一种PVT光储光热型水源热泵系统及运行方法与流程

一种pvt光储光热型水源热泵系统及运行方法
技术领域
1.本发明涉及光伏光热及热泵设备技术领域，尤其涉及一种pvt光储光热型水源热泵系统及运行方法。


背景技术：

2.水源热泵工作原理根据逆卡诺循环原理，采用电能驱动，通过制冷剂把地下水、湖水、江水、城市污水、海水、工业废水等低品位热能吸收，提升为可用的高品位热能对水进行加热的设备。
3.水源热泵一般由压缩机、膨胀阀、过滤器、储液罐、冷凝器、蒸发器等几部分组成。低温低压气态冷媒经过压缩机压缩成为高压高温气态，高温高压的气态冷媒经热水换热器和水进行热换，高压的冷媒在常温下被冷却、冷凝为液态。这过程中，冷媒放出热量把水加热，高压液态冷媒通过膨胀阀减压，压力下降，回到比外界低的温度，具有吸热蒸发的能力，低温低压的液态冷媒经过蒸发器吸收水源的热量，由液态变为气态，吸收了热量的冷媒变成低温低压气体，再由压缩机吸入进行压缩，如此不断循环工作，不断从水源侧吸热，而在冷凝器侧放热，把水加热。这个循环过程由水源热泵来完成。水源热泵作为高效集热并转移热量的系统装置，可以把压缩机所消耗的电力变为5倍范围内的热能。而在使用水源热泵供暖时，会存在电负荷扩容的问题，同时水源温度较低时，热泵的效率也会有所降低。
4.pvt系统是集太阳能光伏发电和光热为一体的系统称为太阳能光伏光热联产系统，简称pvt。它包含光伏(pv)与光热(pt)两部分，集太阳能电池和太阳能集热器于一体，利用光生伏特效应，使光能转化为直流电，再经过逆变器转化为工频交流电供人们使用，通过电池板发电得到电收益。同时将太阳能电池板光电转换过程中产生的部分热能，通过热交换收集起来，不断被转化出来的热量加热热水，供人们使用，从而实现pvt系统的热电联供。
5.现阶段pvt系统采用直流转交流供电模式，水源热泵系统采用交流设备。同时，pvt系统集热后太阳能电池背板温度过高，造成电池板光伏发电效率下降，影响光伏发电系统的工作，提供的热水参数无法直接用来供热，在阴雨天气及晚上等日照不充足的时间，存在无法全天候保证光热转换的问题，导致热水供应无法连续进行。
6.有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种pvt光储光热型水源热泵系统及运行方法，通过pvt 水源热泵的机组，实现太阳能与水源热泵的综合利用，水源热泵与太阳能相结合具有很好的互补性。太阳能可以提高水源热泵的进液温度，提高运行效率；蓄热型水源热泵一方面可以补偿太阳能日照影响的间歇性，一方面收集集热器背板热量用于供热，防止背板温度过高影响发电效率。
8.为实现上述目的之一，本发明提供如下技术方案：
9.一种pvt光储光热型水源热泵系统，所述pvt光储光热型水源热泵系统包含若干个
pvt系统，若干个光伏直驱水源热泵机组，及若干个用户组成，所述pvt系统通过串联或并联与所述光伏直驱水源热泵机组相连接，所述光伏直驱水源热泵机组与用户用水管道相连接，所述pvt系统包含光伏太阳能板及设置在所述光伏太阳能板背后的集热器。
10.优选地，所述pvt光储光热型水源热泵系统还包括吸音机壳，所述光伏直驱水源热泵机组设置在吸音机壳内；所述光伏直驱水源热泵机组包括蒸发器、四通阀、气液分离器、直流变频压缩机、冷凝器、储液罐、智能储热罐及低温储水箱；
11.其中，蒸发器第一出口连通四通阀第一接口，四通阀第二接口连通气液分离器进口，气液分离器出口连通直流变频压缩机进口，直流变频压缩机出口连通四通阀第三接口，四通阀第四接口连通冷凝器第一进口，冷凝器第一出口连通储液罐进口，储液罐出口连通蒸发器第一进口；
12.智能储热罐第一下出口连通冷凝器第二进口，冷凝器第二出口连通智能储热罐第一上进口，智能储热罐第二进口与用户侧出口连通，智能储热罐第二出口与用户侧进口连通；
13.低温储水箱与蒸发器相连接；
14.pvt系统的集热器出口通过三通分别与蒸发器第二进口、智能储热罐第三进口连通；
15.pvt系统的集热器进口通过三通分别与蒸发器第二出口、智能储热罐第三出口连通。
16.优选地，在所述集热器、低温储水箱、智能储热罐上喷涂气凝胶保温层。
17.优选地，在储液罐出口和蒸发器第一进口之间还设置有膨胀阀和过滤器；在智能储热罐第一下出口和冷凝器第二进口之间设置有直流水泵和电控阀；在智能储热罐第一上进口和冷凝器第二出口之间设置有电控阀；在智能储热罐第二出口和用户侧进口之间设置有直流水泵；在蒸发器第二进口、智能储热罐第三进口、蒸发器第二出口、智能储热罐第三出口分别设置有电控阀。
18.优选地，所述光伏直驱水源热泵机组还包括智能主控面板、智能储电箱及直流驱动模块，所述光伏太阳能板分别与智能主控面板、智能储电箱、直流驱动模块电连接，所述直流驱动模块分别与直流水泵、直流变频压缩机、电控阀电连接。
19.优选地，所述的光伏太阳能板控制系统集成在直流水源热泵机组的智能主控面板内，所述智能主控面板分别对直流驱动模块、智能储电箱及光伏太阳能板进行电控，所述的智能储电箱可分别对智能主控面板、直流驱动模块进行供电。
20.优选地，所述直流驱动模块连接有第一交直流逆变器，所述第一交直流逆变器连接市电；所述智能储电箱连接有第二交直流逆变器，第二交直流逆变器与外用电接口电性连接。
21.为实现上述目的之二，本发明提供如下技术方案：
22.一种pvt光储光热型水源热泵系统的运行方法，包含如前所述的一种pvt光储光热型水源热泵系统，所述运行方法如下：
23.当光照充足，智能主控面板控制蒸发器的进出口和冷凝器的进出口的电控阀关闭，智能主控面板同时控制智能储热罐第三进口与智能储热罐第三进口的电控阀打开，并启动直流水泵，冷水从智能储热罐中通入pvt系统的集热器顶部，同时将pvt系统的集热器
底部热水送入智能储热罐；
24.当光照不足或夜间，智能主控面板控制蒸发器的进出口和冷凝器的进出口的电控阀打开，智能主控面板同时控制智能储热罐第一下出口与智能储热罐第一上进口的电控阀打开，并且智能主控面板控制光伏直驱水源热泵机组启动加热，使智能储热罐中的水温达到设定温度。
25.与现有技术相比较，本发明提出的一种pvt光储光热型水源热泵系统及运行方法，有益效果在于：
26.1、热能互补。
27.采用pvt 水源热泵的模式，能够全天候工作提供热水或热量，在日照充足时，pvt系统的集热器内水温较高、热量充足，启动水源热泵及蓄热水箱储热，就能满足用户使用；当日照不足或其他原因不能使蓄热水箱内水温达到要求时，减少光伏发电量同时，并加大水源热泵系统供热功率，保证用户用热需求；夜间利用高温储水箱热量，并辅助低谷电驱动水源热泵，吸取低温储水箱热量用于供热。有效的解决在阴雨天及夜晚等日照不充足的情况下，pvt热水供应不稳定不连续的问题。
28.2、双效提升。
29.对太阳能系统来说集热器表面温度越低，越有利于提高太阳能光伏发电效率，pvt 水源热泵的机组系统能够及时带走电池板背板的热量，调节电池板的温度，提高太阳能电池板的发电效率。而集热器吸收的热量同时作为水源热泵的低温热源，相比空气源热泵，提高了水源热泵的供热性能和工作效率。从而，优化实现pvt系统 水源热泵系统的热电联产运行模式。
30.3、储光储热。
31.pvt系统设置低温总水箱，热泵机组内部集成智能储电箱及智能储热罐，由热泵内的ai智能控制系统自主进行控制，电能部分：当光伏发电有余量时，将多余电量转入储电箱储存起来，需要用时再转出。热能部分：当pvt集热器内热量充足时，将多余热量送入储热罐内储存，热量供应不够时，再送出使用。
32.4、直流用电。
33.热泵同时接入光伏直流电及市电交流电，主要采用的光伏发出的直流电，用于直接驱动热泵内的直流变频压缩机、直流水泵、直流风机等器件，无需二次转换，利用率更高。在碰到极端天气时，光伏直流电不足时，市电的交流电经转换为直流电后用于驱动热泵内的直流压缩机、直流水泵、直流风机等器件。pvt 水源热泵的机组采用直流发电用电模式，进一步降低交直流转换损耗，发电自用，余电上网，对电网增容需求低，对电网运行安全冲击小。
34.5、灵活组合，梯级配置。
35.pvt系统和水源热泵可灵活组合使用，当光照充足，pvt系统的集热器(组)内水温较高时，可将两级热泵串联使用，第一级使用高温型直流水源热泵机组，第二级使用普通型直流水源热泵机组，将集热器内温度较高的水先进入高温型热泵，换热后再送入普通型热泵，换热后水温可降低至15-20度，再送回集热器内继续吸收光热。
36.pvt系统 水源热泵也可以进行并联使用，pvt系统依据系统电、热负荷，n个为一组，分成n组，接入分集水器，分集水器再接入并联的水源热泵。
37.6、气凝胶保温。
38.pvt系统背部集热器周围采用气凝胶保温，通过喷涂气凝胶，降低热量损失，提高能源利用效率。
39.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
40.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
41.图1为本发明实施例提出的一种pvt光储光热型水源热泵系统的结构示意图。
42.图2为本发明实施例提出的一种pvt光储光热型水源热泵系统中光伏直驱水源热泵机组的结构示意图。
43.图3为本发明实施例提出的一种pvt光储光热型水源热泵系统中光伏直驱水源热泵机组串联的结构示意图。
44.图4为本发明实施例提出的一种pvt光储光热型水源热泵系统中光伏直驱水源热泵机组并联的结构示意图。
45.图5为本发明实施例提出的一种pvt光储光热型水源热泵系统中pvt系统的结构示意图。
46.图中示意如下：
47.1-吸音机壳；2-智能主控面板；3-智能储电箱；4-直流驱动模块；5-第一交直流逆变器；6-四通阀；7-蒸发器；8-膨胀阀；9-过滤器；10-储液罐；11-直流变频压缩机；12-气液分离器；13-冷凝器；14—球阀；15—直流水泵；16-智能储热罐；17-第二交直流逆变器；18-电控阀；19—光伏太阳能板；20-光伏直驱水源热泵机组；21-室内采暖末端；22-室内空调末端；23-生活热水末端；24-照明；25-家电；26-集热器；27-高温型光伏直驱水源热泵机组；28-分水器；29-集水器；30-气凝胶保温层；31-低温储水箱。
具体实施方式
48.下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
49.水源热泵工作原理根据逆卡诺循环原理，采用电能驱动，通过制冷剂把地下水、湖水、江水、城市污水、海水、工业废水等低品位热能吸收，提升为可用的高品位热能对水进行加热的设备。
50.水源热泵一般由压缩机、膨胀阀、过滤器、储液罐、冷凝器、蒸发器等几部分组成。
低温低压气态冷媒经过压缩机压缩成为高压高温气态，高温高压的气态冷媒经热水换热器和水进行热换，高压的冷媒在常温下被冷却、冷凝为液态。这过程中，冷媒放出热量把水加热，高压液态冷媒通过膨胀阀减压，压力下降，回到比外界低的温度，具有吸热蒸发的能力，低温低压的液态冷媒经过蒸发器吸收水源的热量，由液态变为气态，吸收了热量的冷媒变成低温低压气体，再由压缩机吸入进行压缩，如此不断循环工作，不断从水源侧吸热，而在冷凝器侧放热，把水加热。这个循环过程由水源热泵来完成。水源热泵作为高效集热并转移热量的系统装置，可以把压缩机所消耗的电力变为5倍范围内的热能。而在使用水源热泵供暖时，会存在电负荷扩容的问题，同时水源温度较低时，热泵的效率也会有所降低。
51.pvt系统是集太阳能光伏发电和光热为一体的系统称为太阳能光伏光热联产系统，简称pvt。它包含光伏(pv)与光热(pt)两部分，集太阳能电池和太阳能集热器于一体，利用光生伏特效应，使光能转化为直流电，再经过逆变器转化为工频交流电供人们使用，通过电池板发电得到电收益。同时将太阳能电池板光电转换过程中产生的部分热能，通过热交换收集起来，不断被转化出来的热量加热热水，供人们使用，从而实现pvt系统的热电联供。
52.现阶段pvt系统采用直流转交流供电模式，水源热泵系统采用交流设备。同时，pvt系统集热后太阳能电池背板温度过高，造成电池板光伏发电效率下降，影响光伏发电系统的工作，提供的热水参数无法直接用来供热，在阴雨天气及晚上等日照不充足的时间，存在无法全天候保证光热转换的问题，导致热水供应无法连续进行。
53.有鉴于此，本发明实施例提供一种pvt光储光热型水源热泵系统，通过pvt 水源热泵的机组，实现太阳能与水源热泵的综合利用，水源热泵与太阳能相结合具有很好的互补性。太阳能可以提高水源热泵的进液温度，提高运行效率；水源热泵可以补偿太阳能日照影响的间歇性。
54.如图1所示，本实施例提供的一种pvt光储光热型水源热泵系统，
55.所述pvt光储光热型水源热泵系统包含若干个pvt系统，若干个光伏直驱水源热泵机组20，及若干个用户组成，所述pvt系统通过串联或并联与所述光伏直驱水源热泵机组20相连接，所述光伏直驱水源热泵机组20与用户用水管道相连接，所述pvt系统包含光伏太阳能板19及设置在所述光伏太阳能板19背后的集热器26。
56.如图2所示，在本实施例中，所述pvt光储光热型水源热泵系统还包括吸音机壳1，所述光伏直驱水源热泵机组20设置在吸音机壳1内，光伏直驱水源热泵机组20包括蒸发器7、四通阀6、气液分离器12、直流变频压缩机11、冷凝器13、储液罐10、智能储热罐16及低温储水箱；其中，蒸发器7第一出口连通四通阀6第一接口，四通阀6第二接口连通气液分离器12进口，气液分离器12出口连通直流变频压缩机11进口，直流变频压缩机11出口连通四通阀6第三接口，四通阀6第四接口连通冷凝器13第一进口，冷凝器13第一出口连通储液罐10进口，储液罐10出口连通蒸发器7第一进口；
57.智能储热罐16第一下出口连通冷凝器13第二进口，冷凝器13第二出口连通智能储热罐16第一上进口，智能储热罐16第二进口与用户侧出口连通，智能储热罐16第二出口与用户侧进口连通；
58.低温储水箱31与蒸发器7相连接；
59.pvt系统的集热器26出口通过三通分别与蒸发器7第二进口、智能储热罐16第三进口连通；
60.pvt系统的集热器26进口通过三通分别与蒸发器7第二出口、智能储热罐16第三出口连通。
61.在储液罐10出口和蒸发器7第一进口之间还设置有膨胀阀8和过滤器9；在智能储热罐16第一下出口和冷凝器13第二进口之间设置有直流水泵15和电控阀18；在智能储热罐16第一上进口和冷凝器13第二出口之间设置有电控阀18；在智能储热罐16第二出口和用户侧进口之间设置有直流水泵15；在蒸发器7第二进口、智能储热罐16第三进口、蒸发器7第二出口、智能储热罐16第三出口分别设置有电控阀18。
62.更进一步，如图5所示，在一个优选的实施例中在所述集热器26、低温储水箱31、智能储热罐16上喷涂气凝胶保温层上包裹气凝胶保温层30。pvt系统背部集热器26、低温储水箱31、智能储热罐16周围采用气凝胶保温，通过喷涂气凝胶，降低热量损失，提高能源利用效率。
63.为了更进一步说明光伏直驱水源热泵机组20的工作原理，针对光伏直驱水源热泵机组20内部流程阐述如下：
64.直流变频压缩机11出口与四通阀6第三接口通过管道连接，直流变频压缩机11进口与气液分离器12出口通过管道连接，气液分离器12进口与四通阀6第二接口通过管道连接，四通阀6第一接口与蒸发器7第一出口通过管道连接，蒸发器7第一进口与膨胀阀8出口通过管道连接，膨胀阀8进口与过滤器9通过管道连接，过滤器9与储液罐10出口通过管道连接，储液罐10进口与冷凝器13第一出口通过管道连接，冷凝器13第一进口通过管道连接至四通阀6第四接口。
65.冷凝器13第二出口与电控阀18通过管道连接，电控阀18与智能储热罐16第一上进口通过管道连接，智能储热罐16第一下出口与电控阀18、直流水泵15、球阀14通过管道连接至冷凝器13第二进口。
66.智能储热罐16第二进口与球阀14通过管道连接引至机组外作为用户侧出水口；智能储热罐16第二出口与球阀14、直流水泵15、球阀14通过管道连接引至机组外作为用户侧进水口。此时，可以供用户侧的室内采暖末端21、室内空调末端22、生活热水末端23进行使用。
67.pvt系统出口与光伏直驱水源热泵机组20进水口连接，再连接球阀14，经三通的一路和电控阀18与蒸发器7第二进口连接，三通的另一路与电控阀18通过管道连接至智能储热罐16第三进口，智能储热罐16第三出口通过管道与电控阀18连接，经三通的一路和电控阀18与蒸发器7第二出口连接，三通的另一路与球阀14、直流水泵15、球阀14通过管道连接引至机组外，再通过管道连接至pvt系统进口。
68.pvt系统的光伏太阳能板19与智能主控面板2、智能储电箱3、直流驱动模块4电性连接，智能主控面板2分别与智能储电箱3、直流驱动模块4电性连接，直流驱动模块4分别与直流风机、直流变频压缩机11、直流水泵15、智能储电箱3电性连接。市电接入口与第一交直流逆变器5电性连接，第一交直流逆变器5与直流驱动模块4电性连接。智能储电箱3与第二交直流逆变器17电性连接，第二交直流逆变器17与外接口电性连接。此时，可以供用户侧的照明24、家电25进行使用。
69.pvt系统的光伏太阳能板19及背后的集热器26和直流水源热泵安装在室外屋顶或者空地上，所发电力通过电缆与光伏直驱水源热泵机组20直连，光伏直驱水源热泵机组20
通过管道和电缆与所述的用户直连，光伏组件的控制系统集成在光伏直驱水源热泵机组20的智能主控面板2内。
70.在本实施例的一个优选实施例中，光伏直驱水源热泵机组20内置的智能储电箱3、智能储热罐16，智能储电箱3通过第二交直流逆变器17连接用户，智能储热罐16分三路连接，一路通过管道连接用户；一路通过管道连接冷凝器13；一路通过管道连接pvt系统的集热器26，并与蒸发器7并联连接。
71.光伏直驱水源热泵机组20内内安装的是所述的直流变频压缩机11、电控阀18、直流水泵15，均与直流驱动模块4连接，采用pvt系统的光伏太阳能板19所产生直流电驱动。
72.此外，本发明还提供一种pvt光储光热型水源热泵系统的运行方法，其具体方法如下：
73.pvt光储光热型水源热泵系统主要由pvt系统的集热器26作为热源，水源热泵作为辅助加热。在热水使用负荷不大或日照条件较好、pvt系统的集热器26温度较高时，水源热泵可以不用启动，将pvt系统的集热器26中的热水直接供用户使用。此时系统只需消耗很少的电能，系统的热能利用率较高。当太阳能不足或因循环散热等原因造成智能储热罐16内水温达不到使用要求时，自动启动热泵加热到设定温度，以保证热水或热量的使用。
74.pvt光储光热型水源热泵系统采用定温加热方式，在光照充足条件下，智能主控面板2控制蒸发器7进出口和冷凝器13器进出口的电控阀18关闭，并将智能储热罐16一路的进出口的电控阀18打开，并启动热源侧直流水泵15循环，冷水进入pvt系统的集热器26顶部，同时将pvt系统的集热器26底部热水送入智能储热罐16；当pvt系统的集热器26水温低于设定温度时，智能主控面板2调节直流水泵15变频，从而不断将达到设定温度的热水送入智能储热罐16，循环加热。夜间模式：
75.pvt系统的集热器26水温高于智能储热罐16水温时，智能主控面板2控制启动直流水泵15，将蓄热水箱内较低温度的水，泵入pvt系统的集热器26继续加热，同时将pvt系统的集热器26内较高温度的热水送回智能储热罐16。通过使智能储热罐16水温升高的方法储存pvt系统的集热器26吸收的太阳能。
76.如图3所示，pvt光储光热型水源热泵系统可采用串联使用，第一级采用高温型光伏直驱水源热泵机组27，第二级采用普通型光伏直驱水源热泵机组20，当光照充足，pvt系统的集热器26内水温较高时，将集热器26内温度较高的水先进入高温型光伏直驱水源热泵机组27，换热后再送入普通型光伏直驱水源热泵机组20，换热后水温可降低至15-20度，再送回集热器26内继续吸收光热。如图4所示，pvt光储光热型水源热泵系统可采用并联使用，pvt系统依据系统电、热负荷，n个为一组，分成n组，接入分水器28和集水器29，分水器28和集水器29再接入并联的光伏直驱水源热泵机组20。
77.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的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，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
78.此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而
是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
79.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
80.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，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。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。