CN115597108B - 耦合光伏光热的蓄热式供暖设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及供暖技术领域，尤其涉及一种耦合光伏光热的蓄热式供暖设备，包括光伏集电模块、太阳能集热模块、蓄热罐以及供暖控制模块，供暖控制模块通过控制所述光伏集电模块和/或市电向所述蓄热罐模块供电以使所述蓄热罐中的电加热管加热所述相变蓄热材料至预设温度，并且，控制所述太阳能集热模块加热所述蓄热罐中的水液，以及，通过控制所述相变蓄热材料进行与所述水液换热以使水液温度升高至预设温度，本发明综合太阳能热水***和太阳能光伏发电***，并与相变蓄热罐和缓冲水箱结合，利用蓄热技术来弥补太阳能的间歇性和不稳定性问题，可达到持续稳定供热的效果，供热效果安全可靠。

Description

耦合光伏光热的蓄热式供暖设备

技术领域

本发明涉及供暖技术领域，尤其涉及一种耦合光伏光热的蓄热式供暖设备。

背景技术

中国是世界能源消耗大国，而冬季建筑供暖热负荷占能源消耗总量的很大一部分，传统的采暖方式以化石能源为主，化石能源的大量使用导致资源过度消耗短缺，环境也不断恶化，随着我国经济发展，国民环保意识逐渐增强，各地政府相继推出有关节能减排等政策，使用可再生的清洁能源成为潮流和趋势。

太阳能取之不尽，用之不竭，是无污染、可再生的清洁能源，太阳能热水***供暖是现代建筑中被广泛采用的一种采暖技术，同时太阳能光伏发电技术也是也是一种高效节能无污染的新兴技术。但太阳能利用技术只能在有连续太阳辐射的情况下才能持续为建筑供能，而由于太阳辐射热量有季节、昼夜的规律变化，还受阴晴云雨等随机天气因素的强烈影响，同时太阳辐射能量与建筑供暖热负荷需求具有波动性和不同步性等特征，故利用太阳能供暖具有很大的不稳定性，无法在太阳能不足的情况下进行持续性的供暖，这导致传统太阳能供暖***的应用推广局限性较强。而把太阳能的利用与相变蓄热技术相结合可以很好的解决太阳能供暖的不稳定性问题。

相变蓄热利用的是相变材料从一种物态到另外一种转换过程中热力学状态的变化。比如冰在融化为水的过程中要从周围环境吸收大量的热量，而在重新凝固时又要放出大量的热量。这种吸热/放热的过程中，材料温度不变，即在很小的温度变化范围能带来大量能量的转换过程，是相变储能的主要特点。随着科学技术迅猛发展，相变材料蓄热供暖技术越来越成熟，有潜热大，热效率高、稳定性好、易控制等优点，合理使用相变材料蓄热大大节省了能源的消耗，降低了成本。把太阳能的利用与相变蓄热技术相结合，可以提前将热能蓄存在相变材料中，当太阳辐射强度降低时，利用所蓄存的热继续为建筑供暖。

发明内容

为此，本发明提供一种耦合光伏光热的蓄热式供暖设备，用以克服现有技术中供热设备无法充分利用太阳能源进行供热的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种耦合光伏光热的蓄热式供暖设备，包括：

光伏集电模块，用以将太阳能转化为电能以向蓄热罐供电；

太阳能集热模块，用以将太阳能转化为液体热能以加热水液；

所述蓄热罐，其分别与所述光伏集电模块、所述太阳能集热模块以及市电输出端相连，用以通过将光伏集电模块收集的电能转化为热能并将热能储存在相变蓄热材料中，并且，能够存储所述太阳能集热模块加热的水液，以及，通过热能转换将所述相变蓄热材料中的热量转换成水液热量以为供热末端提供预设温度的热水；

供暖控制模块，其分别与所述光伏集电模块、所述太阳能集热模块以及所述蓄热罐相连，用以控制所述光伏集电模块和/或市电向所述蓄热罐模块供电以使所述蓄热罐中的电加热管将所述相变蓄热材料加热至预设温度，控制所述太阳能集热模块加热所述蓄热罐中的水液，并且，通过控制所述相变蓄热材料与所述水液进行换热以使水液温度升高至预设值，以及，通过对市电使用时长的统计调整光伏板的面积和/或所述相变蓄热材料的体积以提高对太阳能的利用。

进一步地，所述蓄热罐包括：

电加热层，其分别与所述光伏集电模块的供电输出端以及所述市电供电输出端相连，用以将电能转化为用于所述相变蓄热材料的热能；

相变蓄热层，其分别与所述电加热层以及缓冲水箱相连，用以将所述电加热层产生的热能储存在所述相变蓄热材料中；

所述缓冲水箱，其分别与所述相变蓄热层、所述太阳能集热模块以及所述供热末端相连，用以为供热末端提供热水。

进一步地，所述电加热层与所述相变蓄热层通过多孔垫板相连以使所述电加热层与所述相变蓄热层中的换热介质能够自由流动，所述换热介质包括液体换热介质和固体换热介质。

进一步地，所述换热介质设置为水液或油液。

进一步地，所述供暖控制模块包括：

充放电控制器，其与所述光伏集电模块以及所述电加热层相连，用以检测所述光伏集电模块产生的电量，并且，控制向所述电加热层进行供电的供电方式，当充放电控制器在测得光伏集电模块产生的电量符合预设供电标准时控制光伏集电模块向电加热层供电以使电加热层产生热能；当测得光伏集电模块产生的电量不符合预设供电标准时控制采用市电向电加热层供电以使电加热层产生热能；

第一液体泵，其设置在所述太阳能集热模块的上水管路中，用以切换上水管路的开闭状态以控制是否使水液流入所述太阳能集热模块进行水液加热；

第二液体泵，其设置在所述蓄热罐的换热管路中，用以通过控制换热管路的流速以控制所述相变蓄热材料中储存的热量交换至所述缓冲水箱的水液中使所述水液的温度升高至预设温度的速率；

第三液体泵，其设置在所述供热末端的进水管路中，用以控制进水管路中水液的流量以使所述供热管路中回水管路内的水液温度达到预设值。

进一步地，所述充放电控制器能够控制所述所述光伏集电模块输送直流电向至所述电加热层供电以使所述电加热层产生热能。

进一步地，所述设备还包括用以检测所述供暖设备工作状态的检测模块，所述检测模块包括：

第一温度检测器，其与所述相变蓄热层相连，用以检测相变蓄热层中填充的换热介质的温度；

第二温度检测器，其设置在所述缓冲水箱中，用以检测缓冲水箱中储存的水液温度；

第三温度检测器，其设置在所述回水管路中，用以检测回水管辂中的水液温度；

第一流量检测器，其设置在所述上水管路中，用以检测上水管路中液体的流速；

第二流量检测器，其设置在所述换热管路中，用以检测换热管路中液体的流速；

第三流量检测器，其设置在所述进水管路中，用以检测进水管路中液体的流速。

进一步地，所述供暖控制模块设置有第一水液温度标准Ta1、第二水液温度标准Ta2、第一流量调节系数α1以及第二流量调节系数α2，其中，Ta1＜Ta2＜Ta0，α1＞1＞α2＞0，当第一循环泵工作时，供暖控制末端根据所述第二温度检测器检测的水温ta确定针对上水管路液体流速的调整方式，

当ta＜Ta1时，所述供暖控制模块判定水液温度低并将上水管路液体流速调整至va，设定va＝va0×α1，其中，va0为预设的上水管路液体标准流速；

当Ta1≤ta＜Ta2时，所述供暖控制模块判定水液温度符合标准并将上水管路液体流速调整至va，设定va＝va0；

当ta≥Ta2时，所述供暖控制模块判定水液温度高并将上水管路液体流速调整至va，设定va＝va0×α2。

进一步地，所述供暖控制模块设置有上水管路流速最高标准VAmax，当供暖控制模块判定需将上水管路液体流速调整至va时，所述供暖控制模块将va与VAmax进行比对以确定是否需要通过所述相变蓄热层向所述缓冲水箱进行热能补充以使所述水液温度达到预设值，

当va＜VAmax时，所述供暖控制模块判定流速调整有效并采用控制第一液体泵将上水管路流速调节至va；

当va≥VAmax时，所述供暖控制模块判定流速调整无效，供暖控制模块控制第一液体泵将上水管路流速调节至VAmax并根据相变蓄热材料的温度确定是否开启所述第二液体泵通过相变蓄热材料热量加热水液至预设温度。

进一步地，所述供暖控制模块设置有换热温度标准TB0和蓄热温度标准TB1，其中，Ta2＜TB0＜TB1，当所述供暖控制模块判定流速调整无效时，供暖控制模块根据所述第一温度检测器检测的换热介质温度tb确定是否开启所述第二液体泵进行水液加热，

当tb＜TB0时，所述供暖控制模块判定换热介质温度低于换热温度标准，供暖控制模块控制所述第二液体泵关闭并根据光伏集电模块的储备电量确定对所述电加热层的供电方式；

当TB0≤tb＜TB1时，所述供暖控制模块判定换热介质温度符合换热温度标准，供暖控制模块控制所述第二液体泵开启以通过相变蓄热材料存储热量加热水液并且根据光伏集电模块的储备电量确定对所述电加热层的供电方式以使电加热层加热相变蓄热层；

当tb≥TB1时，所述供暖控制模块判定换热介质温度符合蓄热温度标准，供暖控制模块控制所述第二液体泵开启以通过相变蓄热材料存储热量加热水液并控制所述充放电控制器关闭放电以使所述电加热层断电。

进一步地，所述供暖控制模块设置有第一放电电量标准Q0，当所述供暖控制模块判定向所述电加热层供电时，供暖控制模块根据所述充放电控制器检测的所述光伏集电模块的储备电量q与Q进行比对以确定是否采用光伏蓄电向所述电加热模块供电，

当q≤Q时，所述供暖控制模块判定储备电量不符合供电标准、光伏产电量不足，供暖控制模块控制所述充放电控制器关闭放电并采用市电向所述电加热层供电；

当q＞Q时，所述供暖控制模块判定储备电量符合供电标准、光伏产电量充足，供暖控制模块控制所述充放电控制器开启放电以使用光伏储备电量向所述电加热层供电；

所述供暖控制模块设置有市电使用第一时长标准TR1、市电使用第二时长标准TR2、第一光伏板调整系数β1和第二光伏板调整系数β2，其中，0＜TR1＜TR2＜6h，0＜β1＜1＜β2，当设备工作时，供暖控制模块以自然日为一个统计单位对预设统计周期内设备的市电平均使用时长tr进行统计并根据tr确定针对所述光伏集电模块光伏板面积的调整量以使设备能够充分利用太阳能，

当tr≤TR1时，所述供暖控制模块判定市电使用时长短、光伏板储电量高，供暖控制模块将光伏板的建议面积调整至M，设定M＝m0×β1，其中，m0为预设的光伏板面积；

当TR1＜tr≤TR2时，所述供暖控制模块判定市电使用时长符合标准、光伏板储电量符合标准，供暖控制模块将光伏板的建议面积调整至M，设定M＝m0；

当tr＞TR2时，所述供暖控制模块判定市电使用时长长需增加储备热能，供暖控制模块将光伏板的建议面积调整至M，设定M＝m0×β2并根据所述充放电控制器的放电时长tf与所述第二液体泵的开启时长th的差值△t确定是否需要增加所述相变蓄热材料的体积。

进一步地，所述供暖控制模块设置有蓄换热时长第一差值标准△T1、蓄换热时长第二差值标准△T2、第一体积调整系数μ1和第二体积调整系数μ2，其中，0≤△T1＜△T2，0.6＜μ2＜1＜μ1＜2，当光伏板面积变化时，供暖控制模块根据△t确定针对所述相变蓄热材料的体积的调整量，设定△t＝th-tf，

当△t＜△T1时，所述供暖控制模块判定蓄换热时长差值低于标准、所述相变蓄热材料蓄热量低，供暖控制模块将相变蓄热材料的体积调整至L，设定L＝l0×μ1，其中，l0为调整前的相变蓄热材料的体积；

当△T1≤△t＜△T2时，所述供暖控制模块判定蓄换热时长差值符合标准、所述相变蓄热材料蓄热量符合标准并且无需调整相变蓄热材料的体积；

当△t≥△T2时，所述供暖控制模块判定蓄换热时长差值高于标准、所述相变蓄热材料蓄热量高，供暖控制模块将相变蓄热材料的体积调整至L，设定L＝l0×μ2。

进一步地，所述供暖控制模块设置有第一供热温差标准△Tg1、第二供热温差标准△Tg2、第一流速调节系数γ1和第二流速调节系数γ2，其中，0＜△Tg1＜△Tg2＜50℃，0.5＜γ1＜1＜γ2＜3，当所述第三液体泵开启时，供暖控制模块控制所述第二温度检测器和所述第三温度检测器检测水液温度并根据第二温度检测器检测到的温度ta和第三温度检测器检测到的温度tc确定供热末端的进回水温度差值△tg，供暖控制模块将△tg与△Tg1以及△Tg2进行比对以确定换热管路液体流速以及进水管路液体流速的调整量，△tg＝ta-tc

当△tg≤△Tg1时，所述供暖控制模块判定供热损耗低于标准，供暖控制模块判定采用第一流速调节系数γ1对换热管路液体流速以及进水管路液体流速进行调节，并将调整后换热管路液体流速记为v1、将调整后进水管路液体流速记为v2，设定v1＝V10×γ1，v2＝V20×γ1；

当△Tg1＜△tg≤△Tg2时，所述供暖控制模块判定供热损耗符合标准，供暖控制模块判定无需对换热管路液体流速以及进水管路液体流速进行调节，设定v1＝V10，v2＝V20；

当△tg＞△Tg1时，所述供暖控制模块判定供热损耗高于标准，供暖控制模块判定采用第二流速调节系数γ2对换热管路液体流速以及进水管路液体流速进行调节，设定v1＝V10×γ2，v2＝V20×γ2，其中，V10为预设换热管路液体流速，V20为预设进水管路液体流速。

进一步地，所述供暖控制模块设置有光伏集电效率标准P，用以判断设备所在地光照情况以控制所述第一液体泵的启停，当设备工作时，所述供暖控制模块控制所述充放电控制器对预设单位时间ta内所述光伏集电模块的集电量qa进行检测以确定所述光伏集电模块的集电效率pa，供暖控制模块将pa与P进行比对用以确定是否开启所述第一液体泵工作以使所述太阳能集热模块工作，设定pa＝qa/ta，

当pa＜P时，所述供暖控制模块判定光伏集电效率低于标准，供暖控制模块控制所述第一液体泵关闭以降低液体循环能耗；

当pa≥P时，所述供暖控制模块判定光伏集电效率符合标准，供暖控制模块控制所述第一液体泵开启以使所述太阳能集热模块加热所述缓冲水箱中的水液。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，相对于常规的太阳能利用***，本发明综合太阳能热水***和太阳能光伏发电***，并与相变蓄热罐和缓冲水箱结合，利用蓄热技术来弥补太阳能的间歇性和不稳定性问题，可达到持续稳定供热的效果，供热效果安全可靠。

进一步地，本发明采用太阳能源，太阳能是清洁无污染的可再生能源，蓄存太阳能可以减少电量和化石能源的使用，大大降低了运行费用，节能环保。

进一步地，本发明蓄热罐中可通过冲入水或油等换热介质，利用流态换热介质流动性的特点，能够增大换热接触面积，提高本发明换热效率。

进一步地，本发明采用电能作为辅助能源，夜间无太阳能时能够利用市电的谷价电对电加热管加热，持续为蓄热罐供能，可以达到“削峰填谷”的效果，降低本发明供暖设备的使用成本，并且，能够减轻我国峰价电时的电网负担。

进一步地，本发明创造性的使用光伏发电产生的直流电直接为电加热设备供电，直流电与交流电相比具有形式简单、易于控制、传输效率高等特点，在建筑中采用直流供电***易于控制，便于光伏、储能等分布式电源灵活、高效的接入和调控，实现可再生能源的大规模建筑应用，同时，本发明通过利用低压直流安全性好的特点能够打造本质安全的设备用电环境。

进一步地，本发明与一般的蓄能装置相比，一般蓄热储能只有单一蓄热容器，而本装置结合了相变蓄热和缓冲水箱，装机容量更大，蓄热量更多。

进一步地，本发明采用蓄热加热一体化设计，将加热部分与蓄热部分组合在一起，将加热与储能一体化，能够有效减少设备占地面积，使用也更加方便简单。

进一步地，本发明将相变蓄热和缓冲水箱直接加工成一体式装置，可直接使用，无需再次组装，也可以使用卡扣连接，既可以上下安装，又可以左右安装，对安装地点的空间位置要求较小，安装和维修都更加灵活方便，运输时可拆装分开运输，到达目的地后在进行组装，有效降低了设备运输难度。

附图说明

图1为本发明实施例耦合光伏光热的蓄热式供暖设备的结构示意图；

图2为本发明实施例蓄热罐相变蓄热层剖面示意图；

图3为本发明实施例蓄热罐多孔垫板示意图；

图4为本发明实施例蓄热罐电加热层剖面示意图；

图5为本发明实施例蓄热罐中相变蓄热层与电加热层的连接示意图；

图6为本发明实施例蓄热罐中缓冲水箱示意图；

图7为本发明实施例蓄热罐的分体式安装示意图；

图8为本发明实施例蓄热罐的整体式安装示意图；

图9为本发明实施例耦合光伏光热的蓄热式供暖设备各传热介质流向示意图；

图中：1-相变蓄热层，2-电加热层，3-缓冲水箱，4-太阳能电池组，5-太阳能集热器，6-供热末端，7-第三温度探头，8-换热盘管，9-电加热管，10-末端供热水管，11-供热水泵，12-末端回水管，13-排气阀，14-太阳能热水管，15-太阳能循环水泵，16-太阳能回水管，17-油泵(或水泵)，18-排气阀，19-电动三通阀，20-供油(或水)管，21-回油(或水)管，22-充放电控制器，23-相变蓄热罐，24-第一温度探头，25-第二温度探头。

具体实施方式

为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1所示，其为本发明实施例耦合光伏光热的蓄热式供暖设备的结构示意图，本发明提供一种耦合光伏光热的蓄热式供暖设备，包括：

光伏集电模块，用以将太阳能转化为电能以向蓄热罐供电；

太阳能集热模块，用以将太阳能转化为液体热能以加热水液；

所述蓄热罐，其分别与所述光伏集电模块、所述太阳能集热模块以及市电输出端相连，用以通过将光伏集电模块收集的电能转化为热能并将热能储存在相变蓄热材料中，并且，能够存储所述太阳能集热模块加热的水液，以及，通过热能转换将所述相变蓄热材料中的热量转换成水液热量以为供热末端提供预设温度的热水；

供暖控制模块，其分别与所述光伏集电模块、所述太阳能集热模块以及所述蓄热罐相连，用以控制所述光伏集电模块和/或市电向所述蓄热罐模块供电以使所述蓄热罐中的电加热管将所述相变蓄热材料加热至预设温度，控制所述太阳能集热模块加热所述蓄热罐中的水液，并且，通过控制所述相变蓄热材料与所述水液进行换热以使水液温度升高至预设值，以及，通过对市电使用时长的统计调整光伏板的面积和/或所述相变蓄热材料的体积以提高对太阳能的利用。

请参阅图1-图4所示，所述蓄热罐包括：

电加热层2，其分别与所述光伏集电模块的供电输出端以及所述市电供电输出端相连，用以将电能转化为用于所述相变蓄热材料111的热能；

相变蓄热层1，其分别与所述电加热层2以及缓冲水箱3相连，用以将所述电加热层2产生的热能储存在所述相变蓄热材料111中；

所述缓冲水箱3，其分别与所述相变蓄热层1、所述太阳能集热模块以及所述供热末端相连，用以为供热末端提供热水。

请参阅图3所示，所述电加热层与所述相变蓄热层通过多孔垫板211相连以使所述电加热层与所述相变蓄热层中的换热介质212能够自由流动，所述换热介质包括液体换热介质和固体换热介质。

具体而言，所述换热介质212设置为水液或油液。

请继续参阅图1至图6所示，所述供暖控制模块包括：

充放电控制器22，其与所述光伏集电模块以及所述电加热层2相连，用以检测所述光伏集电模块产生的电量，并且，控制向所述电加热层2进行供电的供电方式，当充放电控制器22在测得光伏集电模块产生的电量符合预设供电标准时控制光伏集电模块向电加热层2供电以使电加热层产生热能；当测得光伏集电模块产生的电量不符合预设供电标准时控制采用市电向电加热层2供电以使电加热层产生热能；

第一液体泵，即图中太阳能循环水泵15，其设置在所述太阳能集热模块的上水管路中，用以切换上水管路的开闭状态以控制是否使水液流入所述太阳能集热模块进行水液加热；

第二液体泵，即图中油泵(或水泵)17，其设置在所述蓄热罐的换热管路中，用以通过控制换热管路的流速以控制所述相变蓄热材料中储存的热量交换至所述缓冲水箱的水液中使所述水液的温度升高至预设温度的速率；

第三液体泵，即图中供热水泵11，其设置在所述供热末端的进水管路10中，用以控制进水管路中水液的流量以使所述供热管路中回水管路内的水液温度达到预设值。

请继续参阅图1所示，所述充放电控制器22能够控制所述所述光伏集电模块输送直流电向至所述电加热层2供电以使所述电加热层2产生热能。

请继续参阅图1所示，所述设备还包括用以检测所述供暖设备工作状态的检测模块，所述检测模块包括：

第一温度检测器，其与所述相变蓄热层1相连，用以检测相变蓄热层1中填充的换热介质的温度；

第二温度检测器，其设置在所述缓冲水箱3中，用以检测缓冲水箱3中储存的水液温度；

第三温度检测器，其设置在所述回水管路12中，用以检测回水管辂中的水液温度；

第一流量检测器，其设置在所述上水管路即图中16中，用以检测上水管路中液体的流速；

第二流量检测器，其设置在所述换热管路即图中14中，用以检测换热管路中液体的流速；

第三流量检测器，其设置在所述进水管路即图中10中，用以检测进水管路中液体的流速。

具体而言，所述供暖控制模块设置有第一水液温度标准Ta1、第二水液温度标准Ta2、第一流量调节系数α1以及第二流量调节系数α2，其中，Ta1＜Ta2＜Ta0，α1＞1＞α2＞0，当第一循环泵工作时，供暖控制末端根据所述第二温度检测器检测的水温ta确定针对上水管路液体流速的调整方式，

当ta＜Ta1时，所述供暖控制模块判定水液温度低并将上水管路液体流速调整至va，设定va＝va0×α1，其中，va0为预设的上水管路液体标准流速；

当Ta1≤ta＜Ta2时，所述供暖控制模块判定水液温度符合标准并将上水管路液体流速调整至va，设定va＝va0；

当ta≥Ta2时，所述供暖控制模块判定水液温度高并将上水管路液体流速调整至va，设定va＝va0×α2。

具体而言，所述供暖控制模块设置有上水管路流速最高标准VAmax，当供暖控制模块判定需将上水管路液体流速调整至va时，所述供暖控制模块将va与VAmax进行比对以确定是否需要通过所述相变蓄热层向所述缓冲水箱进行热能补充以使所述水液温度达到预设值，

当va＜VAmax时，所述供暖控制模块判定流速调整有效并采用控制第一液体泵将上水管路流速调节至va；

当va≥VAmax时，所述供暖控制模块判定流速调整无效，供暖控制模块控制第一液体泵将上水管路流速调节至VAmax并根据相变蓄热材料的温度确定是否开启所述第二液体泵通过相变蓄热材料热量加热水液至预设温度。

具体而言，所述供暖控制模块设置有换热温度标准TB0和蓄热温度标准TB1，其中，Ta2＜TB0＜TB1，当所述供暖控制模块判定流速调整无效时，供暖控制模块根据所述第一温度检测器检测的换热介质温度tb确定是否开启所述第二液体泵进行水液加热，

当tb＜TB0时，所述供暖控制模块判定换热介质温度低于换热温度标准，供暖控制模块控制所述第二液体泵关闭并根据光伏集电模块的储备电量确定对所述电加热层的供电方式；

当TB0≤tb＜TB1时，所述供暖控制模块判定换热介质温度符合换热温度标准，供暖控制模块控制所述第二液体泵开启以通过相变蓄热材料存储热量加热水液并且根据光伏集电模块的储备电量确定对所述电加热层的供电方式以使电加热层加热相变蓄热层；

当tb≥TB1时，所述供暖控制模块判定换热介质温度符合蓄热温度标准，供暖控制模块控制所述第二液体泵开启以通过相变蓄热材料存储热量加热水液并控制所述充放电控制器关闭放电以使所述电加热层断电。

具体而言，所述供暖控制模块设置有第一放电电量标准Q0，当所述供暖控制模块判定向所述电加热层供电时，供暖控制模块根据所述充放电控制器检测的所述光伏集电模块的储备电量q与Q进行比对以确定是否采用光伏蓄电向所述电加热模块供电，

当q≤Q时，所述供暖控制模块判定储备电量不符合供电标准、光伏产电量不足，供暖控制模块控制所述充放电控制器关闭放电并采用市电向所述电加热层供电；

当q＞Q时，所述供暖控制模块判定储备电量符合供电标准、光伏产电量充足，供暖控制模块控制所述充放电控制器开启放电以使用光伏储备电量向所述电加热层供电；

所述供暖控制模块设置有市电使用第一时长标准TR1、市电使用第二时长标准TR2、第一光伏板调整系数β1和第二光伏板调整系数β2，其中，0＜TR1＜TR2＜6h，0＜β1＜1＜β2，当设备工作时，供暖控制模块以自然日为一个统计单位对预设统计周期内设备的市电平均使用时长tr进行统计并根据tr确定针对所述光伏集电模块光伏板面积的调整量以使设备能够充分利用太阳能，

当tr≤TR1时，所述供暖控制模块判定市电使用时长短、光伏板储电量高，供暖控制模块将光伏板的建议面积调整至M，设定M＝m0×β1，其中，m0为预设的光伏板面积；

当TR1＜tr≤TR2时，所述供暖控制模块判定市电使用时长符合标准、光伏板储电量符合标准，供暖控制模块将光伏板的建议面积调整至M，设定M＝m0；

当tr＞TR2时，所述供暖控制模块判定市电使用时长长需增加储备热能，供暖控制模块将光伏板的建议面积调整至M，设定M＝m0×β2，并根据所述充放电控制器的放电时长tf与所述第二液体泵的开启时长th的差值△t确定是否需要增加所述相变蓄热材料的体积。

具体而言，所述供暖控制模块设置有蓄换热时长第一差值标准△T1、蓄换热时长第二差值标准△T2、第一体积调整系数μ1和第二体积调整系数μ2，其中，0≤△T1＜△T2，0.6＜μ2＜1＜μ1＜2，当光伏板面积变化时，供暖控制模块根据△t确定针对所述相变蓄热材料的体积的调整量，设定△t＝th-tf，

当△t＜△T1时，所述供暖控制模块判定蓄换热时长差值低于标准、所述相变蓄热材料蓄热量低，供暖控制模块将相变蓄热材料的体积调整至L，设定L＝l0×μ1，其中，l0为调整前的相变蓄热材料的体积；

当△T1≤△t＜△T2时，所述供暖控制模块判定蓄换热时长差值符合标准、所述相变蓄热材料蓄热量符合标准并且无需调整相变蓄热材料的体积；

当△t≥△T2时，所述供暖控制模块判定蓄换热时长差值高于标准、所述相变蓄热材料蓄热量高，供暖控制模块将相变蓄热材料的体积调整至L，设定L＝l0×μ2。

具体而言，所述供暖控制模块设置有第一供热温差标准△Tg1、第二供热温差标准△Tg2、第一流速调节系数γ1和第二流速调节系数γ2，其中，0＜△Tg1＜△Tg2＜50℃，0.5＜γ1＜1＜γ2＜3，当所述第三液体泵开启时，供暖控制模块控制所述第二温度检测器和所述第三温度检测器检测水液温度并根据第二温度检测器检测到的温度ta和第三温度检测器检测到的温度tc确定供热末端的进回水温度差值△tg，供暖控制模块将△tg与△Tg1以及△Tg2进行比对以确定换热管路液体流速以及进水管路液体流速的调整量，△tg＝ta-tc

当△tg≤△Tg1时，所述供暖控制模块判定供热损耗低于标准，供暖控制模块判定采用第一流速调节系数γ1对换热管路液体流速以及进水管路液体流速进行调节，并将调整后换热管路液体流速记为v1、将调整后进水管路液体流速记为v2，设定v1＝V10×γ1，v2＝V20×γ1；

当△Tg1＜△tg≤△Tg2时，所述供暖控制模块判定供热损耗符合标准，供暖控制模块判定无需对换热管路液体流速以及进水管路液体流速进行调节，设定v1＝V10，v2＝V20；

当△tg＞△Tg1时，所述供暖控制模块判定供热损耗高于标准，供暖控制模块判定采用第二流速调节系数γ2对换热管路液体流速以及进水管路液体流速进行调节，设定v1＝V10×γ2，v2＝V20×γ2，其中，V10为预设换热管路液体流速，V20为预设进水管路液体流速。

具体而言，所述供暖控制模块设置有光伏集电效率标准P，用以判断设备所在地光照情况以控制所述第一液体泵的启停，当设备工作时，所述供暖控制模块控制所述充放电控制器对预设单位时间ta内所述光伏集电模块的集电量qa进行检测以确定所述光伏集电模块的集电效率pa，供暖控制模块将pa与P进行比对用以确定是否开启所述第一液体泵工作以使所述太阳能集热模块工作，设定pa＝qa/ta，

当pa＜P时，所述供暖控制模块判定光伏集电效率低于标准，供暖控制模块控制所述第一液体泵关闭以降低液体循环能耗；

当pa≥P时，所述供暖控制模块判定光伏集电效率符合标准，供暖控制模块控制所述第一液体泵开启以使所述太阳能集热模块加热所述缓冲水箱中的水液。

请参阅图1和图9所示，本发明提供一种耦合光伏光热的蓄热式供暖设备，包括蓄热罐24(包括相变储热层1、电加热层2、缓冲水箱3)、太阳能电池组4、太阳能集热器5、供热末端6、第三温度探头7、换热盘管8、电加热管9、末端供热水管10、供热水泵11、末端回水管12、排气阀13、太阳能热水管14、太阳能循环水泵15、太阳能回水管16、油泵(或水泵)17、水箱排气阀18、电动三通阀19、供油(或水)管20、回油(或水)管21、充放电控制器22，第一温度探头24，第二温度探头25。

所述充放电控制器22通过电线连接太阳能电池组4和电加热管9，所述太阳能电池组4在日间时，利用光生伏特效应将太阳的光能转化为电能后，输出直流电直接为电加热管9供电加热；在夜间无太阳照射时，利用夜间谷价电为电加热管9供电，所述充放电控制器22控制太阳能电池电能的输出，防止对负载过放电。

所述供暖控制模块(图中未画出)根据相变蓄热层的温度控制所述电加热管9的加热启停，当蓄热罐23中的换热介质为油时，温度探头24测得油温低于设定油温，电加热管9通电加热；油温高于设定油温时，电加热管9断电；当蓄热罐23中的换热介质为水时，温度探头24测得水温低于设定水温，电加热管9通电加热，水温高于95℃(或其他不超过100摄氏度的预设温度)时，电加热管9断电。

所述相变蓄热罐23包括相变蓄热层、垫板、电加热层和缓冲水箱，如图2-图4所示，所述相变蓄热层1由多孔垫板2支撑放置在相变蓄热罐23内，所述相变蓄热层内充填换热介质(可以为导热油或水)并紧密排布六边蓄热棒，所述六边蓄热棒的顶部用于螺纹连接设置为圆柱体，下半部分为了紧密布置设置为六边形，所述六边蓄热棒内部封装相变温度60℃-180℃之间的多种相变材料(如硬脂酸、三水合醋酸钠、六水合氯化镁、硝酸钠及复合相变材料等)，所述电加热管9放置在多孔垫板2下方。

所述太阳能集热器5通过太阳能热水管14连接缓冲水箱3，并通过太阳能回水管16连接太阳能循环水泵15，所述太阳能循环水泵15把缓冲水箱3中的低温水运输到太阳能集热器5，所述太阳能集热器5收集太阳能加热水后输送至缓冲水箱3进行蓄热。

所述油泵(或水泵)17通过供油(或水)管20和回油(或水)管21将相变蓄热层1和缓冲水箱3相连，所述油泵(或水泵)17根据缓冲水箱3的温度启停，当缓冲水箱3温度低于设定温度时，油泵(或水泵)17启动，从相变蓄热层1将换热介质(热油或水)通入缓冲水箱3内放置的换热盘管8中，给缓冲水箱3中的水加热，电动三通阀19打开，热量交换完成后，换热介质通过电动三通阀19回到相变蓄热层1继续蓄热；当缓冲水箱3中的水温度高于设定温度时，油泵(或水泵)17关闭，电动三通阀19切换至关闭，防止相变蓄热层1中换热介质漏入缓冲水箱3。

所述供热末端供热水泵11通过供热水管10把缓冲水箱3中的热水输送到供热末端6中，供热交换后，通过回水管12把水运输回缓冲水箱3继续进行蓄热，所述供热水泵11和/或所述油泵(或水泵)17根据供热末端6的回水温度控制进行变频，当回水温度低于设定温度，供水流量增大和/或换热流速增大，当回水温度高于设定温度，供水流量减少和/或换热流速降低，所述供热末端6包括但不仅限于散热器、辐射板等。

实施例1：

在晴朗的白天，太阳能光伏发电***的太阳能电池组4工作收集太阳能转化为电能，第一温度探头24实时测量温度，当相变蓄热层1中换热介质温度低于设定温度时，充放电控制器22控制输送直流电能为电加热管9供电；相变蓄热层1中换热介质温度较高(油温高于350℃，水温高于95℃)时，电加热管9断电。

太阳能集热模块利用太阳能集热器5收集太阳辐射能，在阳光的照射下使太阳的光能充分转化为热能，太阳能集热器5内的冷水加热后，热水输送至缓冲水箱3中，太阳能循环水泵15工作抽取缓冲水箱3中冷水送至太阳能集热器5中继续进行加热，完成太阳能热水***循环，持续蓄存热能在缓冲水箱3中。

第二温度探头25实时测量温度，当缓冲水箱3中水温低于70℃，油泵(或水泵)17启动，从相变蓄热层1中抽取热油(或热水)泵送到换热盘管8加热缓冲水箱3中的水，换热完成后电动三通阀19切换，换热介质流经电动三通阀19回到相变蓄热层1继续储热；当缓冲水箱3中水温高于85℃，油泵关闭，电动三通阀19切换，循环暂停。

水泵11将缓冲水箱3中的热水泵送至供热末端散热器6，换热完成后，通过回水管12回到缓冲水箱3，完成对建筑或其他热用户的热量需求，当热需求较大时，温度探头7测得回水温度低于40℃，水泵11进行变频，增大供水流量；当温度探头7测得回水温度高于50℃，减小供水流量，满足日间供热需求。

在夜间时，太阳能热水***和太阳能光伏发电***停止工作，利用夜间谷价电为电加热管9供电，第二温度探头25实时测量温度，当缓冲水箱3中水温低于70℃，油泵(或水泵)17启动，从相变蓄热层1中抽取热油(或热水)泵送到换热盘管8加热缓冲水箱3中的水，换热完成后电动三通阀19切换，换热介质流经电动三通阀19回到相变蓄热层1继续储热；当缓冲水箱3中水温高于85℃，油泵关闭，电动三通阀19切换，循环暂停。

水泵11将缓冲水箱3中的热水泵送至末端散热器6，换热完成后，通过回水管12回到缓冲水箱3，完成对建筑或其他热用户的热量需求，当热需求较大时，温度探头7测得回水温度低于40℃，水泵11进行变频，增大供水流量；当温度探头7测得回水温度高于50℃，减小供水流量，满足夜间供热需求。

实施例2：

本发明所设计的耦合光伏光热的蓄热式供暖设备，可设计成出厂即整体整合在一起的形式，也可以建造为分体式装置出厂，本实施例中将说明本发明的两种分体式装置的组合方式，但本发明并不限于本实施例中的两种组装方式。如图5和图6所示，本发明的蓄热罐23与缓冲水箱3设计为可拆分的形式，拆装后便于运输。如图8所示，电加热层2底部与缓冲水箱3顶部分别设置卡槽和卡脚，卡扣卡住之后用螺丝加固，安装成上下结构的形式，此结构适用于安装在狭小但有较高空间的安装地点。如图7所示，蓄热罐可安装成左右结构的形式，此结构适用于可利用空间较低的安装地点。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (6)

1.一种耦合光伏光热的蓄热式供暖设备，其特征在于，包括：

光伏集电模块，用以将太阳能转化为电能以向蓄热罐供电；

太阳能集热模块，用以将太阳能转化为液体热能以加热水液；

所述蓄热罐，其分别与所述光伏集电模块、所述太阳能集热模块以及市电输出端相连，用以通过将光伏集电模块收集的电能转化为热能并将热能储存在相变蓄热材料中，并且，能够存储所述太阳能集热模块加热的水液，以及，通过热能转换将所述相变蓄热材料中的热量转换成水液热量以为供热末端提供预设温度的热水；

供暖控制模块，其分别与所述光伏集电模块、所述太阳能集热模块以及所述蓄热罐相连，用以控制所述光伏集电模块和/或市电向所述蓄热罐模块供电以使所述蓄热罐中的电加热管将所述相变蓄热材料加热至预设温度，控制所述太阳能集热模块加热所述蓄热罐中的水液，并且，通过控制所述相变蓄热材料与所述水液进行换热以使水液温度升高至预设值，以及，通过对市电使用时长的统计调整光伏板的面积和/或所述相变蓄热材料的体积以提高对太阳能的利用；

所述蓄热罐包括：

电加热层，其分别与所述光伏集电模块的供电输出端以及所述市电供电输出端相连，用以将电能转化为用于所述相变蓄热材料的热能；

相变蓄热层，其分别与所述电加热层以及缓冲水箱相连，用以将所述电加热层产生的热能储存在所述相变蓄热材料中；

所述缓冲水箱，其分别与所述相变蓄热层、所述太阳能集热模块以及所述供热末端相连，用以为供热末端提供热水；

所述供暖控制模块包括：

充放电控制器，其与所述光伏集电模块以及所述电加热层相连，用以检测所述光伏集电模块产生的电量，并且，控制向所述电加热层进行供电的供电方式，当充放电控制器在测得光伏集电模块产生的电量符合预设供电标准时控制光伏集电模块向电加热层供电以使电加热层产生热能；当测得光伏集电模块产生的电量不符合预设供电标准时控制采用市电向电加热层供电以使电加热层产生热能；

第一液体泵，其设置在所述太阳能集热模块的上水管路中，用以切换上水管路的开闭状态以控制是否使水液流入所述太阳能集热模块进行水液加热；

第二液体泵，其设置在所述蓄热罐的换热管路中，用以通过控制换热管路的流速以控制所述相变蓄热材料中储存的热量交换至所述缓冲水箱的水液中使所述水液的温度升高至预设温度的速率；

第三液体泵，其设置在所述供热末端的进水管路中，用以控制进水管路中水液的流量以使供热管路中回水管路内的水液温度达到预设值；

所述供暖控制模块设置有第一放电电量标准Q0，当所述供暖控制模块判定向所述电加热层供电时，供暖控制模块根据所述充放电控制器检测的所述光伏集电模块的储备电量q与Q进行比对以确定是否采用光伏蓄电向所述电加热层供电，

当q≤Q时，所述供暖控制模块判定储备电量不符合供电标准、光伏产电量不足，供暖控制模块控制所述充放电控制器关闭放电并采用市电向所述电加热层供电；

当q＞Q时，所述供暖控制模块判定储备电量符合供电标准、光伏产电量充足，供暖控制模块控制所述充放电控制器开启放电以使用光伏储备电量向所述电加热层供电；

所述供暖控制模块设置有市电使用第一时长标准TR1、市电使用第二时长标准TR2、第一光伏板调整系数β1和第二光伏板调整系数β2，其中，0＜TR1＜TR2＜6h，0＜β1＜1＜β2，当设备工作时，供暖控制模块以自然日为一个统计单位对预设统计周期内设备的市电平均使用时长tr进行统计并根据tr确定针对所述光伏集电模块光伏板面积的调整量以使设备能够充分利用太阳能，

当tr≤TR1时，所述供暖控制模块判定市电使用时长短、光伏板储电量高，供暖控制模块将光伏板的建议面积调整至M，设定M=m0×β1，其中，m0为预设的光伏板面积；

当TR1＜tr≤TR2时，所述供暖控制模块判定市电使用时长符合标准、光伏板储电量符合标准，供暖控制模块将光伏板的建议面积调整至M，设定M=m0；

当tr＞TR2时，所述供暖控制模块判定市电使用时长长需增加储备热能，供暖控制模块将光伏板的建议面积调整至M，设定M=m0×β2并根据所述充放电控制器的放电时长tf与所述第二液体泵的开启时长th的差值△t确定是否需要增加所述相变蓄热材料的体积；

所述供暖控制模块设置有蓄换热时长第一差值标准△T1、蓄换热时长第二差值标准△T2、第一体积调整系数μ1和第二体积调整系数μ2，其中，0≤△T1＜△T2，0.6＜μ2＜1＜μ1＜2，当光伏板面积变化时，供暖控制模块根据△t确定针对所述相变蓄热材料的体积的调整量，设定△t=th-tf，

当△t＜△T1时，所述供暖控制模块判定蓄换热时长差值低于标准、所述相变蓄热材料蓄热量低，供暖控制模块将相变蓄热材料的体积调整至L，设定L=l0×μ1，其中，l0为调整前的相变蓄热材料的体积；

当△T1≤△t＜△T2时，所述供暖控制模块判定蓄换热时长差值符合标准、所述相变蓄热材料蓄热量符合标准并且无需调整相变蓄热材料的体积；

当△t≥△T2时，所述供暖控制模块判定蓄换热时长差值高于标准、所述相变蓄热材料蓄热量高，供暖控制模块将相变蓄热材料的体积调整至L，设定L=l0×μ2。

2.根据权利要求1所述的耦合光伏光热的蓄热式供暖设备，其特征在于，所述电加热层与所述相变蓄热层通过多孔垫板相连以使电加热层与相变蓄热层中的换热介质能够自由流动。

3.根据权利要求2所述的耦合光伏光热的蓄热式供暖设备，其特征在于，还包括用以检测所述供暖设备工作状态的检测模块，所述检测模块包括：

第一温度检测器，其与所述相变蓄热层相连，用以检测相变蓄热层中填充的换热介质的温度；

第二温度检测器，其设置在所述缓冲水箱中，用以检测缓冲水箱中储存的水液的温度；

第三温度检测器，其设置在所述回水管路中，用以检测回水管辂中的水液的温度；

第一流量检测器，其设置在所述上水管路中，用以检测上水管路中液体的流速；

第二流量检测器，其设置在所述换热管路中，用以检测换热管路中液体的流速；

第三流量检测器，其设置在所述进水管路中，用以检测进水管路中液体的流速。

4.根据权利要求3所述的耦合光伏光热的蓄热式供暖设备，其特征在于，所述供暖控制模块设置有第一水液温度标准Ta1、第二水液温度标准Ta2、第一流量调节系数α1以及第二流量调节系数α2，其中，Ta1＜Ta2＜Ta0，α1＞1＞α2＞0，当第一循环泵工作时，供暖控制末端根据所述第二温度检测器检测的水温ta确定针对上水管路液体流速的调整方式，

当ta＜Ta1时，所述供暖控制模块判定水液温度低并将上水管路液体流速调整至va，设定va=va0×α1，其中，va0为预设的上水管路液体标准流速；

当Ta1≤ta＜Ta2时，所述供暖控制模块判定水液温度符合标准并将上水管路液体流速调整至va，设定va=va0；

当ta≥Ta2时，所述供暖控制模块判定水液温度高并将上水管路液体流速调整至va，设定va=va0×α2。

5.根据权利要求4所述的耦合光伏光热的蓄热式供暖设备，其特征在于，所述供暖控制模块设置有上水管路流速最高标准VAmax，当供暖控制模块判定需将上水管路液体流速调整至va时，所述供暖控制模块将va与VAmax进行比对以确定是否需要通过所述相变蓄热层向所述缓冲水箱进行热能补充以使所述水液温度达到预设值，

当va＜VAmax时，所述供暖控制模块判定流速调整有效并采用控制第一液体泵将上水管路流速调节至va；

当va≥VAmax时，所述供暖控制模块判定流速调整无效，供暖控制模块控制第一液体泵将上水管路流速调节至VAmax并根据相变蓄热材料的温度确定是否开启所述第二液体泵通过相变蓄热材料热量加热水液至预设温度。

6.根据权利要求5所述的耦合光伏光热的蓄热式供暖设备，其特征在于，所述供暖控制模块设置有换热温度标准TB0和蓄热温度标准TB1，其中，Ta2＜TB0＜TB1，当所述供暖控制模块判定流速调整无效时，供暖控制模块根据所述第一温度检测器检测的换热介质温度tb确定是否开启所述第二液体泵进行水液加热，

当tb＜TB0时，所述供暖控制模块判定换热介质温度低于换热温度标准，供暖控制模块控制所述第二液体泵关闭并根据光伏集电模块的储备电量确定对所述电加热层的供电方式；

当TB0≤tb＜TB1时，所述供暖控制模块判定换热介质温度符合换热温度标准，供暖控制模块控制所述第二液体泵开启以通过相变蓄热材料存储热量加热水液并且根据光伏集电模块的储备电量确定对所述电加热层的供电方式以使电加热层加热相变蓄热层；

当tb≥TB1时，所述供暖控制模块判定换热介质温度符合蓄热温度标准，供暖控制模块控制所述第二液体泵开启以通过相变蓄热材料存储热量加热水液并控制所述充放电控制器关闭放电以使所述电加热层断电。