高聚光光伏-市电联驱的光伏光热一体化双源热泵能源系统及其运行方法技术方案

本发明专利技术提供一种高聚光光伏‑市电联驱的光伏光热一体化空气源‑水源双源热泵能源系统，将传统高聚光光伏模组的余热收集以制取生活热水或供给双源热泵。供热模式下：阳光充足时，聚光光伏直流电直接驱动热泵的压缩机，从空气中取热，使热泵进行产热循环，与高聚光光伏的集热系统并行制备热水；阳光不充足时，集热系统产生的低温水流经制冷剂‑水板式换热器，与风冷换热器一起作为热泵的双源蒸发器，使其运作产热；阴雨或夜间等不能发电的条件下，热泵系统由市电驱动。制冷模式下，热泵以反向运作，向用户输送冷量，并由集热系统为用户输送热水。本发明专利技术综合高效利用太阳能，且运行稳定、不受日照等天气影响，节能环保，具有明显的经济优势。

Photovoltaic solar thermal integrated dual source heat pump energy system and its operation method

【技术实现步骤摘要】
高聚光光伏-市电联驱的光伏光热一体化双源热泵能源系统及其运行方法
本专利技术涉及一种高聚光光伏-市电联驱的光伏光热一体化空气源-水源双源热泵能源系统及其运行方法。
技术介绍
传统的光伏模组使用晶硅电池，光电转化效率低，且因太阳能本身能量密度低，单位面积模组的输出功率也低。高聚光光伏模组使用菲涅尔透镜，配合追踪系统，将汇聚后的太阳光照射到高转化效率的多结砷化镓光伏电池上发电。经汇聚的太阳光能量密度很大，因此电池芯片发热严重，严重降低了其光电转化效率。可利用换热器将这部分热量加以利用。现有的太阳能热水器大多采用真空管或平板型集热器，不仅产热量不足，且会因日照情况引发间歇性产热等缺点，无法保证用户的正常热水需求。
技术实现思路
经过深入研究，发现现有的光伏光热与热泵技术存在如下问题：热泵实质上是一种消耗一部分高位能为补偿，通过热力循环，将环境介质中贮存的不能直接利用的低位能转换为可以利用的高位能的能量提升装置。由于采用了热泵技术，热泵热水器的产热与耗电比可达3-4。目前热泵热水器与太阳能综合利用的方式主要为太阳能光伏驱动热泵和太阳能辅助热泵。太阳能光伏驱动热泵方面，常见的方式是将太阳能光伏直流电通过逆变转化为交流电再加以利用，或者采用大量蓄电池，但是逆变器和蓄电池价格较高，且电源变换环节过多，给这种系统的技术性能和经济性、环保性都带来了不利的影响；采用光伏直驱技术的太阳能热泵系统，如太阳能光伏-市电混合驱动蓄冷蓄热型热泵机组(中国专利申请200910076400.X)，无蓄电池的太阳能光伏热泵热水器(中国专利申请201310642574.4)，并未考虑充分利用太阳能全波段能量，回收光伏电池余热的问题。太阳能辅助热泵方面，通常采用太阳能集热器作为收集太阳能热量的来源，也未考虑太阳能全波段电、热同时利用的问题。因控制技术复杂性等原因，已有的HCPV/T系统中，均未考虑光伏所发直流电直接驱动热泵的高效结合模式。本专利技术的主要目的在于提供一种高聚光光伏-市电联驱的光伏光热一体化空气源-水源双源热泵能源系统，其综合高效利用太阳光电、光热能量，由光伏产电和市电联合驱动，可在冬季产热，夏天制冷和产热。本专利技术的目的可通过以下技术方案实现。本专利技术的高聚光光伏-市电联驱的光伏光热一体化空气源-水源双源热泵能源系统，包括：高聚光光伏-光热子系统；高聚光光伏-市电联驱的双源热泵子系统；生活供热-冷水子系统。根据本专利技术的一个实例，所述的高聚光光伏-光热子系统包括：高聚光光伏模组；高聚光光伏电池组件，用于发电；多孔铝合金扁管，用于为高聚光光伏电池组件散热；位于高聚光光伏模组两侧的圆形分流管与汇流管；储液罐，用于暂时存储热水。优选地，在所述的高聚光光伏-光热子系统中设置有第一和第二测温装置，用于确定第一直列泵与追踪系统的运行情况；第三测温装置，用于判断储水箱中的水流向所述的保温蓄能水箱或是作为热泵的换热器之一的第一制冷剂-水板式换热器；第一闸阀和第一水源，用于向储水箱中补水。根据本专利技术的一个实例，所述的高聚光光伏-市电联驱的双源热泵子系统包括：交流变频压缩机；四通换向阀；电子膨胀阀，用于对制冷剂节流；第一制冷剂-水板式换热器及其阀门附件，作为热泵换热器之一，用于与所述储水箱流出的热水换热；风冷换热器及其阀门附件，作为热泵换热器之一，用于与环境中的空气进行换热；第二制冷剂-水板式换热器，作为热泵换热器之一，用于与所述的保温蓄能水箱里的水换热。优选地，所述的第一制冷剂-水板式换热器及其阀门附件还包括，第三闸阀、第四闸阀与第五闸阀，用于使制冷剂流经所述的第一制冷剂-水板式换热器与储水箱中流出的热水换热；第六闸阀与第七闸阀，用于使制冷剂流经所述的风冷换热器，与环境中的空气进行换热。根据本专利技术的一个实例，所述的生活供热-冷水子系统包括：保温蓄能水箱，用于储存经热泵加热的热水；第二直列泵，使热水可在所述高聚光光伏-市电联驱的双源热泵子系统中的第二制冷剂-水板式换热器与保温蓄能水箱之间循环；第三直列泵，用于使在所述的储水箱与保温蓄能水箱之间形成水路流通；第八闸阀，用于控制上述水路通断；第九闸阀与第二水源，用于向保温蓄能水箱中加水；第十闸阀，用于取用热水；第十一闸阀，用于冬季使储液罐中的水流入保温储蓄能水箱；第一单向阀(31)，用于防止热水回流；第十二闸阀，用于夏季取用储液罐中的热水。本专利技术的有益效果主要体现在：本专利技术的高聚光光伏-市电联驱的光伏光热一体化空气源-水源双源热泵能源系统，系统的核心组成部分高聚光光伏-市电联驱的双源热泵子系统既可以在阳光充足时，使光伏组件产生的直流电驱动直流调速压缩机，使热泵系统从空气源和水源的双源取热，将产生的热水储存于保温蓄能水箱中；在阴雨或夜间，将市电经交流电源整流器变直流电后驱动压缩机，使热泵从空气源中取热。这样的切换模式弥补了太阳能间歇性和不稳定性的缺点。本专利技术的高聚光光伏-市电联驱的光伏光热一体化空气源-水源双源热泵能源系统中，高聚光光伏-光热模组采用多孔铝合金扁管冷却方式进行冷却与集热，通过冷却不仅可以提高光伏电池的发电效率，还可以获得额外热量，这部分热量可以用于直接制取生活热水或是提供给双源热泵产热，起到一举两得的作用，实现太阳能高效利用。与其他形式的换热器相比，多孔铝合金扁管具有质轻、传热性能更好的优点。因此，光伏光热一体化组件既可以起到光电转化的作用，也可以起到光热转化的作用，在同时需要光电和光热的系统中，能够一定程度起到替代传统光热集热器的作用，这样可以减少太阳能系统占地面积，亦可降低初投资。本专利技术的高聚光光伏-市电联驱的光伏光热一体化空气源-水源双源热泵能源系统，相比于已有的HCPV/T系统，采用了模组所发直流电直接驱动热泵压缩机产热/制冷，辅以市电，充分利用了太阳能且不受太阳能变化的影响；相比于已有的PV/T型太阳能热泵系统，因以高聚光光伏系统替代传统的光伏系统，电池的发电效率提升较多，光电转化率大大升高，从而使整个系统的产热效率大大提升。最重要的是，冬季热泵进行产热循环，为用户供暖或提供热水；夏季热泵进行制冷循环，冷量储存在保温蓄能水箱中，供给用户空调用于制冷，储水箱中的热水为用户提供生活热水，保证该系统一年四季的实用性。根据本专利技术的一个方面，提供了一种高聚光光伏-市电联驱的光伏光热一体化空气源-水源双源热泵能源系统，其特征在于包括：高聚光光伏-光热子系统；高聚光光伏-市电联驱的双源热泵子系统；生活供热-冷水子系统。根据本专利技术的一个进一步的方面，所述高聚光光伏-光热子系统包括：固定在地面上的高聚光光伏模组，封装在高聚光光伏模组内、用于发电的高聚光光伏电池组件，设置在高聚光光伏电池组件下表面、封装在高聚光光伏模组内的多孔铝合金扁管，位于高聚光光伏模组两侧的圆形分流管与汇流管，用于暂时储存热水的储液罐，分别用于测量流进与流出多孔铝合金扁管的水温的第一测温装置与第二测温装置。根据本专利技术的一个进一步的方面，所述高聚光光伏-市电联驱的双源热泵子系统包本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高聚光光伏-市电联驱的光伏光热一体化空气源-水源双源热泵能源系统，其特征在于包括：/n高聚光光伏-光热子系统(A)；/n高聚光光伏-市电联驱的双源热泵子系统(B)；/n生活供热-冷水子系统(C)，/n其中：/n所述的高聚光光伏-光热子系统(A)进一步包括：/n固定在地面上的高聚光光伏模组(1)，/n封装在高聚光光伏模组(1)内、用于发电的高聚光光伏电池组件(34)，/n设置在高聚光光伏电池组件(34)下表面、封装在高聚光光伏模组(1)内的多孔铝合金扁管(2)，/n位于高聚光光伏模组(1)两侧的分流管(3a)与汇流管(3b)，/n用于暂时储存热水的储液罐(4)，/n所述双源热泵子系统(B)进一步包括：/n作为热泵换热器之一、用于吸收空气源热量的风冷换热器(12)，/n作为热泵换热器之一、用于吸收储液罐(4)中热水热量的第一制冷剂-水板式换热器(13)，/n用于为双源热泵子系统(B)提供动力的直流调速压缩机(14)，/n用于切换双源热泵子系统(B)夏季制冷与冬季制热模式的四通换向阀(15)，/n作为热泵换热器、用于将热量传递给生活供热-冷水子系统(C)的第二制冷剂-水板式换热器(16)，/n用于对制冷剂节流的电子膨胀阀(17)，/n用于将市电整流为直流调速压缩机(14)可用直流电的交流电源整流器(33)。/n...

【技术特征摘要】
1.一种高聚光光伏-市电联驱的光伏光热一体化空气源-水源双源热泵能源系统，其特征在于包括：
高聚光光伏-光热子系统(A)；
高聚光光伏-市电联驱的双源热泵子系统(B)；
生活供热-冷水子系统(C)，
其中：
所述的高聚光光伏-光热子系统(A)进一步包括：
固定在地面上的高聚光光伏模组(1)，
封装在高聚光光伏模组(1)内、用于发电的高聚光光伏电池组件(34)，
设置在高聚光光伏电池组件(34)下表面、封装在高聚光光伏模组(1)内的多孔铝合金扁管(2)，
位于高聚光光伏模组(1)两侧的分流管(3a)与汇流管(3b)，
用于暂时储存热水的储液罐(4)，
所述双源热泵子系统(B)进一步包括：
作为热泵换热器之一、用于吸收空气源热量的风冷换热器(12)，
作为热泵换热器之一、用于吸收储液罐(4)中热水热量的第一制冷剂-水板式换热器(13)，
用于为双源热泵子系统(B)提供动力的直流调速压缩机(14)，
用于切换双源热泵子系统(B)夏季制冷与冬季制热模式的四通换向阀(15)，
作为热泵换热器、用于将热量传递给生活供热-冷水子系统(C)的第二制冷剂-水板式换热器(16)，
用于对制冷剂节流的电子膨胀阀(17)，
用于将市电整流为直流调速压缩机(14)可用直流电的交流电源整流器(33)。


2.根据权利要求1所述的高聚光光伏-市电联驱的光伏光热一体化空气源-水源双源热泵能源系统，其特征在于：
所述的多孔铝合金扁管(2)平行于地面放置，
多个高聚光光伏电池组件(34)附于多孔铝合金扁管(2)上，高聚光光伏模组(1)中不同水平高度的多孔铝合金扁管(2)插入分流管(3a)与汇流管(3b)中，
多孔铝合金扁管(2)与高聚光光伏模组(1)非直接接触，以提高高聚光光伏模组(1)背面的散热热阻，
分流管(3a)的入口及汇流管(3b)的出口位于高聚光光伏模组(1)的中间部分，
所述的高聚光光伏-光热子系统(A)进一步包括分别用于测量流进与流出多孔铝合金扁管的水温的第一测温装置(5)与第二测温装置(6)。


3.根据权利要求2所述的高聚光光伏-市电联驱的光伏光热一体化空气源-水源双源热泵能源系统，其特征在于进一步包括：
为所述的储液罐(4)配备的第三测温装置(7)、第一闸阀(8)和第一水源(9)，用于储液罐(4)的补水及测温；
为所述高聚光光伏-光热子系统(A)配备的第二闸阀(10)，用于开启储液罐(4)中热水作为双源热泵的热源之一进行制冷的模式；第一直列泵(11)，用于驱动高聚光光伏-光热子系统(A)的循环。


4.根据权利要求2所述的高聚光光伏-市电联驱的光伏光热一体化空气源-水源双源热泵能源系统，其特征在于进一步包括：
为所述的风冷换热器(12)配备的第六闸阀(19)与第七闸阀(22)；
为所述的第一制冷剂-水板式换热器(13)配备的第三闸阀(18)、第四闸阀(20)与第五闸阀(21)；
其中，
在光伏直驱空气源热泵模式下，高聚光光伏模组(1)产生的直流电驱动直流调速压缩机(14)，热泵蒸发器中仅风冷蒸发器工作，此时第三闸阀(18)、第四闸阀(20)与第五闸阀(21)关闭，电子膨胀阀(17)、第六闸阀(19)与第七闸阀(22)开启。低温两相制冷剂进入风冷换热器(12)，与外界空气进行换热吸热蒸发，完成蒸气压缩制热循环过程。
在光伏直驱热水源/空气源的双源模式下，高聚光光伏模组(1)产生的直流电驱动直流调速压缩机(14)，热泵的蒸发器同时采用风冷蒸发器和水源蒸发器，此时第五闸阀(21)与第六闸阀(19)关闭，电子膨胀阀(17)、第三闸阀(18)、第四闸阀(20)与第七闸阀(22)开启。低温两相制冷剂先进入第一制冷剂-水板式换热器(13)，与流经多孔铝合金扁管(2)的水换热吸热，再进入风冷换热器(12)，与外界空气进行换热吸热蒸发，完成蒸气压缩制热循环过程。


5.根据权利要求4所述的高聚光光伏-市电联驱的光伏光热一体化空气源-水源双源热泵能源系统，其特征在于：
所述的第五闸阀(21)用于使制冷剂不流经风冷换热器(12)；
所述的第六闸阀(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁卫星，彭瑞，王磊鑫，任柯先，肖汉翔，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11