太阳能热泵热电联产系统技术方案

本发明专利技术公开了一种太阳能热泵热电联产系统，包括带有集热腔的热电联产型光伏电池组件形成的安装阵列、热泵机组并联机群、载热介质储罐、热水储水箱、太阳能循环泵等。安装阵列通过太阳能循环泵与载热介质储罐构成循环回路，将电池组件产生的热量送到载热介质储罐中。热泵机组以载热介质储罐为低温热源生产生活热水，并存储于水箱中供用户使用。没有太阳辐射且热水储量少时，热泵机组通过一个风冷蒸发器从空气中吸热生产热水。当水箱满水且达到温度上限后，载热介质储罐中多余的热量通过一个风冷散热器散掉，以保证电池板发电效率。冬季夜间电池组件温度低时，系统对电池组件实施防冻保护。该系统能有效实现太阳能的热电综合利用，提高太阳能热电综合利用率。

Solar heat pump cogeneration system

The invention discloses a solar heat pump cogeneration system, including cogeneration type photovoltaic battery component heat collecting cavity with the formation of the installation of heat pump unit array, parallel group, heat carrying medium storage tank, storage tank, solar hot water circulating pump etc.. The installation array forms a loop through the solar energy circulating pump and the heat carrying medium tank, and the heat generated by the battery component is sent to the heat storage medium tank. The heat pump sets the hot medium storage tank as the low temperature heat source to produce domestic hot water, and is stored in the water tank for users to use. Without solar radiation and little hot water storage, the heat pump unit absorbs heat from the air through an air-cooled evaporator to produce hot water. When the water tank is full of water and reaches the upper temperature limit, the excess heat in the heat storage medium tank is dissipated by an air-cooled radiator to ensure the power generation efficiency of the battery board. When the battery components are low in winter night, the system implements antifreeze protection for the battery components. The system can effectively realize the comprehensive utilization of solar energy and improve the comprehensive utilization ratio of solar energy.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于太阳能利用
，涉及一种利用热电联产型光伏太阳能组件同时生产电能和热能的热电联产装置，具体涉及一种带有热泵装置的太阳能光伏热电联产装置及其优化的工作方法。
技术介绍
太阳能光伏发电技术近年来发展和推广应用都非常迅速，受到世界各国政府和产业界的广泛重视，目前的太阳能光伏发电使用晶体硅电池板，根据其工作原理，在光电转换过程中，由于禁带宽度效应，只有能量大于其半导体材料禁带宽度的部分光子能量能够转化为电能，因此工业生产的晶体硅太阳电池转化效率大约在15%左右，其余的太阳辐射能量则没有被利用，因此太阳能的整体利用率不高。在不能转化成电能的这部分太阳辐射能量中，有相当一部分会转变为热量，导致光伏电池板的温度升高，而光伏电池板的温度升高会导致其电能转换率下降，太阳能辐射的整体利用率进一步降低。为了解决这一问题，出现了将热能和电能分别采集并同时利用的热电联产型光伏电池组件，进而可构成同时生产电能和热能的太阳能热电联产系统。这种热电联产型光伏电池组件常见的结构有图1所示的几种设计方案：1）如图1（a）所示的设计方案是在光伏发电组件101的向光面设置一个由透明玻璃盖板（即透明白玻璃盖板103和分频玻璃104）所构造的夹层（相当于太阳能集热腔102），在夹层内通入纯水或特殊的光线分频介质，依靠该液体层将可以转变成电能以外的其他太阳能频谱截留下来并转变成热能，剩余的可转变成电能的部分达到电池板表面并转变成电能，控制液体层的温度不超过30℃来控制电池板的温度，进而达到保证光伏发电效率的目的。这种方案虽然使光伏发电的效率得以保证，但由于所生产的热能温度太低，没有利用价值，如果提高液体的集热温度，则又降低了光伏发电的效率。此外，该方案使用的液体在冬季夜晚可能出现结冻的问题，从而导致电池板损坏。2）如图1（b）所示的设计方案是在光伏电池组件的背光面设置一个冷却夹套（相当于太阳能集热腔102），在其中通入冷却液来控制电池板的温升。相比于图1（a）所示的设计方案，此方案对冷却液的品质要求不高，还可使用防冻液防止冬季夜间电池板冻坏；同时，冷却夹套可以用低成本的材料和结构实现。由于热量要通过电池板传给集热腔内的冷却液，所以该方案所产生的液体温升更小，所采集的热量更加难以被利用。同时，由于电池板基材的导热性差，所以电池板的温度高于图1（a）所示的设计方案，这不利于提高光伏发电的效率。3）如图1（c）所示的设计方案是将图1（a）和图1（b）所示的设计方案结合起来，在电池组件的向光面和背光面同时设置太阳能集热腔102和冷却夹套（另一太阳能集热腔102），这种方案一般在两个夹套中通入同一种介质，即图1（a）所示的方案所述的纯水或特殊的光线分频介质。这一方案理论上讲更有利于降低电池板温度而保证发电效率，但仍然没有解决输出热能品位太低，难以被利用的问题。4）如图1（d）和（e）所示的设计方案是采用聚光元件105将更多的太阳能聚集并投射到光伏发电组件101的受光面上，从而利用较小的电池板面积产生更多的电能，由于聚光元件105的成本低于晶体硅电池板的成本，因此聚光光伏发电方案有一定的成本构成优势。聚光光伏发电方案中，单位面积电池板表面所接受的太阳能为自然光照的数倍，因此其温升会更高，导致发电效率下降。因此，这种聚光光伏发电装置一般是热电联产的，集热方式与前三种方案相同。与前三种方案一样，为了保证光伏电池板处于高发电效率的温度区间，这种方案所产生的热能仍然因为温度太低而难以被利用。因此，基于上述几种热电联产型光伏电池组件所构造的太阳能光伏热电联产系统，最大的问题是其所生产的热能温度太低，难以被利用；而提高产热温度则又会降低光伏发电的效率，违背了这种系统的构造初衷。同时，这种系统还存在冬季夜间结冻损坏的危险。本专利技术因此而来。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种带有热泵装置的太阳能光伏热电联产系统，能够使太阳能光伏热电联产系统的光伏电池组件稳持在较低的工作温度，保证较高的光电转换效率，同时又能使系统的产热温度提升到50℃以上，使所产热能具有利用价值。为了解决现有技术中的这些问题，本专利技术提供的技术方案是：一种太阳能热泵热电联产系统，包括热电联产型光伏电池组件阵列、载热介质储罐、太阳能循环泵，载热介质储罐上的第一循环出液口、太阳能循环泵、电池组件阵列、载热介质储罐上的第一循环回液口通过管道依次连接，其特征在于：所述系统中设有热泵机组并联机群和热水储水箱，所述热泵机组并联机群的第一进口通过储罐循环泵与载热介质储罐上的第二循环出液口相连、热泵机组并联机群的第一出口与载热介质储罐上的第二循环回液口相连、热泵机组并联机群的第二进口通过机组循环泵与所述热水储水箱上的循环出水口相连、热泵机组并联机群的第三进口与自来水管道相连、热泵机组并联机群的第二出口与所述水箱的循环回水口相连。优选的，所述热电联产型光伏电池组件阵列中，沿载热介质流向末端电池组件的集热腔出口端设有集热腔温度传感器，所述载热介质储罐内设有储罐温度传感器，所述水箱内设有水箱水温传感器和水箱水位传感器，所述各传感器与系统集中控制器件连接。优选的，所述热泵机组包括机组电动三通阀、四通换向阀、压缩机、冷凝器、冷媒膨胀元件、风冷蒸发器、液冷蒸发器；四通换向阀的第一接口与压缩机的出口相连、四通换向阀的第二接口与机组电动三通阀的出口相连、四通换向阀的第三接口与压缩机的进口相连、四通换向阀的第四接口与冷凝器的冷媒侧进口相连；冷凝器的冷媒侧出口与冷媒膨胀元件的进口相连，冷媒膨胀元件的出口同时与液冷蒸发器的冷媒侧进口及风冷蒸发器的冷媒侧进口相连，液冷蒸发器及风冷蒸发器的冷媒侧出口、分别与机组电动三通阀的第一进口和第二进口相连；冷凝器的水侧进口同时与机组第二进口和第三进口相连，机组第二进口对应的支路上设有一段小口径节流管及与其串联的单向阀，所述节流管与单向阀串联体的两端跨接有第一电磁阀；机组第三进口对应的支路上设有第二电磁阀，第二电磁阀与冷凝器之间设有水流量调节阀；冷凝器的水侧出口与机组第二出口相连，液冷蒸发器的热源侧介质进口与机组第一进口相连，液冷蒸发器的热源侧介质出口与机组第一出口相连；冷凝器的水侧出口处设有热泵出水温度传感器，风冷蒸发器上设有除霜传感器，所述各传感器与热泵机组内置控制器相连；所述热泵机组内的电动三通阀、四通换向阀、压缩机、第一电磁阀、第二电磁阀、水流量调节阀、风机受控于所述机组内置控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太阳能热泵热电联产系统，包括热电联产型光伏电池组件形成的安装阵列（1）、载热介质储罐（3）、太阳能循环泵（11），载热介质储罐（3）上的第一循环出液口（3a）、太阳能循环泵（11）、电池组件阵列（1）、载热介质储罐（3）上的第一循环回液口（3b）通过管道依次连接，其特征在于：系统中还设有热泵机组并联机群（4）和热水储水箱（5），所述热泵机组并联机群（4）的第一进口（4a）通过储罐循环泵（9）与载热介质储罐（3）上的第二循环出液口（3d）相连、第一出口（4b）与载热介质储罐（3）上的第二循环回液口（3c）相连、第二进口（4d）通过机组循环泵（8）与所述水箱（5）上的循环出水口（5a）相连、第三进口（4e）与自来水管道相连、第二出口（4c）与所述水箱（5）上的循环回水口（5b）相连。

【技术特征摘要】
1.一种太阳能热泵热电联产系统，包括热电联产型光伏电池组件形成
的安装阵列（1）、载热介质储罐（3）、太阳能循环泵（11），载热介质储罐
（3）上的第一循环出液口（3a）、太阳能循环泵（11）、电池组件阵列（1）、
载热介质储罐（3）上的第一循环回液口（3b）通过管道依次连接，其特征
在于：系统中还设有热泵机组并联机群（4）和热水储水箱（5），所述热泵
机组并联机群（4）的第一进口（4a）通过储罐循环泵（9）与载热介质储罐
（3）上的第二循环出液口（3d）相连、第一出口（4b）与载热介质储罐（3）
上的第二循环回液口（3c）相连、第二进口（4d）通过机组循环泵（8）与
所述水箱（5）上的循环出水口（5a）相连、第三进口（4e）与自来水管道
相连、第二出口（4c）与所述水箱（5）上的循环回水口（5b）相连。
2.根据权利要求1所述的太阳能热泵热电联产系统，其特征在于：所
述光伏电池组件阵列（1）中，沿载热介质流向末端电池组件的太阳能集热
腔（102）出口端设有集热腔温度传感器（2），所述载热介质储罐（3）内设
有储罐温度传感器（10），所述水箱（5）内设有水箱水温传感器（6）和水
箱水位传感器（7），所述各传感器与系统集中控制器件连接。
3.根据权利要求1所述的太阳能热泵热电联产系统，其特征在于：所
述热泵机组（4）包括电动三通阀（401）、四通换向阀（402）、压缩机（403）、
冷凝器（404）、冷媒膨胀元件（410）、风冷蒸发器（412）、液冷蒸发器（413）；
四通换向阀（402）的第一接口（402a）与压缩机（403）的出口相连、第二
接口（402b）与电动三通阀（401）的出口（401c）相连、第三接口（402c）
与压缩机（403）的进口相连、第四接口（402d）与冷凝器（404）的冷媒侧
进口（404a）相连；冷凝器（404）的冷媒侧出口（404b）与冷媒膨胀元件
（410）的进口相连，冷媒膨胀元件（410）的出口同时与液冷蒸发器（413）
的冷媒侧进口（413b）及风冷蒸发器（412）的冷媒侧进口（412b）相连，
液冷蒸发器（413）及风冷蒸发器（412）的冷媒侧出口（413a）、（412a）分
别与电动三通阀（401）的第一进口（401a）和第二进口（401b）相连；冷
凝器（404）的水侧进口（404c）同时与机组第二进口（4d）和第三进口（4e）
相连，机组第二进口（4d）对应的支路上设有一段节流管（407）及与节流
管（407）串联的单向阀（406），所述节流管（407）与单向阀（406）串联
体的两端跨接有第一电磁阀（408）；机组第三进口（4e）对应的支路上设有

\t第二电磁阀（409），第二电磁阀（409）与冷凝器（404）之间设有水流量调
节阀（411）；冷凝器（404）的水侧出口（404d）与机组第二出口（4c）相
连，液冷蒸发器（413）的热源侧介质进口（413c）与机组第一进口（4a）
相连，液冷蒸发器（413）的热源侧介质出口（413d）与机组第一出口（4b）
相连；冷凝器（404）的水侧出口（404d）处设有热泵出水温度传感器（405），
风冷蒸发器（412）上设有除霜传感器（414），所述各传感器（405）和（414）
与热泵机组内置控制器相连；所述热泵机组（4）内的电动三通阀（401）、
四通换向阀（402）、压缩机（403）、第一电磁阀（408）、第二电磁阀（409）、
水流量调节阀（411）、风机（415）受控于所述机组内置控制器；所述机组
内置控制器与所述系统集中控制器件之间有电连接及信号连接。
4.根据权利要求1所述的太阳能热泵热电联产系统，其特征在于：所
述热电联产型光伏电池组件（1）的光伏发电部件（101）的向光面和背光面
至少有一处设有太阳能集热腔（102），所述太阳能集热腔（102）设有载热
介质进口（1a）和出口（1b）；设在光伏发电部件（101）向光面的太阳能集
热腔由透明白玻璃盖板（103）和分频玻璃（104）间隔一夹层组成，在太阳
能集热腔（102）内使用透明载热流体。
5.根据权利要求4所述的太阳能热泵热电联产系统，其特征在于：在
所述的热电联产型光伏电池组件（1）还设置有聚光元件（105），所述聚光
元件（105）将光线聚集并均匀投射到所述光伏发电部件（103）的光线接收
表面上。
6.根据权利要求1所述的太阳能热泵热电联产系统，其特征在于：所
述系统中在太阳能循环泵（11）与电池组件阵列（1）入口之间还设置电动
三通阀（12）、风冷散热器（14）及与其配套的散热风机（13），所述电动三
通阀（12）的进口（12c）与所述太阳能循环泵（11）的出口相连，所述电
动三通阀（12）的两个出口（12a）、（12b）与电池组件阵列（1）的进口之
间并列设有连通管和风冷散热器（14）。
7.一种采用权利要求1～6任意一项所述太阳能热泵热电联产系统进行
热电联产的方法，所述太阳能热泵热电联产系统中机组循环泵（8）、储罐循
环泵（9）、太阳能循环泵（11）、电动三通阀（12）、散热风机（13）受控于
所述系统集中控制器件，所述系统集中控制器件与各热泵机组内置控制器之

\t间有电连接及信号连接；其特征在于所述方法包括以下步骤：
步骤（1）、参数设定：
在系统集中控制器件上，按照相应参数的数值限定范围，依次设定如下
参数：热泵产水温度TS=45～60℃，热泵循环温度TR=40～(TS-3)℃，太阳
能集热停止温差Δt2=2～5℃，太阳能集热启动温差Δt1=Δt2+(2～8)℃，电池
防冻启动温度TD=5～8℃，电池防冻停止温度TJ=8～12℃，储罐放热启动
温度TQ=25～40℃，储罐放热停止温度TZ=(TJ+3)～(TQ-5)℃，水箱水位
下限H1=20%～80%、水箱水位上限H2=H1～100%；
步骤（2）、参数测量：
集热腔温度传感器（2）测得太阳能集热腔（103）内的载热介质温度
T1，储罐温度传感器（10）测得载热介质储罐（3）内的载热介质温度T2，
水箱温度传感器（6）测得水箱（5）内的水温T3，水箱水位传感器（7）测
得水箱（5）内的水量H（满水时为100%）；
步骤（3）、电池组件发电：
有光照的情况下，电池组件阵列（1）产生电能并输出；
步骤（4）、电池组件产热：
当T1-T2≥Δt1时，通过系统集中控制器件，依次执行如下动作：控制
电动三通阀（12）的接口（12a）和（12c）接通，启动太阳能循环泵...

【专利技术属性】
技术研发人员：高秀峰，贺国凌，李震，齐宝金，李云，
申请(专利权)人：西安交通大学苏州研究院，
类型：发明
国别省市：江苏;32