一种光伏驱动的太阳能主动循环式热水系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种光伏驱动的太阳能主动循环式热水系统。包括集热器阵列、第一光伏电池组、第一直流循环泵、水箱，所述第一直流循环泵串联集热器阵列的循环进口和水箱的水循环出口之间，集热器阵列的循环出口和水箱的水循环进口连通；第一直流循环泵的输入电源端和第一光伏电池组电连接，且由第一光伏电池组驱动；本实用新型专利技术系统的水力特性与第一直流循环泵匹配后的伏安特性与第一光伏电池组输出的伏安特性相互匹配，匹配后的第一直流循环泵的输出流量随着辐照变化而变化，本实用新型专利技术系统的起动辐照为100～150W/㎡；所需流量更小；系统简单稳定。在实际运行中，天气良好时，采用光伏驱动的直流循环系统，并无运行费用的消耗。

【技术实现步骤摘要】
一种光伏驱动的太阳能主动循环式热水系统
本技术属于太阳能光电光热综合利用领域，具体涉及光伏发电与太阳能热水系统的联合应用领域。
技术介绍
太阳能被视为最具潜力的未来能源，现已成为世界各国争相发展的产业之一。我国开发利用太阳能已有几十年的历史，光热、光电利用技术趋于成熟，且已得到广泛的应用。光热方面，在我国太阳能热水系统已被社会广泛接受，按循环方式分为被动循环系统和主动循环系统。被动循环系统要求存储装置安装高度高于集热器，其不需循环动力，流量与热水器吸收的太阳能成正比，维护甚为简单，已被社会广泛采用。但这种热水器(系统)只适合于独立的小面积使用，而对于大型热水及采暖系统，或者性能要求较高的热水系统，或者水箱安装高度不适宜高于集热器的热水系统等等，一般均需要采用主动循环系统。而且当前大力推广的热水-采暖-热泵制冷一体化系统，其中并入的太阳能热水系统均需采用主动循环方式。当前这种主动循环的热水系统一般采用以下控制方式:当集热器顶端水温高于水箱底部水温5时，控制器开启启动循环泵。这种系统流量恒定，性能容易预测，同样条件下较自然循环系统可获得较高的水温，且较容易与建筑一体化设计与集中管理，用户体验更佳。目前主动循环式系统的循环动力多为市电，根据温差的大小来启动和关闭循环。如此，系统依赖于电网，而且辐照较低时可造成泵的频繁开启与关闭，影响系统寿命。由于系统间歇循环，循环流量始终大于系统所需。采用变频泵取代交流循环泵，理论上可以有很好的节能效果，但根据光照强度调节循环泵转速的技术过于复杂、稳定性差，成本也很高，并不具有广泛的经济型。将太阳光部分转化为电能，作为系统的循环动力，直接驱动直流泵，将是一种很好的解决方案。中国专利ZL200710029601.5、ZL201020277225.9、ZL200710030104.7等都公开了利用太阳能发电然后驱动水泵提水的系统。这些系统在结构上的普遍特点是光伏输出需要MPPT控制器，需要蓄电池和充放电控制器，而且这种系统对于动力的需求及水力特性与辐照并无直接相关性，因而光伏电力仅作为电池的充电电源，其电池组成和输出伏安特性对系统的性能并无直接影响。
技术实现思路
为了实现利用热水循环系统的水力学特性、泵及电机特性、光伏的输出特性之间的耦合关系，使得系统的循环流量随着辐照的强度变化而变化，从而使系统所需的流量更小及电功耗更小、且热效率更高，本技术提供一种光伏驱动的太阳能主动循环式热水系统。具体的技术解决方案如下:—种光伏驱动的太阳能主动循环式热水系统包括一组以上的集热器阵列1、第一光伏电池组2、第一直流循环泵3、水箱4，所述第一直流循环泵3串联在一组以上的集热器阵列I的循环进口和水箱4的水循环出口之间，一组以上的集热器阵列I的循环出口和水箱4的水循环进口连通；第一直流循环泵3的输入电源端和第一光伏电池组2电连接，且由第一光伏电池组2驱动；所述每组集热器阵列I为太阳能平板集热器通过串联组成，两组以上的集热器阵列I通过并联连接；所述第一光伏电池组2为太阳能单晶硅光伏电池组或多晶硅光伏电池组；所述第一直流循环泵3为直流无刷离心式循环泵；所述水箱4为保温水箱；所述太阳能主动循环式热水系统的水力特性与第一直流循环泵3匹配后的伏安特性与第一光伏电池组2输出的伏安特性相互匹配，匹配后的第一直流循环泵3的输出流量随着辐照变化而变化，太阳能主动循环式热水系统的起动辐照为100?150W/ IIf。所述太阳能主动循环式热水系统的辐照为750?850W/ Hl2时，第一直流循环泵3达到最佳流量和扬程。还包括盘管换热器8，所述盘管换热器8位于水箱4内，所述第一直流循环泵3)串联在一组以上的集热器阵列I的循环进口和盘管换热器8的工质出口之间，一组以上的集热器阵列I的循环出口和盘管换热器8的工质进口连通。还包括板式换热器5，所述第一直流循环泵3串联在一组以上的集热器阵列I的循环进口和板式换热器5的工质出口之间，一组以上的集热器阵列I的循环出口和板式换热器5的工质进口连通；板式换热器5的水循环出口连通着水箱4的水循环进口，板式换热器5的水循环进口连通着水箱4的水循环出口之间串联着第二直流循环泵6，第二直流循环泵6和第二光伏电池组7电连接，由第二光伏电池组7驱动；其中一组以上的集热器阵列1、板式换热器5和第一直流循环泵3构成一次系统，即工质循环系统；水箱4、板式换热器5和第二直流循环泵6构成二次系统，即水循环系统；所述第二直流循环泵6为直流无刷离心式循环泵。所述一次系统的设计流量为0.003?0.015L/ (m2 s);所述二次系统的设计流量为 0.008 ?0.05 L/ Cm2 S)。所述第一直流循环泵3和第二直流循环泵6的额定工作电压为3的倍数。本技术结构设计方案的特点具体说明如下:1.集热器阵列和水箱及管路的按现有热水器系统设计施工方法施工；2.根据集热器系统管路的水力学特性匹配相应的直流泵水力特性。对于支路流量设计较为均匀的一次系统，系统的设计流量取在0.003?0.015L/(m2 s)，且在系统条件允许的情况下，尽量采用小的流量值。对于二次系统，设计流量取0.008?0.05 L/(m2 s)之间。此时，系统的循环水力特性基本满足H=RQ~2(其中R值可实测，或由管路组成方案按照现有工程标准计算)，相应的选取的泵的最佳效率点应尽量接近或满足此公式。如图2，系统的阻力特性曲线与泵的特性曲线的交点在泵的最大效率点处；3.系统所选用的直流泵尽量使用无刷直流水泵，且泵体具有较小的启动电流和较宽的工作电压，且额定工作电压最好是3的倍数；4.根据以上原则选定泵体后，需要依据直流泵安装到循环系统上后的整体输入伏安特性曲线匹配相应的第一光伏电池组成。具体原则为，循环泵在辐照为100?150W/ m2时候循环泵启动，开始循环。当集热器平面所得辐照比当地晴好天气下的全天8小时辐照值的平均值略高时(如800 ff/ m2)直流循环泵达到或接近其设计的最佳工况；5.系统所匹配的光伏电池阵列输出应满足(I)使所连接的循环泵在100?150W/m2时开始启动循环，(2)泵体的输入伏安特性曲线与光伏电池在不同辐照下的输出伏安特性曲线的交点尽量在各个曲线的最大输出功率点左端附近，(3)在当地晴好天气下的全天8小时辐照值的平均值略高时(如800 W/m2)达到光伏电池的最佳功率输出。需要注意的是首先要保证启动辐照值不过大。图3为一种典型的直流无刷水泵的连接到循环管路后的伏安特性曲线，图中显示直流无刷泵启动电流远大于其最小工作电流。如图4 (I_PV1000是1000W辐照下光伏电池的输出电流，I_PV500为500W辐照强度下光伏电池的输出电流，以此类推)所示的匹配情况，当辐照超过500W时泵才能启动，且启动后泵的输入电压变化很小，对应的输出流量也仅微弱变化，这就是不良匹配，系统热效率十分低下，甚至全天无明显有效得热。如图5所示，使用电池面积相对于4增加一倍，泵启动后，流量随着辐照强弱变化，但泵仍需要500W的启动辐照，500W以内的辐照能量难以收集，系统全天热性能降低40%以上。如图6所示，此为本技术使用的匹配方式之一，所用电池面积相对于5增加两倍，此时泵能在辐照超过100W后启动，启动本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光伏驱动的太阳能主动循环式热水系统，包括一组以上的集热器阵列(1)、第一光伏电池组(2)、第一直流循环泵(3)、水箱(4)，所述第一直流循环泵(3)串联在一组以上的集热器阵列(1)的循环进口和水箱(4)的水循环出口之间，一组以上的集热器阵列(1)的循环出口和水箱(4)的水循环进口连通；第一直流循环泵(3)的输入电源端和第一光伏电池组(2)电连接，且由第一光伏电池组(2)驱动，其特征在于：所述每组集热器阵列(1)为太阳能平板集热器通过串联组成，两组以上的集热器阵列(1)通过并联连接；所述第一光伏电池组(2)为太阳能单晶硅光伏电池组或多晶硅光伏电池组；所述第一直流循环泵(3)为直流无刷离心式循环泵；所述水箱(4)为保温水箱；所述太阳能主动循环式热水系统的水力特性与第一直流循环泵(3)匹配后的伏安特性与第一光伏电池组(2)输出的伏安特性相互匹配，匹配后的第一直流循环泵(3)的输出流量随着辐照变化而变化，太阳能主动循环式热水系统的起动辐照为100～150W/㎡。

【技术特征摘要】
1.一种光伏驱动的太阳能主动循环式热水系统，包括一组以上的集热器阵列(I)、第一光伏电池组(2)、第一直流循环泵(3)、水箱(4)，所述第一直流循环泵(3)串联在一组以上的集热器阵列(I)的循环进口和水箱(4)的水循环出口之间，一组以上的集热器阵列(I)的循环出口和水箱(4)的水循环进口连通；第一直流循环泵(3)的输入电源端和第一光伏电池组(2)电连接，且由第一光伏电池组(2)驱动，其特征在于:所述每组集热器阵列(I)为太阳能平板集热器通过串联组成，两组以上的集热器阵列(I)通过并联连接；所述第一光伏电池组(2)为太阳能单晶硅光伏电池组或多晶硅光伏电池组；所述第一直流循环泵(3)为直流无刷离心式循环泵；所述水箱(4)为保温水箱；所述太阳能主动循环式热水系统的水力特性与第一直流循环泵(3)匹配后的伏安特性与第一光伏电池组(2)输出的伏安特性相互匹配，匹配后的第一直流循环泵(3)的输出流量随着辐照变化而变化，太阳能主动循环式热水系统的起动辐照为100~150W/ m2。2.根据权利要求1所述的一种光伏驱动的太阳能主动循环式热水系统，其特征在于:所述太阳能主动循环式热水系统的辐照为750~850W/ m2时，第一直流循环泵(3)达到最佳流量和扬程。3.根据权利要求1所述的一种光伏驱动的太阳能主动循环式热水系统，其特征在于:还包括盘管换热器(8)，所述盘管换热器(8)位于水箱(4)内，所述第一直流循环泵(3)串...

【专利技术属性】
技术研发人员：季杰，王艳秋，袁伟琪，孙炜，郭超，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：新型
国别省市：安徽;34