CN113639486A - 一种基于光伏光热的地源热泵耦合*** - Google Patents

一种基于光伏光热的地源热泵耦合*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光伏光热的地源热泵耦合***，包括并网光伏发电***、太阳能光热***、地源热泵***。一方面，PV/T集热器1将太阳能转化为电能经光伏控制器2、逆变器4、交流配电柜5向机房水泵和地源热泵机组供电，电量富裕时可向蓄电池3蓄电或公共电网售电，不足时可由蓄电池3和公共电网补充；另一方面，PV/T集热器1转化的热量传递给蓄热水箱6后，再经第一换热器7用于供热水，热量富裕时可经第二换热器16向地下蓄热管15蓄热，用于地源热泵冬季供暖，不足时可由地源热泵补充。相对于传统冷水机组和煤炭发电等方式，本发明降低运行费用，经济效益显著；减少能源消耗和CO2排放，积极响应了国家碳达峰、碳中和的政策。

Description

一种基于光伏光热的地源热泵耦合***
技术领域
本发明属于光伏/热及热泵领域，具体涉及一种基于光伏光热的地源热泵耦合***。
背景技术
随着人口和经济的不断增长，人类对于能源的需求越来越大，从而导致传统能源日益枯竭，生态环境遭到严重破坏，所以探索清洁新能源成为全球能源发展的新趋势。提高现有能源的利用效率和加速开发新能源，是解决人类发展过程中能源和环境两个根本问题的主要途径。而太阳能作为最丰富的清洁可再生能源之一，受到人们的广泛关注。
太阳能的利用主要分为光电转换和光热转换两个方面。其中，在太阳能光伏发电应用方面，光伏电池的工作效率和价格严重制约了其发展。晶体硅太阳电池的发电效率往往依赖于电池的工作温度，其温度每上升1℃将导致输出功率减少0.4%～0.5%。由于到达电池表面的80%以上的能量转变成了热量，使得太阳电池工作温度通常在50℃以上，当散热不良时甚至达到80℃，进而严重影响太阳电池的工作效率。
地源热泵***是通过消耗少量的高品位能源（电能）来提取蕴藏于地下的低品位能源为人类服务。冬季地下岩土体或水体的温度高于大气的温度，通过热泵***提取地下的热量向用户供暖；夏季地下岩土体或水体的温度低于大气的温度，则通过热泵循环吸收室内的热量再释放回地下岩土体或水体中。因此，地源热泵***具有高效节能、安全可靠和运行费用低等优点。但地源热泵长期运行，土壤温度将会下降，机组运行性能下降，造成土壤冷热量不平衡的问题，严重时甚至会导致***无法正常运行。
发明内容
本发明的目的在于为解决上述问题而提供一种基于光伏光热的地源热泵耦合***。针对我国北方地区太阳能充足和夏季热负荷往往低于冬季冷负荷的情况，本发明在利用地源热泵实现建筑制冷和供热的基础上采用PV/T***，将太阳能光伏板和集热器两者结合起来。PV/T***通过媒介将产生的热量从PV/T集热器上带走，控制了太阳能电池的工作温度，从而更高效地提供电能，并用于冷热源机房内的地源热泵机组和水泵供电。导热介质从PV/T集热器上带走的热量可以用于加热生活热水和跨季节蓄热，在提高太阳能利用率的同时，缓解地源热泵土壤冷热量不平衡的问题。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种基于光伏光热的地源热泵耦合***，包括并网光伏发电***、太阳能光热***、地源热泵***。
所述并网光伏发电***包括PV/T集热器1、光伏控制器2、蓄电池3、光伏逆变器4、交流配电柜5、地源热泵机组、机房水泵。所述光伏控制器2与PV/T集热器1、蓄电池3和光伏逆变器4连接；所述PV/T集热器1产生的直流电通过光伏控制器2向光伏逆变器4供电和蓄电池3蓄电；所述蓄电池3通过光伏控制器2向光伏逆变器4供电；所述光伏逆变器4通过交流配电柜5与公共电网并网，并通过交流配电柜5调压供电。
所述太阳能光热***包括PV/T集热器1、蓄热水箱6、地下蓄热管15、第一换热器7、第二换热器16、第一变频泵8、第二变频泵17、第三变频泵18和地源热泵机组；所述PV/T集热器1还包括光伏组件、导热板、介质盘管和绝热层。所述PV/T集热器1通过介质盘管与蓄热水箱6连接，并在蓄热水箱6的出液管道上设置第三变频泵18和调节阀，通过调节变频泵频率或调节阀开度调节出液；所述蓄热水箱6通过管道与地源热泵机组蒸发器13在第一换热器7进液处并联，并通过管道与第二换热器16连接；所述第一换热器7的进液管道上设置第一变频泵8和电动调节阀，通过调节变频泵频率或电动调节阀开度调节进液；所述第二换热器16通过管道连接蓄热水箱6和地下蓄热管15，与蓄热水箱6连接的第二换热器16进液管道上设置第二变频泵17，通过调节变频泵频率调节进液；所述地下蓄热管15与第二换热器16、地源热泵机组冷凝器11连接，并通过蝶阀控制。
所述地源热泵***包括地源热泵机组、地下埋管14、地下蓄热管15、***末端、循环水泵。所述地源热泵机组还包括电动机9、压缩机10、冷凝器11、节流阀12和蒸发器13；所述地下埋管14与地下蓄热管15在地源热泵冷凝器11进液处并联。
具体的，所述PV/T集热器上的光伏组件采用晶体硅光伏组件，所述PV/T集热器设有四象限光电传感器，能够自动跟随太阳光调节角度至光线最强处。
具体的，所述PV/T集热器的支架及金属外壳均采用等电位联结并且接地，与整个地下空间组成共用接地网。
具体的，所述介质盘管设置于导热铝板背面，所述介质盘管内设置有防冻换热工质，换热工质通过导热铝板吸收PV/T集热器上的热量进入蓄热水箱换热。
本发明的有益效果是：1）本发明采用三种热源：太阳能、地热能和蓄热。其中太阳能和地热能为绿色环保的可再生能源，节能减排，经济可靠；蓄热则为一种特殊的能源形式，将夏季和过渡季富余的太阳能储存于地下土壤中，用于提高地源热泵冬季供暖的COP，缓解地源热泵土壤冷热量不平衡的问题。
2）本发明采用PV/T集热器，PV/T集热器是一种能同时提供热能和电能的设备，大大提高了太阳能的利用效率。与同样输出量的光伏、光热***相比，其拥有太阳能利用效率更高、使用寿命更长、占地面积更小、投资回收期更少等优势。
3）本发明在利用地源热泵实现建筑制冷和供热的基础上运用光伏光热技术供电供热。相对于传统冷水机组和煤炭发电等方式，本发明降低运行费用，减少投资回收周期，经济效益显著；减少能源消耗和CO2的排放，改善生态环境，积极响应了国家碳达峰、碳中和的政策。
附图说明
图1是本发明实施示例流程示意图；
图2是PV/T集热器结构示意图。
图1中：1、PV/T集热器 2、光伏控制器 3、蓄电池 4、光伏逆变器 5、交流配电柜 6、蓄热水箱 7、第一换热器 8、第一变频泵 9、电动机 10、压缩机 11、冷凝器 12、节流阀 13、蒸发器 14、地下埋管 15、地下蓄热管 16、第二换热器 17、第二变频泵 18、第三变频泵。
具体实施方式
为了更详尽的表述本发明提供的技术方案，下面通过具体实施示例进行进一步的说明。
请参照附图所示，一种基于光伏光热的地源热泵耦合***，其中包括并网光伏发电***、太阳能光热***、地源热泵***。
所述并网光伏发电***包括PV/T集热器1、光伏控制器2、蓄电池3、光伏逆变器4、交流配电柜5、地源热泵机组、机房水泵。所述光伏控制器2与PV/T集热器1、蓄电池3和光伏逆变器4连接；所述PV/T集热器1产生的直流电通过光伏控制器2向光伏逆变器4供电和蓄电池3蓄电；所述蓄电池3通过光伏控制器2向光伏逆变器4供电；所述光伏逆变器4通过交流配电柜5与公共电网并网，并通过交流配电柜5调压供电。
所述太阳能光热***包括PV/T集热器1、蓄热水箱6、地下蓄热管15、第一换热器7、第二换热器16、第一变频泵8、第二变频泵17、第三变频泵18和地源热泵机组，所述PV/T集热器1还包括光伏组件、导热板、介质盘管和绝热层。所述PV/T集热器1设有四象限光电传感器，能够自动跟随太阳光调节角度至光线最强处，且通过介质盘管与蓄热水箱6连接，并在蓄热水箱6的出液管道上设置第三变频泵18和调节阀；所述蓄热水箱6通过管道与地源热泵机组蒸发器13在第一换热器7进液处并联，并通过管道与第二换热器16连接；所述第一换热器7的进液管道上设置第一变频泵8和电动调节阀；所述第二换热器16通过管道连接蓄热水箱6和地下蓄热管15，与蓄热水箱6连接的第二换热器16进液管道上设置第二变频泵17；所述地下蓄热管15与第二换热器16、地源热泵机组冷凝器11连接，并通过蝶阀控制。
所述地源热泵***包括地源热泵机组、地下埋管14、地下蓄热管15、***末端、循环水泵。所述地源热泵机组还包括电动机9、压缩机10、冷凝器11、节流阀12和蒸发器13；所述地下埋管14与地下蓄热管15在地源热泵冷凝器11进液处并联。
本实施示例提供的运行模式与策略如下：对于夏季，地源热泵进入空调制冷运行模式。在太阳能充足时，利用太阳能向地源热泵机组和机房水泵的电动机供电，富余的太阳能转化的电能可以用于蓄电池蓄电，待蓄电池充满后可以大量向公共电网售电；由于环境温度较高，热水负荷减少，太阳能除了满足生活热水之外，还可以大量进行土壤蓄热；利用地下埋管的地热能通过地源热泵机组进行空调制冷。在太阳能不足时，利用蓄电池辅助太阳能供电，不足的电量可由公共电网提供；由于热负荷较小，太阳能和蓄热水箱的热量即可满足加热生活热水的需求；利用地下埋管的地热能通过地源热泵机组进行空调制冷。
对于春秋季，整栋建筑采用新风免费供冷的方式，地源热泵机组不需要制冷和供热。在太阳能充足时，利用太阳能向地源热泵机组和机房水泵的电动机供电，富余的太阳能转化的电能可以用于蓄电池蓄电，待蓄电池充满后可以向公共电网售电；太阳能转化的热量用于加热生活热水，富余的太阳能可进行土壤蓄热。在太阳能不足时，利用蓄电池辅助太阳能供电，不足的电量可由公共电网提供；利用地源热泵辅助太阳能加热生活热水。
对于冬季，地源热泵进入供暖运行模式。在太阳能充足时，利用太阳能向地源热泵机组和机房水泵的电动机供电，富余的太阳能转化的电能全部用于蓄电池蓄电；太阳能转化的热量用于加热生活热水，富裕的热量可直接用于向建筑供暖。在太阳能不足时，利用蓄电池辅助太阳能供电，不足的电量可由公共电网提供；太阳能转化的热量全部用于加热生活热水，不足的热量由地源热泵提供。但是地源热泵辅助加热量最大，同时地源热泵机组还需向建筑供暖，所以利用夏季和过渡季地下埋管蓄热辅助地热能通过地源热泵机组向建筑供暖。
本实施示例提供的工作过程及原理如下：太阳能充足时，在太阳能光伏发电应用方面，PV/T集热器1上的光伏组件将太阳能转化为直流电输送至光伏控制器2，然后经光伏控制器2一方面将直流电输送至蓄电池3蓄电备用，另一方面将直流电输送至光伏逆变器4转化为交流电后，再经过交流配电柜5调压后配送至机房水泵和地源热泵机组的电动机9供电，在蓄电池3充满的情况下还可经交流配电柜5向公共电网售电；在太阳能光热应用方面，PV/T集热器1转化的热量通过第三变频泵18利用介质将热量传递给蓄热水箱6，再通过第一变频泵8经第一换热器7换热向用户供热水，夏季富裕的热量可通过第二变频泵17经第二换热器16换热后向地下蓄热管15蓄热，冬季富裕的热量可通过调节阀门直接用于向建筑供暖；在地源热泵制冷和供热应用方面，夏季和过渡季开启地下蓄热管15与第二换热器16连接的阀门，关闭地下蓄热管15与冷凝器11连接的阀门，地源热泵机组直接利用地下埋管14与冷凝器11换热，通过制冷循环利用蒸发器13向建筑制冷和供热，冬季关闭地下蓄热管15与第二换热器16连接的阀门，开启地下蓄热管15与冷凝器11连接的阀门，地源热泵机组可以利用地下埋管14和地下蓄热管15与冷凝器11换热，通过制冷循环利用蒸发器13向建筑制冷和供热。
太阳能不足时，在太阳能光伏发电应用方面，利用蓄电池3辅助PV/T集热器1上的光伏组件转化的直流电输送至光伏控制器2，然后经光伏控制器2将直流电输送至光伏逆变器4转化为交流电后，再经过交流配电柜5调压后配送至机房水泵和地源热泵机组的电动机9供电，在供电不满足需求的情况下经交流配电柜5向公共电网购电补充；在太阳能光热应用方面，PV/T集热器1转化的热量通过第三变频泵18利用介质将热量传递给蓄热水箱6，再通过第一变频泵8经第一换热器7换热后向用户供热水，在供热不满足需求的情况下通过地源热泵蒸发器13向第一换热器7补充热量；在地源热泵制冷和供热应用方面，关闭地下蓄热管15与第二换热器16连接的阀门，开启地下蓄热管15与冷凝器11连接的阀门，地源热泵机组可以利用地下埋管14、地下蓄热管15与冷凝器11换热，通过制冷循环利用蒸发器13向建筑制冷和供热。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (4)

1.一种基于光伏光热的地源热泵耦合***，其特征在于：包括并网光伏发电***、太阳能光热***、地源热泵***；所述并网光伏发电***包括PV/T集热器（1）、光伏控制器（2）、蓄电池（3）、光伏逆变器（4）、交流配电柜（5）、地源热泵机组、机房水泵；所述光伏控制器（2）与PV/T集热器（1）、蓄电池（3）和光伏逆变器（4）连接；所述PV/T集热器（1）产生的直流电通过光伏控制器（2）向光伏逆变器（4）供电和蓄电池（3）蓄电；所述蓄电池（3）通过光伏控制器（2）向光伏逆变器（4）供电；所述光伏逆变器（4）通过交流配电柜（5）与公共电网并网，并通过交流配电柜（5）调压供电；
所述太阳能光热***包括PV/T集热器（1）、蓄热水箱（6）、地下蓄热管（15）、第一换热器（7）、第二换热器（16）、第一变频泵（8）、第二变频泵（17）、第三变频泵（18）和地源热泵机组；所述PV/T集热器（1）还包括光伏组件、导热板、介质盘管和绝热层；所述PV/T集热器（1）设有四象限光电传感器，能够自动跟随太阳光调节角度至光线最强处，且通过介质盘管与蓄热水箱（6）连接，并在蓄热水箱（6）的出液管道上设置第三变频泵（18）和调节阀；所述蓄热水箱（6）通过管道与地源热泵机组蒸发器（13）在第一换热器（7）进液处并联，并通过管道与第二换热器（16）连接；所述第一换热器（7）的进液管道上设置第一变频泵（8）和电动调节阀；所述第二换热器（16）通过管道连接蓄热水箱（6）和地下蓄热管（15），与蓄热水箱（6）连接的第二换热器（16）进液管道上设置第二变频泵（17）；所述地下蓄热管（15）与第二换热器（16）、地源热泵机组冷凝器（11）连接，并通过蝶阀控制；
所述地源热泵***包括地源热泵机组、地下埋管（14）、地下蓄热管（15）、***末端、循环水泵；所述地源热泵机组还包括电动机（9）、压缩机（10）、冷凝器（11）、节流阀（12）和蒸发器（13）；所述地下埋管（14）与地下蓄热管（15）在地源热泵冷凝器（11）进液处并联。
2.根据权利要求1所述一种基于光伏光热的地源热泵耦合***，其特征在于，对于夏季，地源热泵进入空调制冷运行模式：在太阳能充足时，利用太阳能向地源热泵机组和机房水泵的电动机供电，富余的太阳能转化的电能可以用于蓄电池蓄电，待蓄电池充满后可以大量向公共电网售电；由于环境温度较高，热水负荷减少，太阳能除了满足生活热水之外，还可以大量进行土壤蓄热；利用地下埋管的地热能通过地源热泵机组进行空调制冷；在太阳能不足时，利用蓄电池辅助太阳能供电，不足的电量可由公共电网提供；由于热负荷较小，太阳能和蓄热水箱的热量即可满足加热生活热水的需求；利用地下埋管的地热能通过地源热泵机组进行空调制冷。
3.根据权利要求1所述一种基于光伏光热的地源热泵耦合***，其特征在于，对于过渡季，整栋建筑采用新风免费供冷的方式，地源热泵机组不需要制冷和供热；在太阳能充足时，利用太阳能向地源热泵机组和机房水泵的电动机供电，富余的太阳能转化的电能可以用于蓄电池蓄电，待蓄电池充满后可以向公共电网售电；太阳能转化的热量用于加热生活热水，富余的太阳能可进行土壤蓄热；在太阳能不足时，利用蓄电池辅助太阳能供电，不足的电量可由公共电网提供；利用地源热泵辅助太阳能加热生活热水。
4.根据权利要求1所述一种基于光伏光热的地源热泵耦合***，其特征在于，对于冬季，地源热泵进入供暖运行模式：在太阳能充足时，利用太阳能向地源热泵机组和机房水泵的电动机供电，富余的太阳能转化的电能全部用于蓄电池蓄电；太阳能转化的热量用于加热生活热水，富裕的热量可以用于向建筑供暖；在太阳能不足时，利用蓄电池辅助太阳能供电，不足的电量可由公共电网提供；太阳能转化的热量全部用于加热生活热水，不足的热量由地源热泵提供；但是地源热泵辅助加热量最大，同时地源热泵机组还需向建筑供暖，所以利用夏季和过渡季地下埋管蓄热辅助地热能通过地源热泵机组向建筑供暖。
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