所述太阳能辅助供电储能系统包括太阳能光伏阵列和电池储能装置；所述太阳能光伏阵列与电池储能装置配合连接。

有益效果：

本发明技术方案，采用的太阳能-热能、风能-热能直接转换技术，极具创新优势，可以大幅度提高清洁能源的利用效率，增加有效供给，供暖制热效果远超现阶段常见的清洁能源-电能-热能转换技术，太阳能集热效率可达86%以上，风能制热效率可达60%以上；采用热-电耦合、储供一体的复合技术，实现风光高效融合利用，弥补自然资源的不稳定和随机性，自给自足，运行稳定可靠，有效减少燃煤污染，在节能减排、清洁能源创新消纳、区域能源综合利用等领域具有广泛地推广应用价值；采用多品位耦合蓄热供暖系统，储热水箱、冷热耦合罐、循环管组成双层网格化冷热交换，可以充分统筹闭合管网内的所有热量，协调高、低品位热能之间的互补促进，实现系统最大热能循环利用，在不依存于任何第三种能源的前提下，满足完全独立的分布式清洁能源供暖和供热水需求。是一种有效解决“边海偏无”区域用电取暖困难的可靠技术途径，也是在一般发电上网基础上进一步扩大清洁能源消纳，实现智慧能源与公共管网之间的互联互通，促进社会能源结构优化调整的创新方向。本发明所用硬件模块均为现有技术，是市场常见模块，降低硬件开发成本。

附图说明

图1为本发明中清洁能源供暖系统总体架构布局图：

图2为本发明中清洁能源供暖系统工作原理图：

图3为本发明中聚光太阳能集热器结构示意图：

图4为本发明中风机驱动机械式热泵机组制热装置结构示意图；

图5为本发明中智慧能量管控系统功能示意图。

图中1-风力驱动装置，2-机械式热泵机组，3-聚光太阳能集热器，4-蓄热供水箱，5-光伏阵列，6-储能电池柜，7-智慧能量管控系统，8-系统供热终端建筑，9-冷热耦合罐,10-聚光反射碟盘，11-集热装置，12-风力机叶轮，13-机头组件，14-塔筒，15-传动系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

如图所示，

一种风光互补直驱耦合式清洁能源供暖系统；主要包括聚光太阳能集热器3和风机驱动机械式热泵机组制热装置，能够完成风能-机械能-热能和太阳能-热能的直接转换。所产生的热量大部分汇集到蓄热供暖水箱4中，作为中转热交换和储存备用。通过科学合理的能量均衡与统筹优化，从能源输入侧达到太阳能与风能的能量互补，从能量输出侧完成太阳能所产生高温高品位热能与风能所产生的低温低品位热能有效耦合和高效供给。最终在于不依存其他任何第三种能源形式的前提下，实现用户终端完全独立、自给自足的清洁能源供热供暖，聚光太阳能集热器碟盘面积、风力制热装置风力机与热泵机组功率根据用户实际用热需求定制设计。

聚光太阳能集热器3包括自动追光机构、聚光反射碟盘、集热装置、立柱、控制系统和水泵管路，集热装置通过碟盘圆周拉杆固定在聚光反射碟盘的焦点位置，聚光反射碟盘边缘处装有太阳能辐照测试仪。具有聚光集热、自动跟踪、定时开关机和大风保护等功能。在设定的启动时间启动后，利用光控+时控+GPS的跟踪控制技术，以及闭环、开环混合的双轴跟踪控制结构，使聚光太阳能集热器3的圆形聚光反射碟盘10始终对向太阳入射角。集热装置11是立方体结构，朝向聚光反射碟盘的一面开有直径20cm左右的圆孔。在阳光充足时，通过其自身的圆形凹镜面和焦点处的集热装置11，将太阳能产生的高温高品质热能搜集交换到传热介质中，再通过管路将热能输送传递到多品位耦合蓄热供水箱4中。聚光太阳能集热器3上安装有太阳能辐照仪和风速风向仪，可以随时根据太阳光入射角度以及风速情况调价而自身俯仰、旋转，确保最佳光学工作效率，并在极端恶劣条件下自动避风保护。

风力驱动装置1和机械式热泵机组2共同组成图4的风机驱动机械式热泵机组制热装置，用于将风能转换为热能。风力驱动装置1包括风力机叶轮12、齿轮箱、传动轴、变速装置、上下转向机构，上转向机构与齿轮箱连接，下转向机构与热泵机组联轴器连接。风力驱动装置1在风动能作用下，通过风力机叶轮12的转动捕捉风能并转化为机械能，然后通过机头组件13和塔筒14内部自上而下的传动系统15将机械能传送至热泵机组2的压缩机主轴，传动系统15包括齿轮箱、传动轴、变速装置和上下转向机构，进而驱动压缩机循环往复工作产生热能。风机驱动机械式热泵机组制热装置接受启动指令后，可以自动检测实时风速和迎风角度，调整姿态偏航，确保风机叶轮最佳迎风状态，风轮转速达到设定启动转速后，底部电磁离合接入，带动机械式热泵机组12工作致热。机械式热泵机组2包括压缩机、蒸发器、冷凝器、干燥过滤器、气液分离器、膨胀阀和过冷器；所述压缩机和蒸发器为安装在室外机，适用于制冷工质与外界的热交换，冷凝器安装在室内机，适用于制冷工质与循环水的热交换。所述压缩机、蒸发器、冷凝器、干燥过滤器、气液分离器、膨胀阀和过冷器均为现有技术设备，通过现有技术实现安装设置。

聚光太阳能集热器3产生的高温高品位热能直接进入多品位耦合蓄热供水箱4，作为本发明系统的主要储备热能，风机驱动机械式热泵机组制热装置产生的低温低品位热能则通过冷热耦合罐9直接接入用户终端供热管网。用户终端供热管网循环热水优先使用风机驱动机械式热泵机组制热装置产生的热量进行供给和补给，当风机驱动机械式热泵机组制热装置产生的热能无法满足用户终端供暖需求时，本发明系统的智慧能量管控系统7会监控识别并控制打开蓄热供水箱4与用户终端之间的阀门，调用蓄热供水箱4中的热能，与风力制热产生的热能形成耦合互补，协同工作，确保用户终端始终保持稳定供热供暖。当智慧能量管控系统7监控到风力制热的装置产生的热能，重新达到用户终端使用需求时，智慧能量管控系统7则关闭蓄热供水箱4与用户终端之间的阀门，储存保留足够热能。从而实现恶劣天气或无风无光条件下，本发明系统仍然维持终端系统供热终端建筑8一定时间的供暖供热。

耦合蓄热供暖系统包括储热供水箱、冷热耦合罐、循环泵、循环管路；用于将系统产生的热量输入至用户端，实现稳定供热。储热供水箱与集热装置配合连接，风机驱动机械式热泵机组制热装置通过冷热耦合罐与用户供热网连接。

太阳能供电系统包括太阳能光伏阵列5和储能电池柜6，光伏控制器、离网式光伏逆变器和光伏支架通过现有技术设置，在太阳光照射下将太阳能转换成电能输出，一部分用于负载正常工作的需要，一部分用于给蓄电池充电，能量输出为两个方向的单向流动，为本发明系统提供日常用电以及一定时间内连续无光照条件下的稳定可靠运行。太阳能光伏阵列5中太阳能电池板组件的数量与连接方式、蓄电池容量与组簇结构等，与本发明系统在不同工况条件下的用电需求相互匹配。太阳能辅助供电储能系统根据系统中能量的流向分为“双负载”、“双电源”和“蓄电池放电”三种工作模式。“双负载模式”：太阳能电池板作为电源，一方面满足系统用电，另一方面多余的电量储存在蓄电池中，蓄电池和系统均可视为“负载”。“双电源模式”：太阳能电池板输出量小于系统用电时，蓄电池切换至放电状态，与太阳能电池板共同为系统供电，相当于“双电源”供能。“蓄电池放电模式”：太阳能电池板极端情况无法输出，系统供电完全由蓄电池放电提供。太阳能光伏阵列5分别与风力驱动装置1、机械式热泵机组2和聚光太阳能集热器3连接，能够直接向风力驱动装置1、机械式热泵机组2和聚光太阳能集热器3供电。

图5是智慧能量管控系统7功能架构，采用以PLC模块为核心，通过接收控制面板的输入指令和传感器的采集信号，对相应的执行机构进行驱动控制。主要由两级控制组成，一级控制系统为能量调控系统，负责对二级控制系统进行调控，分为自动控制和手动控制两种模式；二级控制系统则包括聚光器控制系统、风机驱动机械式热泵机组制热装置、太阳能辅助供电储能系统、多功能一体化蓄热换热装置、监控系统和报警系统，负责对各自的控制单元进行调控。聚光器控制系统用于对聚光反射碟盘和循环泵的控制。风机驱动机械式热泵机组制热装置系统用于对风力驱动装置1和机械式热泵机组2的控制。太阳能辅助供电储能系统用于对太阳能电池组件和电池储能装置的控制。多功能一体化蓄热换热装置包括耦合蓄热供暖系统，用于对循环泵和温控系统的控制。所述监控系统适于对辐照强度、风速、环境温度、工质温度、管道压力和管道流量的参数进行监控。报警系统控制包括聚光器报警、热泵控制系统报警、太阳能辅助供电储能系统报警、储热换热系统报警和监控系统报警；储热换热系统报警包括耦合蓄热供暖系统。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明技术方案而非限制，参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种风光互补直驱耦合式清洁能源供暖系统；其特征在于：所述清洁能源供暖系统包括聚光太阳能集热器、风机驱动机械式热泵机组制热装置、耦合蓄热供暖系统、智慧能量管控系统和太阳能辅助供电储能系统；所述聚光太阳能集热器适于吸收太阳能，且其通过管路与耦合蓄热供暖系统连接；所述风机驱动机械式热泵机组制热装置适于风能通过机械能直接转换为热能，且其通过管路与耦合蓄热供暖系统连接；所述耦合蓄热供暖系统适于热量的存储和输出；所述太阳能辅助供电储能系统适于给本清洁能源供暖系统提供电力输出；所述智慧能量管控系统分别与聚光太阳能集热器、风机驱动机械式热泵机组制热装置、耦合蓄热供暖系统和太阳能辅助供电储能系统配合连接。

2.根据权利要求1所述清洁能源供暖系统；其特征在于：所述聚光太阳能集热器包括聚光反射碟盘和集热装置；所述集热装置通过碟盘圆周拉杆固定在聚光反射碟盘的焦点位置，聚光反射碟盘边缘处设置有太阳能辐照测试仪。

3.根据权利要求2所述清洁能源供暖系统；其特征在于：所述聚光反射碟盘包括龙骨框架和扇形背板；所述扇形背板匹配安装在龙骨框架上，在扇形背板上配合安装有反射镜片；所述聚光反射碟盘的镜面通过自动追光机构对准太阳入射角度，辐射到碟盘上的太阳光通过镜片的反射作用聚集到焦点处的集热装置内部。

4.根据权利要求3所述清洁能源供暖系统；其特征在于：所述集热装置是立方体结构，在朝向聚光反射碟盘的一面设置有圆孔，在圆孔内布置喇叭型金属盘管；在圆孔的孔口设置盘管进出并向下方延伸至耦合蓄热供暖系统；由聚光反射碟盘反射过来的太阳光通过圆孔聚焦进入集热装置内部，焦点处太阳光转化为热能并加热盘管中的导热介质，进而热量传输至耦合蓄热供暖系统中实现热量输出和利用。

5.根据权利要求4所述清洁能源供暖系统；其特征在于：所述耦合蓄热供暖系统包括储热供水箱和冷热耦合罐；所述储热供水箱与集热装置配合连接，所述风机驱动机械式热泵机组制热装置通过冷热耦合罐与用户供热网连接。

6.根据权利要求5所述清洁能源供暖系统；其特征在于：所述风机驱动机械式热泵机组制热装置包括风力驱动装置和机械式热泵机组，风力驱动装置与机械式热泵机组匹配连接，且机械式热泵机组与冷热耦合罐配合连接。

7.根据权利要求6所述清洁能源供暖系统；其特征在于：所述机械式热泵机组为分级控制的单机准二级压缩结构形式，包括压缩机、蒸发器和冷凝器；所述压缩机和蒸发器为安装在室外机，适用于制冷工质与外界的热交换，冷凝器安装在室内机，适用于制冷工质与循环水的热交换。

8.根据权利要求2所述清洁能源供暖系统；其特征在于：所述智慧能量管控系统由一级控制系统和二级控制系统组成，一级控制系统为能量调控系统，适于对二级控制系统进行调控；所述二级控制系统包括：聚光器控制系统、风机驱动机械式热泵机组制热装置、监控系统和报警系统，二级控制系统适于对各自的控制单元进行调控；所述监控系统适于对辐照强度、风速、环境温度、工质温度、管道压力和管道流量参数进行监控。

9.根据权利要求1所述清洁能源供暖系统；其特征在于：所述太阳能辅助供电储能系统包括太阳能光伏阵列和电池储能装置；所述太阳能光伏阵列与电池储能装置配合连接。