CN103851798B - 一种光伏驱动的太阳能主动循环式热水*** - Google Patents

一种光伏驱动的太阳能主动循环式热水*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光伏驱动的太阳能主动循环式热水***。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；本发明***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，本发明***的起动辐照为100～150W/㎡。本发明***所需流量更小；***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***，并无运行费用的消耗。

Description

一种光伏驱动的太阳能主动循环式热水***
技术领域
本发明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***的联合应用领域。
背景技术
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***已被社会广泛接受，按循环方式分为被动循环***和主动循环***。被动循环***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（***）只适合于独立的小面积使用，而对于大型热水及采暖***，或者性能要求较高的热水***，或者水箱安装高度不适宜高于集热器的热水***等等，一般均需要采用主动循环***。而且当前大力推广的热水-采暖-热泵制冷一体化***，其中并入的太阳能热水***均需采用主动循环方式。当前这种主动循环的热水***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***流量恒定，性能容易预测，同样条件下较自然循环***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***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，***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***寿命。由于***间歇循环，循环流量始终大于***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***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***。这些***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***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***的性能并无直接影响。
发明内容
为了实现利用热水循环***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***的循环流量随着辐照的强度变化而变化，从而使***所需的流量更小及电功耗更小、且热效率更高，本发明提供一种光伏驱动的太阳能主动循环式热水***。
具体的技术解决方案如下：
 一种光伏驱动的太阳能主动循环式热水***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；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***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***的起动辐照为100～150W/㎡。
所述太阳能主动循环式热水***的辐照为750～850W/㎡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1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1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1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1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***，即工质循环***；水箱4、板式换热器5和第二直流循环泵6构成二次***，即水循环***；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***的设计流量为0.003～0.015L/（㎡s）；所述二次***的设计流量为0.008～0.05 L/（㎡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。
本发明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***设计施工方法施工；
2.根据集热器***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***，***的设计流量取在0.003～0.015L/(㎡s)，且在***条件允许的情况下，尽量采用小的流量值。对于二次***，设计流量取0.008～0.05 L/(㎡s)之间。此时，***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，***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.***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***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/㎡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 W/㎡）直流循环泵达到或接近其设计的最佳工况；
5.***所匹配的光伏电池阵列输出应满足：（1）使所连接的循环泵在100～150W/㎡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/㎡）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，***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，***全天热性能降低40%以上。如图 6 所示，此为本发明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，启动后输出流量随着辐照而变化。此种情况下，***已经能很好的收集太阳热，***热效率与传统***热效率基本一致甚至略高。如图7所示，此为本发明的另一种匹配方式，改进光伏电池阵列的组建方式，如此既保证***在100W辐照强度时可以启动循环，且***循环流量随辐照变化的更为明显，***性能也更好，更重要的是所使用的光伏电池面积相对图5方式减少25% 到40%。
本发明与现有技术相比的有益技术效果体现在以下方面：
1.热水***所需流量更小。现有热水***采用温差控制循环流量的开启和关闭的方式控制热水***的运行，在运行中***的循环流量基本为一恒定的值，为保证***在大辐照情况下仍能有效收集太阳热，***设定的循环流量值在全天大部分时间内是偏大的，且当辐照较小时候，***会出先频繁的开启和关闭的情况。而本发明中的***，其循环流量随着辐照的增强和增强，小辐照时候时***流量就小，如此，***全天的平均流量更小。***所需流量减小意味着所需的泵功率更小，且***所用管路管径可以减小。以10㎡的实测***而言，按当前工程标准设计的***需约60W的交流泵。但同样的对比***中，使用14W的直流泵***的全天热性能即可超过使用交流泵的***；
2.***简单稳定，且根据辐照强度自适应控制。***不需要特别增加控制器，无需蓄电池储能，无需蓄电池充放电控制器，便可以正常工作起来，且能很大程度上避免传统温差控制方案中出现的泵的频发启动和关闭的问题；
3.***构造成本可能相比更低，且运行维护成本更低。传统的热水***驱动时候需要太阳能控制器、交流循环泵，且需要接入城市电网消耗电能。本发明中的热水***驱动时候需要太阳能电池板、直流循环泵。但由于所需直流循环泵的功率远小于交流泵功率，因而相对于所需的交流泵，直流泵成本可能更低。由于***所需的驱动功率较小，所配备的光伏电池面积很小，光伏电池的成本甚至还可能低于太阳能控制器的成本。同时，***运行中无需消耗交流电，基本无运行电费。以实测的某个10㎡***为例，采用现有工程标准的热水***，使用DN15的管道***，配备一个90W的交流循环泵和一个太阳能***控制器。交流循环泵成本约300元，控制器成本200元。而采用光伏驱动的直流循环***使用14W的直流循环泵和总峰值功率32W的光伏电池。直流循环泵成本约90元，光伏电池成本约160元。其总构造成本反而减少了250元，且光伏驱动***无需连接传感器探头，无需连接远端控制器，无需接入交流电网，安装时的电路连线更简单方便，若计算安装人工成本，其建造成本相对减少更多。在实际运行中，天气良好时候，采用交流泵的***泵体每天工作约8h，耗电功率约90W，控制器全天24h工作，耗电功率约10W。而采用光伏驱动的直流循环***，并无运行费用的消耗。
附图说明
图1为***的原理图。
图2为良好匹配的泵及***的特性曲线图。
图3为实测的直流泵用于循环***上之后的泵的输入伏安特性曲线图。
图4为一种电压不良匹配情况下，光伏电池与***输入的伏安特性曲线图。
图5为一种电流良好匹配情况下，光伏电池与***输入的伏安特性曲线图。
图6为一种良好匹配情况下，光伏电池与***输入的伏安特性曲线图。
图7为一种良好匹配情况下，改进结构的光伏电池与***输入的伏安特性曲线图。
图8为具有盘管换热器的光伏驱动的二次循环热水***图。
图9为具有板式换热器的光伏驱动的二次循环热水***图。
上图中序号：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、板式换热器5、第二直流循环泵6、第二光伏电池组7、盘管换热器8。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。
实施例1
参见图1，一种光伏驱动的直连热水***。包括一组集热器阵列1、第一光伏电池组2、第一直流循环泵3、水箱4，第一直流循环泵3串联在一组集热器阵列1的水循环进口和水箱4的水循环出口之间，一组集热器阵列1的水循环出口和水箱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。
一组集热器阵列1采用5块1m×2m规格的平板太阳能集热器并联组成阵列，采用DN15的镀锌钢管与容积为750L的保温的水箱4连接。第一直流循环泵3为最大扬程5米、最大流量500L/h、使用温度100度、额定工作电压12V、最大功率14W、寿命2万小时的无刷直流隔离水泵。所有管道都需要做好保温。
第一光伏电池组2可以是a或b两种结构：
a、8块开路电压7.2V、工作电压6V、峰值功率4.5W的太阳能单晶硅光伏电池两两串联之后并联而成的阵列，所有电池总峰值功率36W；
b、由并联阵列与串联阵列连接组成阵列，其结构图如图8。其中并联部分为一块开路电压3.6V，工作电压3V，短路电流1.7A的光伏模块。其中串联部分的光伏电池为13.8V短路电流1.7A。整个阵列的电池总的峰值功率为24.5W 。
当太阳能主动循环式热水***的辐照为800W/㎡时，第一直流循环泵（3)的流量为0.1L/s、扬程为1.7米。
实施例2
参见图8，一种光伏驱动的二次循环热水***。包括集热器阵列1、第一光伏电池组2、第一直流循环泵3、水箱4和盘管换热器8。盘管换热器8位于水箱4内，第一直流循环泵3串联在集热器阵列1的循环进口和盘管换热器8的工质出口之间，集热器阵列1的循环出口和盘管换热器8的工质进口连通。
其中集热器阵列1由21块1m×2m的平板集热器每7个并联成一组，然后3组再通过DN25的镀锌管并联而成。盘管换热器8的有效换热面积为15平米。水箱4的容积为3.5吨。第一直流循环泵3的额定扬程8米，额定流量2立方米每小时，电压24V，最大功率180W。第一光伏电池组2的开路电压为30V、短路电流为10A。
当太阳能主动循环式热水***的辐照为800W/㎡时，第一直流循环泵（3)的流量为2.2立方米每小时、扬程约6米。
实施例3
 参见图9，一种光伏驱动的二次循环热水***。包括集热器阵列1、第一光伏电池组2、第一直流循环泵3、水箱4、板式换热器5、第二直流循环泵6和第二光伏电池组7。
第一直流循环泵3串联在集热器阵列1的循环进口和板式换热器5的工质出口之间，集热器阵列1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***，即工质循环***；水箱4、板式换热器5和第二直流循环泵6构成二次***，即水循环***；所述第二直流循环泵6为直流无刷离心式循环泵。
其中集热器阵列1由21块1mx2m的平板集热器每7个并联成一组，然后3组再通过DN25的镀锌管并联而成。板式换热器5的等效换热面积约30平米。第一直流循环泵3和第二直流循环泵6均为无刷直流循环泵，第一光伏电池组2和第二光伏电池组7均为多晶硅光伏电池组成的光伏电池阵列。水箱4的容积为3.5吨。第一直流循环泵3为额定扬程8米、额定流量2立方米每小时、电压24V、最大功率180W。第二直流循环泵6为最大扬程5米、最大流量700L每小时、额定工作电压为12V。第一光伏电池组2的开路电压30V，短路电流10A，或者是串联部分开路电压7.2V、短路电流5A与并联部分开路电压29V、短路电流5A的电池阵列按照图8的方式连接而成。第二光伏电池组7的开路电压14.4V、短路电流3.4A，或者按照案例1中的方案b来匹配。
当太阳能主动循环式热水***的辐照为800W/㎡时，第一直流循环泵（3)的流量为2.2立方米每小时、扬程为6米；第二直流循环泵6的流量为500L/h、扬程为1.6米。

Claims (6)

1.一种光伏驱动的太阳能主动循环式热水***，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)的水循环进口和水箱(4)的水循环出口之间，一组以上的集热器阵列(1)的水循环出口和水箱(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***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***的起动辐照为100～150W/㎡。
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***，其特征在于：所述太阳能主动循环式热水***的辐照为750～850W/㎡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***，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)串联在一组以上的集热器阵列(1)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(1)的循环出口和盘管换热器(8)的工质进口连通。
4.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***，其特征在于：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(1)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(1)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***，即工质循环***；水箱(4)、板式换热器(5)和第二直流循环泵(6)构成二次***，即水循环***；所述第二直流循环泵(6)为直流无刷离心式循环泵。
5.根据权利要求4所述的一种光伏驱动的太阳能主动循环式热水***，其特征在于：所述一次***的设计流量为0.003～0.015L/(㎡s)；所述二次***的设计流量为0.008～0.05L/(㎡s)。
6.根据权利要求1或3或4所述的一种光伏驱动的太阳能主动循环式热水***，其特征在于：所述第一直流循环泵(3)或第二直流循环泵(6)的额定工作电压为3的倍数。
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