CN101566406A - 太阳能光伏与光热联产式混合动力热泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能光伏与光热联产式混合动力热泵，旨在提供一种由以太阳能为主要能源，用于家庭冬季供暖、夏季制冷和提供热水的新型热泵。它包括太阳能采集系统和混合动力热泵系统，所述太阳能采集系统为一光伏与光热联产系统包括：太阳能薄膜电池、太阳能集热器、相变蓄热器、蓄电池，所述薄膜电池后面设有流体通道，流体通道与集热器相联。集热器，热泵系统氨水吸收制冷系统、氨压缩制冷系统、氨水扩散制冷系统三种系统串联耦合、共用换热、节流设备和制冷工质构成，含有以管路依次连通的储液器、溶液泵、发生器、精馏器、冷凝器、压缩机、节流阀、蒸发器、吸收器。热泵发生器有相变蓄热器供热，热泵二级压缩机有蓄电池供电。

Description

太阳能光伏与光热联产式混合动力热泵

技术领域

本发明涉及到一种热泵的设备，更具体地说，本发明涉及到一种以太阳能为主要能源，辅以部分电能驱动，以氨为工质的压缩、吸收、扩散三种制冷方式联合工作的混合动力型热泵。

背景技术

目前太阳能热泵系统，主要有两种研究方向。第一类：将太阳能转化为电能，电能驱动压缩式热泵；第二类：将太阳能转化为热能，热驱动空调。对于第一类太阳能热泵系统而言，其将太阳能转化为电能的又有两种方式：太阳能光伏发电系统即利用光伏电池将太阳能转化为电能，第二是将太阳能转化为高温热能，驱动蒸汽轮机。就采用的压缩式热泵系统而言，其效率非常高，但由于目前两类太阳能发电都不是太成熟，价格过高。对于第二类太阳能热泵系统而言，其首先利用集热器，将太阳能转化为热能，集热即将太阳辐射转变为热能的装置，目前主要有平板式、真空管式和聚焦式集热器3种类型，获得的集热温度依次升高；太阳能驱动的驱动热泵目前主要分为两类：吸收式和吸附式热泵。吸收式热泵又分为氨水吸收式热泵和溴化锂吸收式热泵，氨水吸收式热泵技术整体效率比溴化锂循环要低，大多数厂家如日本Yasaki公司、Mayekawa公司和国内远大公司、广州太阳能研究所均采用的这种技术，这种技术虽可以实现低温热源下的运行，但效率偏低；对于吸附式制冷，为近几年研究热点。德国SolarNext AG公司公司的产品属于这类范畴，其固体吸附式制冷有一些自身的优势：结构简单、无运动部件、无噪音、无污染、运行稳定、不存在结晶问题、可靠性高，特别是还能适用于一些振动或者旋转场所。但其属于间歇运行，设备庞大、系统热量利用率不高、热泵效率更低。对于太阳能热泵实现的关键包括两部分：1是太阳能采集系统；2是热泵循环模式。

关于太阳能采集系统：目前，关于太阳能利用主要有两个方向：光电方向和光热方向，两种利用方式既有各自特点，也有很好的互补性：光热方向技术已基本成熟，效率较高，但其输出能源形势为热能，品位相对较低；而光电方向主要是以光伏光电为主，其输出的能源形式是电能，应用价值远高于热能，但效率较低(一般低于15％)；从另一个方面讲，光电方向利用较好的属于阳光中波长较短的短波区域，而光热利用较好的是波长较好的区域，两则存在光能利用上的互补型，因此提出了为光伏/光热联产系统(国外统称PV/T)。在光强一定的条件下，当光伏电池自身温度升高时，其输出功率将下降，在实际应用中，标准条件下硅电池转换效率约为12％。可以看出照射到电池表面上的太阳能的80％以上未能转换为电能，相当一部分能量转化成为热能，并使电池温度升高，导致电池效率下降。

关于热泵主体循环：热泵循环，即将低温度区域的能量转移到高温度区域，实质可理解为制冷循环(冬季，相当于对环境制冷，即环境中的能量转移到房间内)。而目前最常用的循环手段就是相变制冷，而利用工质相变制冷的实质就是利用技术手段，使得制冷工质在冷凝器中获得一个高压使气态工质在冷凝器被冷凝成液态，对外放热，且液态工质在蒸发器中获得一个相对低压，使其从液态变成气态，对外吸热，然后气态工质再重复前一个过程，完成循环。

目前，压缩式制冷热泵应用最为广泛，其压缩机对气态工质进行压缩获得所需高压，同时利用节流阀在蒸发器中形成一个所需低压。该热泵技术制冷、供热效率高，但其对能源要求高，一般需要消耗电力来维持，其工质通常包括氟氯昂、氨等。

而由于电力的短缺、能源的紧张，利用热能驱动的吸收式热泵技术有了较快的发展。在其发生器中对工质加热，使得工质产生所需高压，同样其利用节流阀使其从液态变成气态，实现将蒸发器的能量转移至冷凝器。与压缩式相比，其实质是利用吸收器和发生器替代了压缩机的功能。其常用工质对包括溴化锂-水、氨-水，其效率较压缩式较低，但其可以依靠品位较低的热能维持运行，在余热利用方面有着广泛的前景。但在很多场合由于热源的品位过地低(如100℃以下的余热)，无法使得发生器工质对获得足够高的温度，工质无法达到所需高压，制冷机无法正常运转，使得众多低品位余热源无法利用。目前双级吸收制冷有效降低对热源温度的要求，但其制冷效率低于单级吸收式制冷，且其体积较大在小型制冷场合上无法应用。

另一方面，在氨吸收式循环过程中，发生器与吸收器之间存在着较大压差，浓溶液从吸收器进入发生器时，需要克服很大的压差(一般在12bar以上)，而氨制冷要求整个系统处于高压(一般在15bar以上)当中，这对溶液泵密封性以及压头有较高要求，目前此类泵需要的加工工艺高，使得其无法使用于小型制冷设备场合。

在小型热驱动领域，扩散-吸收式制冷热泵技术比较成熟。其克服吸收式制冷循环过程发生器与吸收器之间绝对压差过大的缺点，其利用氨-水为制冷工质对，以惰性辅助性气体作为平衡剂，整个系统的绝对压强均相等，利用制冷工质在发生器、冷凝器、蒸发器以及吸收器中制冷工质浓度不同、分压力不同来实现吸收式制冷过程的节流的功能。，一般扩散-吸收式制冷机用热虹吸气泡泵代替机械泵，使得系统无任何运动部件。使得起在小型热驱动制冷市场上优势较明显。但其对热源温度要求较高、制冷量不大、同时由于辅助气体将把吸收器的热负荷带到蒸发器中制冷效率较低，在低品位余热利用方面受到限制。

随世界人口的增长，能源消费日益增加，人类面临着严峻的能源危机；另一个方面，随人们生活水平的提高，对热泵产品的需求越来越大，制冷设备消耗了大量能源，发展低温余热或低温热源热泵技术可以有效缓解能源危机。在低品位余热或热源方面，单一的常规制冷方式，很难满足要求，一般会采用多种方式复合制冷，如东南大学杜凯、张小松等人申请的“氨水吸收与压缩复合制冷循环系统及制冷循环方法”(专利号为200710022954.2)提出了一种将吸收系统与压缩系统进行串联耦合的制冷循环系统，其可以在品位较低的余热源下高效运行，但该系统仍需采用高压溶液泵，较适合应用与大型制冷系统，而在一些小型制冷设备或则对体积要求较为严格的场合使用受到限制。

到目前为止，市场上尚没有靠太阳能维持运行而且不需要聚光的热泵系统。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供太阳能光伏与光热联产式混合动力热泵，实现太阳能设备的小型化，且保证了设备的高效运行，达到降低电能消耗的目的。

本发明的太阳能光伏与光热联产式混合动力热泵设备，将高温太阳能薄膜电池背面敷设流体通道带走热量以降低电池温度，保证电池效率，而流道内的水因吸收热能之后，温度会相应提高，可作为一级加热器，随后便经集热器再热后，将热量储存于储热器，而其产生的电储存于蓄电池内，所述太阳能薄膜电池可以为非晶硅太阳能薄膜电池，所述储热器为相变储热器。对于热泵循环而言，由压缩制冷、吸收制冷、扩散制冷三种制冷机构耦合而成，其以氨-水为工质对，以氢气或则氦气为扩散剂，含有以管路依次连通的吸收器底部、溶液泵、发生器、精馏器、压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器、吸收器，在发生器与吸收器之间经溶液热交换器设有循环管路，在管路中设有溶液节流阀，在吸收器与蒸发器之间经气体热交换器设有循环通路；所述吸收器底部、溶液泵、发生器、精馏器、冷凝器、制冷剂节流阀、蒸发器、吸收器构成吸收制冷系统机构，所述压缩制冷系统机构由压缩机与所述吸收制冷系统共用所述冷凝器、制冷剂节流阀、蒸发器构成，吸收制冷系统机构中所述吸收器底部、发生器、精馏器、蒸发器、吸收器、吸收器与蒸发器之间的循环通路构成。所述压缩制冷系统机构、吸收制冷系统机构、扩散制冷系统机构共用的冷凝器，所述压缩制冷系统机构的压缩机设置在精馏器与冷凝器之间。

其工质循环流程为：吸收器底部出来的浓氨水溶液借助溶液泵获得一定的动力，在其推动下，浓氨水溶液首先进入的是溶液换热器与回流的稀氨水溶液进行热交换，经过预热氨水溶液进入发生器，在发生器中加热沸腾产生氨蒸气进入精馏器，氨蒸发后剩下的稀氨水溶液顺着发生器与吸收器之间循环管路经溶液换热器和溶液节流阀回到吸收器中；氨蒸气在精馏器精馏后，氨蒸气质量分数进一步提高，得到接近于纯组分高温高压氨蒸气进入进入压缩机，压缩机开启对氨蒸气进行二次加压；当压力满足要求时时，二级压缩机可以保持停机状态，满足压力要求的氨蒸气进入冷凝器，在冷凝器中，氨蒸气冷凝成氨液，氨液经制冷剂节流阀后进入蒸发器，在蒸发器中是氨和扩散剂的混合气体，扩散剂的浓度较高，氨的分压力低于其饱和压力，氨液蒸发成氨蒸气，该过程吸热达到制冷的目的；氨液蒸发后，在蒸发器中形成含氨浓度较大的混合气体，混合气体经气体换热器进入吸收器，其中的氨被吸收，而扩散剂与未被吸收的氨沿吸收器与蒸发器之间的循环通路经气体热交换器在气体循环泵的作用下重新回到蒸发器，完成制冷循环。

可以利用太阳能产生并储存于储热器的热能为所述吸收制冷系统机构和扩散制冷系统机构共用的发生器供能，由光伏电池为二级压缩机供能。

本发明的有益效果：(1)通过太阳能的热、电联产，达到太阳能利用效率的最大化，其效率要比单一集热效率高10％、比单一集电效率高50％；(2)设备复合了压缩系统、吸收系统、扩散系统，实现了动力热泵与热驱动热泵的有机结合；由于压缩制冷系统的存在，扩散制冷系统与吸收制冷系统所需提供的制冷剂蒸气压力降低了，其意味着降低了制冷系统对能源品位的要求，为低温热源即太阳能集热器产生的热高效利用提供了可能，另一方面，制冷剂蒸气进入压缩机前，已经过了扩散制冷系统、吸收制冷系统的一次加压，蒸气所需压缩比下降，压缩机所需消耗的的功降低，达到降低电能消耗的目的(3)能源使用效率高，制冷系统充分体现了能源分级利用的原则，由低品位余热驱动吸收系统、由电能获动力功驱动压缩系统，使得各级能源均得到有效利用。(4)设备复合了扩散制冷系统的相对节流与吸收制冷系统、压缩制冷系统的节流阀绝对节流，与单一的扩散制冷相比，其所需扩散剂循环量降低，从吸收剂带来的热负荷小，系统的热损失也较小，与单一的吸收制冷系统、压缩制冷系统的节流阀绝对节流相比，其节流阀前后压差较小，所需的节流部件体积较小，且不会出现节流阀冰塞现象。(5)适用范围广，其可以根据不同的能源结构、不同能源品位特点进行适时调整，在余热量大、温度高时，压缩系统自动停止，在余热不足、温度较低时，压缩系统将自动运行，保证制冷系统的制冷量。(6)系统采用的制冷剂为自然工质，对臭氧层无不良影响，也无温室效应，利于环境的保护。

附图说明

附图1是本发明的太阳能光伏与光热联产式混合动力热泵结构示意图。

其中有：吸收器1、溶液泵2、溶液热交换器3、节流阀4、节流阀4a、发生器5、储热器6、集热器7、太阳能薄膜电池8、精馏器9、压缩机10、蓄电池11、冷凝器12、热水器13、蒸发器14、气体换热器15。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的新型制冷设备做进一步说明。

如图1所示，所述太阳能光伏与光热联产式混合动力热泵包括太阳能采集系统和热泵系统。所述太阳能采集系统包括：储热器6、集热器7、太阳能薄膜电池8、蓄电池11所述太阳能薄膜电池8背面敷设流体通道、流道内的热水随后进入所述集热器7得到进一步加热，高温并将热量传递给所述储热器6，同时，薄膜电池产生的电经逆变后输入给所述蓄电池11。

所述热泵由：吸收器底部1、溶液泵2、溶液换热器3、发生器5、精馏器9、冷凝器12、节流阀4a、蒸发器14、吸收器1依次用无缝钢管或不锈钢材料的管路焊接连通，并从发生器5底部与吸收器1上部经溶液换热器3用管路联通构成循环通路，在吸收器底部1中，加入制冷工质对氨-水即完成了氨水吸收制冷系统机构加工；在所述的精馏器9与冷凝器12之间设有压缩机7，精馏器9出口与压缩机7的吸气口相连，压缩机7的出气口与冷凝器12的进气口相连通，这样所述压缩机7与所述的精馏器9、冷凝器12、节流阀4a、蒸发器14可以构成压缩系统；吸收器1上部与蒸发器14的上部经气体换热器15用循环管路连通，构成循环通路，并从蒸发器处向设备中系统中充入扩散剂，结合所述的吸收器底部1、发生器5、精馏器9、冷凝器12、蒸发器14、吸收器1则组成了扩散制冷系统。上述各部件构成压缩吸收系统、扩散系统、压缩系统串联耦合、共用换热、节流设备与制冷工质的热泵系统。

所述太阳能采集系统的两个储能设备：储热器6和蓄电池11分别为所述热泵系统中法人两个耗能设备发生器5和压缩机7提供能量。

所述压缩机7由精馏器9的蒸气出口压力间接控制，压力高于所需设置的压力(一般略高于当地温度下冷凝压力10kPa)时，压缩机7将停止工作，当压力低于设置压力时，压缩机将启动对蒸气二次压缩，所述压缩机的压缩比在1.1～1.8之间。本发明的太阳能光伏与光热联产式混合动力热泵采用的工质对氨-水的质量浓度在0.25～0.45之间，要求的制冷温度越低，选择的浓度一般就越低，一般冷藏、冷冻用的制冷设备注入的氨水选择0.29左右，一般空调用制冷系统氨水浓度选择0.35左右。

本发明的太阳能光伏与光热联产式混合动力热泵采用的扩散剂为氢气或氦气。一般制冷量小于2.5kW时，采用氢气，而大于2.5kW时，考虑到安全问题选择氦气；一般扩散剂的充装量主要由充装压力决定，注入扩散剂时，应保证停机状态下扩散剂压强在60～90kPa，冷藏、冷冻用制冷设备需要的扩散剂压强较高，一般在85kPa左右，空调用扩散剂停机压强一般在65kPa左右。所述发生器5置于热源中。

本发明的太阳能光伏与光热联产式混合动力热泵循环模式：吸收器底部出来的浓氨水溶液借助溶液泵获得一定的动力，在其推动下，浓氨水溶液首先进入溶液换热器与回流的稀氨水溶液进行热交换，经过预热，氨水溶液进入发生器，在发生器处，被储热器输出的热能，加热沸腾产生氨蒸气进入精馏器，氨蒸发后剩下的稀氨水溶液顺着稀氨水溶液的回流通路经溶液换热器和节流阀回到吸收器中；氨蒸气在精馏器精馏后的蒸气质量分数进一步提高，得到接近于纯组分的高温高压氨气进入压缩机，此时设置在精馏器中的压力传感装置会对此时的压力进行检测，若压力低于冷凝压力，则压缩机开启对氨蒸气进行二次加压，二级压缩机有太阳能薄膜电池产生并储存在蓄电池中的电能驱动；当压力满足要求时时，二级压缩机可以保持停机状态，满足压力要求的氨蒸气进入冷凝器，在冷凝器中，氨蒸气冷凝成氨液，氨液经制冷剂节流阀后进入蒸发器，在蒸发器中是氨和扩散剂的混合气体，扩散剂的浓度较高，氨的分压力低于其饱和压力，氨液蒸发成氨蒸气，该过程吸热达到制冷的目的；氨液蒸发后，在蒸发器中形成含氨浓度较大的混合气体，混合气体经气体换热器进入吸收器，其中的氨被吸收，而扩散剂沿扩散通路在气体循环泵的作用下回到蒸发器，完成制冷循环。

本发明的太阳能光伏与光热联产式混合动力热泵中，精馏器9、冷凝器12、吸收器1为放热部件，可以配备风机对其进行风冷，也可以配备冷却塔进行水冷；蒸发器14产生的冷量可以通过风机或者载冷剂送到目的地。

本发明中，热水器13与冷凝器12以及发生器5之间，设有水循环管道，水一方面对冷凝器起到冷却作用，一方面将水初步加热，水与发生器换热，得到二次加热，当满足使用条件的热水储存于热水器13中，为用户提供生活用洗浴用热水。

本发明的太阳能光伏与光热联产式混合动力热泵降低了对能源品位的要求，其可以利用90℃左右平板式太阳能集热器提供的热水为所述吸收系统和扩散系统共用的发生器供能；利用电能作为驱动所述压缩系统的压缩机的能源。与吸收制冷、扩散制冷相比，其对能源品位的要求较低，扩大了余热利用范围，且相对于氨吸收制冷，本发明系统无需高压泵，缩小了体积；相对与扩散制冷系统，其减少了扩散剂灌装量，提高了效率。本发明的太阳能光伏与光热联产式混合动力热泵在小型低品位余热利用上也有较大优势。

Claims (3)

1.一种太阳能光伏与光热联产式混合动力热泵，包括太阳能采集系统和热泵系统。其特征在于，所述太阳能采集系统包括：相变储热器(6)、集热器(7)、太阳能薄膜电池(8)、蓄电池(11)，所述太阳能薄膜电池(8)背面敷设流体通道与所述集热器(7)相连，所述集热器与所述储热器(6)相连，所述薄膜电池(8)通过电路所述蓄电池(11)相连；所述热泵其以氨-水为工质对，以氢气或则氦气为扩散剂，含有管路依次连通的吸收器(1)、溶液泵(2)、溶液热交换器(3)、节流阀(4)、发生器(5)、精馏器(9)、压缩机(10)、冷凝器(12)、节流阀(4a)、蒸发器(14)、气体换热器(15)构成；所述在发生器(5)与吸收器(1)之间经溶液热交换器(3)设有循环管路，在管路中设有溶液节流阀(3)，在所述吸收器(1)与所述蒸发器(14)之间经气体热交换器(15)设有循环通路；所述太阳能采集系统的两个储能设备：储热器6和蓄电池11分别为所述热泵系统中法人两个耗能设备发生器5和压缩机7提供能量。

2.根据权利要求书1所述的太阳能光伏与光热联产式混合动力热泵，其特征在于，所述太阳能薄膜电池(8)为非晶硅太阳能薄膜电池。

3.根据权利要求书1所述的太阳能光伏与光热联产式混合动力热泵，其特征在于，所述储热器为相变储热器。

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