一种太阳能光热耦合柔性蓄供暖系统

1.本实用新型涉及建筑节能领域，特别是涉及一种太阳能光热耦合柔性蓄供暖系统。


背景技术：

[0002]“30
·
60”碳中和的宏伟愿景和近期煤炭资源短缺对我国能源转型发展意义重大，对能源供需提出了新要求，清洁能源利用与储能越来越成为能源链条中不可或缺的一环。为适应高比例的可再生能源结构，供暖行业面临着较大的碳减排压力。虽然通过碳交易可以在一定程度上缓解碳排压力，但是不能从根本上改变供暖企业的高碳能源结构。只有及时增大具有低碳属性的绿色能源在供暖应用中的比例，才能真正适应“开源节流”的碳减排趋势发展。
[0003]
太阳能是广泛使用的低碳节能技术，但是也存在效率低、能量密度不均匀以及造价高等缺陷。太阳能的光热利用是将太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转换成热能加以利用，但太阳能的光热利用所产生的热能为低品质能，使用范围比较单一，只能用于冬季供暖或者供热水使用，无法在夏季用于制冷使用，整套系统利用率低；而且热量密度较低，占地面积大，造价成本高，不符合供热企业转型的发展需求。而太阳能的光电利用是将太阳的辐射能光子通过半导体材料转换为电能，电能作为高品质能可用于供暖、制冷的用电设备使用，不受季节限制。
[0004]
为了降低冬季市政供热管网的供热压力，节约化石燃料资源，满足低碳清洁供暖，达到“碳中和.碳达峰”的目标，设计了该太阳能光热耦合柔性蓄供暖系统，相对于常规的市政供热模式，该系统采用可再生能源太阳能用于发热发电，可有效降低市政供热量，同时降低市电的使用，降低了运行成本；且市政供热作为补热方式，为供暖建筑稳定供热提供了保障。


技术实现要素：

[0005]
为此，本实用新型提供一种太阳能光热耦合柔性蓄供暖系统，用以解决太阳能利用率低、供热企业碳排放量高的问题。
[0006]
为实现上述目的，本实用新型提供一种太阳能光热耦合柔性蓄供暖系统，包括：
[0007]
太阳能集热单元，其包括蓄热水箱，所述蓄热水箱上设置有蓄热水箱第一入口端、蓄热水箱第一出口端、蓄热水箱第二入口端以及蓄热水箱第二出口端，所述蓄热水箱第一出口端通过太阳能集热器供水管连接太阳能集热器入口端，所述太阳能集热器出口端通过太阳能集热器出水管连接蓄热水箱第一入口端；
[0008]
光伏直流发电蓄热单元，其包括光伏集热装置、直流变频热泵和柔性蓄热模块，其中，所述光伏集热装置出口端和所述直流变频热泵出口端分别与所述柔性蓄热模块入口端相连，柔性蓄热模块出口端分别与光伏集热装置入口端和直流变频热泵入口端相连；所述光伏集热装置包括太阳能光伏板、聚光器和降温蓄热装置，其中所述聚光器和所述降温蓄
热装置分别设置在所述光伏板的两侧和背面；
[0009]
市政供暖单元，其包括板式换热器一和板式换热器二，所述板式换热器一上设置有板式换热器一第一入口端、板式换热器一第一出口端、板式换热器一第二入口端以及板式换热器一第二出口端，其中，所述板式换热器一第一入口端分别与所述柔性蓄热模块出口端和所述蓄热水箱第二出口端相连，板式换热器一第二入口端与供暖建筑相连，所述板式换热器二出口端与市政热网相连。
[0010]
进一步地，所述太阳能集热器出口端与所述蓄热水箱第一入口端之间设置有第一循环泵，用以驱动太阳能集热器出水管中介质的流动。
[0011]
进一步地，所述光伏集热装置出口端与所述柔性蓄热模块入口端之间设置有第二循环泵，用以驱动介质的流动。
[0012]
进一步地，所述柔性蓄热模块入口端与所述第二循环泵、所述直流变频热泵的出口端之间设置有第一电动阀门，用于开闭管路、控制流向；所述第一电动阀门与所述蓄热水箱第二入口端、板式换热器一第一出口端之间设置有第三电动阀门，用于开闭管路、控制流向。
[0013]
进一步地，所述柔性蓄热模块出口端与所述直流变频热泵入口端之间设置有第三循环泵，用以驱动介质的流动。
[0014]
进一步地，所述柔性蓄热模块出口端与所述光伏集热装置入口端、所述直流变频热泵入口端之间设置有第二电动阀门，用于开闭管路、控制流向。
[0015]
进一步地，所述太阳能光伏板和所述降温蓄热装置中间内置换热管，用于集热介质流通。
[0016]
进一步地，所述聚光器上部开口处设有密封用的玻璃盖板，用于增加保温和集热效果。
[0017]
进一步地，所述板式换热器一第一入口端与所述柔性蓄热模块出口端、所述蓄热水箱第二出口端之间设置有用于开闭管路、控制流向的第四电动阀门和用以驱动介质流动的第四循环泵。
[0018]
进一步地，所述板式换热器一第二出口端、所述板式换热器二出口端与所述供暖建筑之间设置有用于开闭管路、控制流向的第五电动阀门和用以驱动介质流动的第五循环泵。
[0019]
与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于，本实用新型实现了高光伏效率和高集热效率的耦合，以相对便宜的聚光器来将太阳光汇聚到太阳能光伏板中，并使用降温蓄热装置降低光伏板的组件温度，并使其工作温度稳定，提高发电效率，同时收集的热量可用于冬季建筑供暖使用，实现了分层式能量利用，提高了太阳能的利用率，增加了具有低碳属性的绿色能源在供暖应用中的比例，节约化石燃料资源，满足低碳清洁供暖。
[0020]
进一步地，光伏集热装置产生的直流电直接供给直流变频热泵，相对于常规的光伏直流发电储电形式，光伏直流发电蓄热的建设成本是光伏直流发电储电的 1/4，而且相对于储电，蓄热不存在燃烧爆炸等安全问题；并且采用光伏直流发电蓄热的方式，可以解决光伏集热装置所集热量由于温度高低变化而无法满足柔性蓄热模块对热量温度的要求的问题，进一步提高了所述系统对太阳能的利用效率。
[0021]
进一步地，本实用新型所述的太阳能光热耦合柔性蓄供暖系统采用直流变频热
泵，通过调节输入电源的频率，控制电机转速，实现无级调节，降低噪音，提升工作效率。
[0022]
进一步地，相变材料在熔化或凝固过程中虽然温度不变，但吸收或释放的潜热却相当大。使用柔性蓄热模块收集太阳能光伏板背的热量，具有足够大的相变潜热，性能稳定、可反复使用、导热性好、热交换效率高。此外，储存在柔性相蓄热模块内的热量，通过热泵的升温为供暖建筑夜间供暖使用，使该系统实现零排放，对环境友好，进一步提高了所述系统对太阳能的利用效率，满足低碳清洁供暖。
[0023]
进一步地，本实用新型所述的太阳能光热耦合柔性蓄供暖系统与常规能源供暖系统相比，太阳能光热耦合柔性蓄供暖系统是以太阳能集热器作为能源，替代以煤、石油、天然气、电力等作为能源的锅炉，对环境友好。太阳能集热器获取太阳辐射能转化的热量，可以储存在蓄热水箱内，减少了热量的浪费，进一步提高了所述系统对太阳能的利用效率。
[0024]
进一步地，为了弥补白天太阳能不足的情况，保留供暖建筑原有的市政供热系统，当太阳能集热单元与光伏直流发电蓄热单元无法为供暖建筑供热时，市政热网就会为供暖建筑补充供暖，以保证供暖建筑的正常采暖。
附图说明
[0025]
图1为本实用新型所述的一种太阳能光热耦合柔性蓄供暖系统的组成结构示意图；
[0026]
图2为光伏集热装置示意图；
[0027]
图3为光伏集热装置沿1-1界面剖面图；
[0028]
图中：太阳能集热单元ⅰ、光伏直流发电蓄热单元ⅱ、市政供暖单元ⅲ、太阳能集热器1、蓄热水箱2、太阳能集热器供水管3、太阳能集热器出水管4、光伏集热装置5、直流变频热泵6、柔性蓄热模块7、板式换热器一8、板式换热器二9、供暖建筑10、蓄热水箱第一入口端11、蓄热水箱第一出口端12、蓄热水箱第二入口端13、蓄热水箱第二出口端14、板式换热器一第一入口端15、板式换热器一第一出口端16、板式换热器一第二入口端17、板式换热器一第二出口端18、第一循环泵p1、第二循环泵p2、第三循环泵p3、第四循环泵p4、第五循环泵p5、第一电动阀门ev1、第二电动阀门ev2、第三电动阀门ev3、第四电动阀门ev4、第五电动阀门ev5、太阳能光伏板51、聚光器52、降温蓄热装置 53、玻璃盖板54。
具体实施方式
[0029]
为了使本实用新型的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本实用新型作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0030]
下面参照附图来描述本实用新型的优选实施方式。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实用新型的技术原理，并非在限制本实用新型的保护范围。
[0031]
需要说明的是，在本实用新型的描述中，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实用新型的限制。
[0032]
此外，还需要说明的是，在本实用新型的描述中，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实用新型中的具体含义。
[0033]
请参阅图1所示，其为本实用新型所述太阳能光热耦合柔性蓄供暖系统的结构示意图。本实用新型所述太阳能光热耦合柔性蓄供暖系统，包括：
[0034]
太阳能集热单元ⅰ，其包括蓄热水箱2，所述蓄热水箱2上设置有蓄热水箱 2第一入口端11、蓄热水箱2第一出口端12、蓄热水箱2第二入口端13以及蓄热水箱2第二出口端14，所述蓄热水箱2第一出口端12通过太阳能集热器供水管3连接太阳能集热器1入口端，所述太阳能集热器1出口端通过太阳能集热器出水管4连接蓄热水箱2第一入口端11。
[0035]
光伏直流发电蓄热单元ⅱ，其包括光伏集热装置5、直流变频热泵6和柔性蓄热模块7，其中，所述光伏集热装置5出口端和所述直流变频热泵6出口端分别与所述柔性蓄热模块7入口端相连，柔性蓄热模块7出口端分别与光伏集热装置5入口端和直流变频热泵6入口端相连。
[0036]
市政供暖单元ⅲ，其包括板式换热器一8和板式换热器二9，所述板式换热器一8上设置有板式换热器一8第一入口端15、板式换热器一8第一出口端16、板式换热器一8第二入口端17以及板式换热器一8第二出口端18，其中，所述板式换热器一8第一入口端15分别与所述柔性蓄热模块7出口端和所述蓄热水箱2第二出口端14相连，板式换热器一8第二入口端17与供暖建筑相连10，所述板式换热器二9出口端与市政热网相连。
[0037]
具体而言，所述太阳能集热器1出口端与所述蓄热水箱2第一入口端11之间设置有第一循环泵p1，用以驱动太阳能集热器出水管4中介质的流动。
[0038]
具体而言，所述光伏集热装置5出口端与所述柔性蓄热模块7入口端之间设置有第二循环泵p2，用以驱动介质的流动。
[0039]
具体而言，所述柔性蓄热模块7入口端与所述第二循环泵p2、所述直流变频热泵6的出口端之间设置有第一电动阀门ev1，用于开闭管路、控制流向。
[0040]
具体而言，所述第一电动阀门ev1与所述蓄热水箱2第二入口端13、板式换热器一8第一出口端16之间设置有第三电动阀门ev3，用于开闭管路、控制流向。
[0041]
具体而言，所述柔性蓄热模块7出口端与所述直流变频热泵6入口端之间设置有第三循环泵p3，用以驱动介质的流动。
[0042]
具体而言，所述柔性蓄热模块7出口端与所述光伏集热装置5入口端、所述直流变频热泵6入口端之间设置有第二电动阀门ev2，用于开闭管路、控制流向。
[0043]
具体而言，所述板式换热器一8第一入口端15与所述柔性蓄热模块7出口端、所述蓄热水箱2第二出口端14之间设置有第四电动阀门ev4和第四循环泵 p4。
[0044]
具体而言，所述板式换热器一8第二出口端18、所述板式换热器二9出口端与所述供暖建筑10之间设置有第五电动阀门ev5和第五循环泵p5。
[0045]
可选的，太阳能集热器1包括太阳能板及其他形式的太阳能集热装置。
[0046]
优选的，第一循环泵p1可以为太阳能集热器1出口端流出的液体输送动力。
[0047]
优选的，太阳能集热器供水管3和太阳能集热器出水管4均选用dn≤150 时采用无
缝钢管,设计压力为1.6mpa。管道内的保温材料均采用聚氨酯硬质泡沫塑料，保温效果较好，还具有一定的抗压强度。管道的外保护壳采用高密聚乙烯套筒保护壳，强度高、耐久性长，使用寿命长。
[0048]
请参阅图2所示，其为光伏集热装置示意图，包括太阳能光伏板51和聚光器52，其中所述聚光器52设置在所述光伏板51的两侧。本实用新型所述的光伏集热装置5可以安装在建筑屋顶、阳台，也可以安装在建筑墙体外表面。
[0049]
请参阅图3所示，其为光伏集热装置沿1-1界面剖面图，包括太阳能光伏板51、聚光器52、降温蓄热装置53和玻璃盖板54，其中所述降温蓄热装置53设置在所述光伏板51的背面，所述玻璃盖板54设置在所述聚光器52上部的开口处。
[0050]
具体而言，所述降温蓄热装置53用于收集太阳能光伏板51产生的热量，当太阳能光伏板51背面的降温蓄热装置53内的温度到达设定温度时，开启第一电动阀门ev1和第二循环泵p2将降温蓄热装置53内部的热量储存到柔性蓄热模块 7中，当降温蓄热装置53内部温度低于设定温度时，第一电动阀门ev1关闭，循环泵p2关闭。
[0051]
优选的，在太阳能光伏板51和降温蓄热装置53中间内置有用于集热介质流通的换热管，换热管选用dn≤150时采用无缝钢管,流动阻力小、不易堵塞、易清理。
[0052]
可选的，集热介质可以为水，比热容大、经济性高。但考虑到北方冬季气温较低，可能会出现冻管等情况，在冬天可以选择乙二醇水溶液等凝固点低的液体。
[0053]
优选的，聚光器52选择复合抛物面cpc聚光器，安装简单、价格便宜、只聚光不成像，因而不需要跟踪装置，只需要根据季节变化作少量倾斜度的调整。
[0054]
优选的，在聚光器52开口处加装玻璃盖板54以密封，有利于保温和集热效果。
[0055]
优选的，电动阀门选用蝶阀，耐压1.6mpa，耐温200℃。
[0056]
具体而言，本实用新型的工作原理为：
[0057]
白天，应用本实用新型的技术方案，在太阳能集热单元ⅰ中，当太阳能集热器1中热水温度超过蓄热水箱2内5℃时启动第一循环泵p1进行循环，把太阳能集热器1收集的热量带入蓄热水箱2进行加热，加热完成后开启第三电动阀门 ev3将热量输送至板式换热器一8，建筑二次网回水进入板式换热器一8进行换热，并输送到供暖建筑10中，以供供暖建筑10白天供暖、生活用水等的使用。在光伏直流发电蓄热单元ⅱ中，太阳能光伏板51两侧的聚光器52将太阳光汇聚到太阳能光伏板51表面进行发电，所产生的直流电直接为直流变频热泵6供电，避免了逆变器的使用。同时，当太阳能光伏板51背面的降温蓄热装置53内的温度到达设定温度时，开启第一电动阀门ev1，循环泵p2启动，将降温蓄热装置 53内部的热量储存到柔性蓄热模块7中，以备供暖建筑10夜间使用，当降温蓄热装置53内部温度低于设定温度时，关闭第一电动阀门ev1，循环泵p2关闭。此外，当直流变频热泵6产生温度稳定的热量时，开启第二电动阀门ev2，将热量传输到柔性蓄热模块7中，以满足柔性蓄热模块7的温度要求。
[0058]
晚上，应用本实用新型的技术方案，当太阳能集热单元ⅰ的供热温度低于设定的建筑二次网回水温度的时候，电动阀门ev1～ev4自动切换方向，不再使用太阳能集热单元ⅰ供暖，而从柔性蓄热模块7中取热，建筑二次网回水进入板式换热器一8进行换热，以供供暖建筑10夜间供暖、生活用水等的使用。
[0059]
当白天太阳辐射强度不足或者柔性蓄热模块7中的热量不足时，电动阀门 ev5自
动切换方向，建筑二次网回水进入板式换热器二9进行换热，由市政热网为供暖建筑10供暖。
[0060]
本实用新型实施例提供的一种太阳能光热耦合柔性蓄供暖系统，在白天使用太阳能集热单元集热为供暖建筑供暖；同时光伏集热装置产生的直流电直接供给直流变频热泵，利用空气能产生热量，将热量直接存储在柔性蓄热模块中，用于所述系统夜间供暖使用，相对于常规的光伏直流发电储电形式，光伏直流发电蓄热的建设成本是光伏直流发电储电的1/4，而且相对于储电，蓄热不存在燃烧爆炸等安全问题，而采用光伏直流发电蓄热的方式，可以解决光伏集热装置所集热量由于温度高低变化而无法满足柔性蓄热模块对热量温度的要求的问题。同时，为了弥补白天太阳能不足的情况，保留供暖建筑原有的市政供热系统，当太阳能集热单元与光伏直流发电蓄热单元无法为供暖建筑供热时，市政热网就会为供暖建筑供暖。该系统克服了已有技术的不足，为太阳能光热利用在人们生活领域的应用提供了技术支持。
[0061]
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本实用新型的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本实用新型的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本实用新型的原理的前提下，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实用新型的保护范围之内。
[0062]
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型；对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。