CN113375341A - 基于非共沸工质光伏直驱双源变频pvt热泵热水*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于非共沸工质光伏直驱双源变频PVT热泵热水***，包括太阳能光伏发电***，用于为太阳能光热制热水***和光伏直驱双热源变频热泵制热水***提供直流电，亦可通过逆变器为小功率交流电器设备进行供电；太阳能光热制热水***，用于在一定温度条件下通过保温水箱内置盘管直接加热水箱；光伏直驱双热源变频热泵制热水***，可通过单独利用光伏组件集热器吸收到太阳热能或风冷蒸发器吸收到的空气热能为保温水箱加热，亦或同时利用光伏组件集热器吸收到太阳热能和风冷蒸发器吸收到的空气热能一起为保温水箱加热，本发明可实现在节能、实用、无污染的前提下，解决户外人员的生活热水需求，同时为户外人员小功率交流电器提供电能的目的。

Description

基于非共沸工质光伏直驱双源变频PVT热泵热水***
技术领域
本发明涉及一种能源利用***，尤其是一种基于非共沸工质光伏直驱双源变频PVT热泵热水***。
背景技术
空气源热泵制热水技术是利用制冷剂在低压状态蒸发吸收空气中热量后经过压缩机增压升温，再在换热器中将热量传递给水箱的技术。空气源热泵制热水技术性能主要取决于环境中空气的温度以及***的换热效率，制热水模式下，室外环境温度越高热泵性能越好，反之室外环境温度低则会影响热泵制热水效率。空气源热泵制热水技术的主要优点体现在：空气源方面易得，取之不尽，用之不竭；不需要冷却水***，安装使用简单；对环境不造成污染。但***性能受环境温度影响较大。
非共沸工质特点是没有共沸点，在一定温度下蒸发或冷凝时，气相和液相的成分不同，从饱和液体到两相区，一直到全部蒸发完成，其温度一直在不断变化。使用非共沸工质可以降低压比，使单机压缩获得更低的蒸发温度，增加制热***的容量；实现非等温制热，降低功耗，提高制热效率；弥补使用纯工质的不足。
太阳能光伏发电技术是基于半导体的光伏效应，将可再生能源——太阳能转换为电能，供给用电设备使用，具有节能、环保、经济性好等特点，而户外环境一般具有较好的太阳能资源，使得该技术可应用到户外制热水***。
太阳能光热制热水技术是将太阳作为热源，利用吸收到的太阳热能制热水。太阳能光热制热水技术已经在我国广泛使用，传统的利用太阳能光热制热水技术的装置是真空管集热器太阳能热水器。
现有技术中，专利一种采用非共沸工质的槽式太阳能直膨式热电联供***(公开号为CN 111396272 A)公开的内容中，虽然也可以进行热电联供，但该***使用的是槽式太阳能集热器，占地面积大，不可移动。并且，该***使用的是直膨式***，工质易泄露，维修困难；***制热量受天气影响，没有太阳的天气无法进行制热，可靠性不足。而本发明凸显太阳能和空气能双热源运行提高性能的同时，两者制热水形式互补，且利用太阳能光伏发出的电能还可以为整个***直接供电，***更加节能、实用，可满足户外中小型制热水需要。
综上所述，户外环境需要一种制热水可靠、节能性好、经济性好、实用性好、无排放、无污染且可长时间运行的制热水***，解决户外人员的生活热水需求，提升人民生活质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于户外的使用非共沸工质光伏直驱双热源变频PVT热泵制热水***，在节能、实用、无污染的前提下，解决户外人员的生活热水需求，同时为户外人员小功率交流电器提供电能。
本发明提供了如下的技术方案：
一种基于非共沸工质光伏直驱双源变频PVT热泵热水***，包括：太阳能光伏发电***，可用于为太阳能光热制热水***和光伏直驱双热源变频热泵制热水***提供直流电，亦可通过逆变器为小功率交流电器设备进行供电；太阳能光热制热水***，用于在一定温度条件下通过保温水箱内置盘管直接为水箱加热；光伏直驱双热源变频热泵制热水***，可通过单独利用光伏组件集热器吸收到太阳热能或风冷蒸发器吸收到的空气热能为保温水箱加热，亦或同时利用光伏组件集热器吸收到太阳热能和风冷蒸发器吸收到的空气热能一起为保温水箱加热。
进一步的，太阳能光伏发电***包括光伏组件集热器、控制器、蓄电池、逆变器，控制器控制光伏组件集热器、蓄电池和逆变器之间的电力输配；当蓄电池处于饱和状态时，控制器断开光伏组件集热器与蓄电池的连接，打开光伏组件集热器和光伏直驱双热源变频热泵制热水***、逆变器之间的连接；当蓄电池未达到饱和状态时，控制器打开光伏组件集热器与蓄电池的连接；当光伏组件集热器无法发出电能时，控制器打开蓄电池和光伏直驱双热源变频热泵制热水***、逆变器的连接，控制器上亦有人工控制的开关。
进一步的，太阳能光热制热水***包括定压水箱、集热器直流水泵、阀门三、阀门四、保温水箱；控制器通过电线连接集热器直流水泵，光伏组件集热器、定压水箱、集热器直流水泵、阀门四、保温水箱和阀门三组成串联回路；光伏组件集热器由光伏组件和背部集热器组成；定压水箱具有补水作用。
进一步的，非共沸工质光伏直驱双热源变频热泵制热水***包括太阳能板式蒸发器、第一电子膨胀阀、阀门一、阀门二、阀门六、阀门五、阀门七、风冷蒸发器、第二电子膨胀阀、阀门八、直流变频压缩机、套管式冷凝器、水箱直流水泵；太阳能板式蒸发器、第一电子膨胀阀、阀门六和阀门五串联组成第一支路，阀门七、风冷蒸发器、第二电子膨胀阀和阀门八串联组成第二支路，且第一支路和第二支路组成并联，非共沸工质在两个蒸发温度不同且为并联设置的太阳能板式蒸发器和风冷蒸发器内蒸发吸热；第一支路和第二支路并联的回路与直流变频压缩机串联后，再与套管式冷凝器串联组成热泵回路，保温水箱与水箱直流水泵串联后，与套管式冷凝器串联组成水箱回路。
优选的，第一电子膨胀阀和第二电子膨胀阀采用并联方式调节非共沸工质流量，仅第一电子膨胀阀开启时为单太阳能模式热泵运行；而当第一电子膨胀阀和第二电子膨胀阀同时开启时为双源模式热泵运行；仅第二电子膨胀阀开启时亦为单空气源模式热泵运行。
优选的，光伏组件集热器背后设有温度监测元件，保温水箱中也设有温度监测元件；当光伏组件集热器的与保温水箱温差大于一定数值时，集热器直流水泵启动。
优选的，保温水箱内置盘管为导热系数高的金属材料，且亦可增加翅式肋片、螺旋式肋片。
优选的，光伏直驱双热源变频热泵制热水***中使用的做功工质为非共沸工质，非共沸工质采用配比为0.75/0.25的R134a和R32，R134a，化学式CH2FCF3，临界温度101.1℃，R32，化学式CH2F2，临界温度78.4℃，此非共沸工质冷凝温度高，不可燃，相比其他非共沸工质，蒸发器结冰风险更低，并且具有较高的COP。
优选的，用于连接设备的管道外裹设有保温棉。
优选的，直流变频压缩机通过直流驱动，且可根据板式蒸发器进口流体温度进行转速调节，且采用的蓄电池为铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池的一种。
本发明的有益效果是：
1、节能性优良：利用太阳能光伏光热***无需能耗，并且本***利用可再生能源太阳能为其它用电设备供电，节约能源；
2、效率高：热泵使用的非共沸工质可以实现非等温制热，在相变时存在温度滑移，有更多的热量被吸收，循环效率得到提高，同时降低压比，降低功耗，提高制热效率；
3、可靠性高：本***使用双热源，多种运行模式使得稳定性得到提高；
4、实用性好且理论寿命长：相对于传统制热水***，本发明制热水充分利用太阳能，通过太阳能光伏发电实现可离网运行，可移动，方便实用；
5、损耗少：本发明使用光伏直驱热泵，可以被太阳能光伏组件发出的电直接驱动，减少中间逆变损耗。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明***的结构示意图；
图中的标记：光伏组件集热器1、定压水箱2、集热器直流水泵3、太阳能板式蒸发器4、第一电子膨胀阀5、风冷蒸发器6、第二电子膨胀阀7、直流变频压缩机8、套管式冷凝器9、保温水箱10、水箱直流水泵11、控制器12、蓄电池13、逆变器14、阀门一15、阀门二16、阀门三17、阀门四18、阀门五19、阀门六20、阀门七21、阀门八22。
具体实施方式
如图1所示，一种基于非共沸工质光伏直驱双源变频PVT热泵热水***的结构示意图，在本实施例中，包括太阳能光伏发电***、太阳能光热制热水***、非共沸工质光伏直驱双热源变频热泵制热水***；太阳能发电***利用光生伏打效应一方面为整个制热水***提供电能，另一方面通过逆变器转换可为小功率交流电器进行供电；光伏组件集热器1吸收到的热能被用来直接加热水箱或是成为热泵的热源之一，***利用光热的同时冷却光伏组件，提高光伏组件发电效率；风冷换热器安装在室外，利用空气中的热量加热水箱。
太阳能发电***包括光伏组件集热器1、控制器12、蓄电池13和逆变器14；其中，控制器12控制光伏组件集热器1、蓄电池13和逆变器14之间的电力输配；当蓄电池13处于饱和状态时，控制器12断开光伏组件集热器1与蓄电池13的连接；当蓄电池13未达到饱和状态时，控制器12打开光伏组件集热器1与蓄电池13的连接；当负载侧需要用电时，控制器12连接光伏组件集热器1与热泵或逆变器14；当负载侧需要用电，没有太阳能或太阳能不足时，控制器12连接蓄电池13和热泵或逆变器14；控制器12上亦有人工控制的开关。
太阳能光热制热水***包括定压水箱2、集热器直流水泵3、阀门三17、阀门四18、保温水箱10，控制器12通过电线连接集热器直流水泵3，光伏组件集热器1连接定压水箱2，定压水箱2再连接集热器直流水泵3，随后依次连接阀门四18、保温水箱10和阀门三17组成串联回路，其中，光伏组件集热器1由光伏组件和背部集热器组成，定压水箱2具有补水作用。
另外，光伏组件集热器1背后设有温度监测元件，同样，保温水箱10中也设有温度监测元件；当光伏组件集热器1的与保温水箱10温差大于一定数值时，集热器直流水泵3启动，其中，保温水箱10内置盘管为导热系数高的金属材料，可增加翅式肋片、螺旋式肋片，管道其他部分需要进行保温，一般在表面裹上保温棉。
非共沸工质光伏直驱双热源变频热泵制热水***包括太阳能板式蒸发器4、第一电子膨胀阀5、阀门一15、阀门二16、阀门六20、阀门五19、阀门七21、风冷蒸发器6、第二电子膨胀阀7、阀门八22、直流变频压缩机8、套管式冷凝器9、水箱直流水泵11和保温水箱10；其中，太阳能板式蒸发器4、第一电子膨胀阀5、阀门20和阀门19串联组成第一支路，阀门七21、风冷蒸发器6、第二电子膨胀阀7和阀门八22串联组成第二支路，两支路组成并联，通过启闭阀门可以切换热泵不同的工作模式；非共沸工质在两个蒸发温度不同且为并联设置的太阳能板式蒸发器和风冷蒸发器内蒸发吸热；第一支路和第二支路并联的回路与直流变频压缩机8串联后，再与套管式冷凝器9串联组成热泵回路，保温水箱10与水箱直流水泵11串联后，与套管式冷凝器串联组成水箱回路。
第一电子膨胀阀5和第二电子膨胀阀7采用并联方式调节非共沸工质流量，仅第一电子膨胀阀5开启时为单太阳能模式热泵运行；而当第一电子膨胀阀5和第二电子膨胀阀7同时开启时为双源模式热泵运行；仅第二电子膨胀阀7开启时亦为单空气源模式热泵运行。
太阳能板式蒸发器4进口处设有温度监测元件，直流变频压缩机8通过直流电驱动，根据太阳能板式蒸发器4进口处温度变化和环境温度的变化可以调节压缩机转速。
本发明的工作原理是：
工作时，将太阳能光伏组件集热器1放置于户外光照充足处，打开控制器12和集热器直流水泵3，光伏组件集热器1吸收太阳能并将其转换为电能通过电线储存在蓄电池13中，蓄电池13为制热水***供电的同时，可通过逆变器14为其它小功率交流用电设备提供电能。
当光伏组件集热器1的温度和保温水箱10内水温温差达到预设的数值时，阀门一15、阀门二16关闭，阀门三17、阀门四18开启，光伏组件集热器1与水箱10连接，光伏组件集热器1直接将吸收到的太阳能热能用于加热水箱。
当光伏组件集热器1的温度与保温水箱10内水温温差减小到预设的数值时，阀门三17、阀门四18关闭，阀门一15、阀门二16开启，光伏组件集热器1输出的热量通过太阳能板式蒸发器4成为热泵的热源，根据光伏组件集热器1和环境温度判断风冷蒸发器6是否开启，当光伏组件集热器1温度超过环境温度达到预设数值，阀门七21，阀门八22关闭，此时单太阳能热源工作模式。当光伏组件集热器1温度与环境温度差值达到预设数值，阀门七21，阀门八22开启，此时双热源工作模式。非共沸工质经过直流变频压缩机8后变成高温高压蒸汽，之后在套管式冷凝器9中给将热量传递给水箱。再分别进入第一电子膨胀阀5和第二电子膨胀阀7，之后分别在太阳能板式蒸发器4和风冷蒸发器6中以不同蒸发温度蒸发吸热；之后两股工质混合再进入直流变频压缩机8；当光伏组件集热器1温度低于预设数值，阀门一15、阀门二16关闭，阀门七21，阀门八22开启，此时单空气源热源工作模式。
本***将具有多种工作模式可以加热热水，并利用可再生能源太阳能，同时具备制热水、电力供给两个功能，并具有节能性好、***实用、性能可靠、经济性好等优点，可满足户外中小型制热水需要。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于非共沸工质光伏直驱双源变频PVT热泵热水***，其特征在于，包括：
太阳能光伏发电***，可用于为太阳能光热制热水***和光伏直驱双热源变频热泵制热水***提供直流电，亦可通过逆变器为小功率交流电器设备进行供电；
太阳能光热制热水***，用于在一定温度条件下通过保温水箱内置盘管直接为水箱加热；
光伏直驱双热源变频热泵制热水***，可通过单独利用光伏组件集热器吸收到太阳热能或风冷蒸发器吸收到的空气热能为保温水箱加热，亦或同时利用光伏组件集热器吸收到太阳热能和风冷蒸发器吸收到的空气热能一起为保温水箱加热。
2.根据权利要求1所述的基于非共沸工质光伏直驱双源变频PVT热泵热水***，其特征在于，所述太阳能光伏发电***包括所述光伏组件集热器、控制器、蓄电池、逆变器，所述控制器控制光伏组件集热器、蓄电池和逆变器之间的电力输配；当蓄电池处于饱和状态时，控制器断开光伏组件集热器与蓄电池的连接，打开光伏组件集热器和光伏直驱双热源变频热泵制热水***、逆变器之间的连接；当蓄电池未达到饱和状态时，控制器打开光伏组件集热器与蓄电池的连接；当光伏组件集热器无法发出电能时，控制器打开蓄电池和光伏直驱双热源变频热泵制热水***、逆变器的连接。
3.根据权利要求2所述的基于非共沸工质光伏直驱双源变频PVT热泵热水***，其特征在于，所述太阳能光热制热水***包括定压水箱、集热器直流水泵、阀门三、阀门四、保温水箱；所述控制器通过电线连接集热器直流水泵，所述光伏组件集热器、定压水箱、集热器直流水泵、阀门四、保温水箱和阀门三组成串联回路；光伏组件集热器由光伏组件和背部集热器组成。
4.根据权利要求3所述的基于非共沸工质光伏直驱双源变频PVT热泵热水***，其特征在于，所述非共沸工质光伏直驱双热源变频热泵制热水***包括太阳能板式蒸发器、第一电子膨胀阀、阀门一、阀门二、阀门六、阀门五、阀门七、所述风冷蒸发器、第二电子膨胀阀、阀门八、直流变频压缩机、套管式冷凝器、水箱直流水泵；
所述太阳能板式蒸发器、第一电子膨胀阀、阀门六和阀门五串联组成第一支路，阀门七、风冷蒸发器、第二电子膨胀阀和阀门八串联组成第二支路，且第一支路和第二支路组成并联，非共沸工质在两个蒸发温度不同且为并联设置的太阳能板式蒸发器和风冷蒸发器内蒸发吸热；
第一支路和第二支路并联的回路与直流变频压缩机串联后，再与套管式冷凝器串联组成热泵回路，保温水箱与水箱直流水泵串联后，与套管式冷凝器串联组成水箱回路。
5.根据权利要求4所述的基于非共沸工质光伏直驱双源变频PVT热泵热水***，其特征在于，第一电子膨胀阀和第二电子膨胀阀采用并联方式调节非共沸工质流量，仅第一电子膨胀阀开启时为单太阳能模式热泵运行；而当第一电子膨胀阀和第二电子膨胀阀同时开启时为双源模式热泵运行；仅第二电子膨胀阀开启时亦为单空气源模式热泵运行。
6.根据权利要求1所述的基于非共沸工质光伏直驱双源变频PVT热泵热水***，其特征在于，光伏组件集热器背后设有温度监测元件，保温水箱中也设有温度监测元件；当光伏组件集热器的与保温水箱温差大于一定数值时，集热器直流水泵启动。
7.根据权利要求1所述的基于非共沸工质光伏直驱双源变频PVT热泵热水***，其特征在于，保温水箱内置盘管为导热系数高的金属材料，且亦可增加翅式肋片、螺旋式肋片。
8.根据权利要求5所述的基于非共沸工质光伏直驱双源变频PVT热泵热水***，其特征在于，非共沸工质采用配比为0.75/0.25的R134a和R32。
9.根据权利要求1所述的基于非共沸工质光伏直驱双源变频PVT热泵热水***，其特征在于，用于连接设备的管道外裹设有保温棉。
10.根据权利要求1所述的基于非共沸工质光伏直驱双源变频PVT热泵热水***，其特征在于，所述直流变频压缩机通过直流驱动，且可根据板式蒸发器进口流体温度进行转速调节。
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