一種利用太陽能實現熱水供應和發電的熱能綜合利用裝置的製作方法

2023-05-13 23:21:26 1

專利名稱：一種利用太陽能實現熱水供應和發電的熱能綜合利用裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及可再生能源一太陽能熱能的利用以及能源利用率領域，尤其涉及一種利用太陽能實現熱水供應和發電的熱能綜合利用裝置。
背景技術：
可再生能源是可以持續利用的能源資源，如水能、風能、太陽能、生物質能和海洋能等，不存在資源枯竭問題。隨著越來越多的國家採取鼓勵可再生能源的政策和措施，可再生能源的生產規模和使用範圍正在不斷擴大。就太陽能而言，太陽能的利用有熱利用和光電轉換兩種方式。如今太陽能熱利用方面比較多的就是太陽能熱水器，吸收太陽能輻射來加熱水，供應人們生活、生產中需要的熱水，節省電力或者化石燃料。而在光電轉換方面，太陽能的利用還不是很普及，利用太陽能發電還存在成本高、轉換效率低的問題。太陽能熱利用往往存在熱能過剩的問題，安裝太陽能的場所由於生活熱水的供應量和供應溫度的限制，一方面，建築物只要部分向陽面積安裝太陽能集熱器就能滿足熱水需求，未安裝集熱器的向陽面積沒有得到利用；另一方面，在太陽能旺盛的季節或者熱水用量減少時期，集熱器捕捉的太陽能超過熱能需求量，這會造成集熱器過熱，水在集熱器中沸騰蒸發，浪費水源。
發明內容本實用新型的目的在於克服現有技術的缺陷而提供一種利用太陽能實現熱水供應和發電的熱能綜合利用裝置，用戶設定熱水溫度，裝置根據需要對集熱器出水進行熱能回收或者循環加熱。如果集熱器出水溫度超過設定供水溫度，啟用朗肯循環將高溫熱能轉變成電能，並向用戶水箱提供符合設定溫度的舒適熱水；如用戶側水箱的供水溫度低於設定溫度，則利用太陽能集熱器對用戶水箱進行加熱，確保用戶水箱始終提供舒適熱水。既提高了太陽能的利用效率，又提高了生活熱水的舒適度。解決現有技術存在的能源利用率低、 能源浪費以及功能單一的問題。本實用新型的目的是這樣實現的本實用新型的一種利用太陽能實現熱水供應和發電的熱能綜合利用裝置，其主要由兩部分構成太陽能熱水系統以及朗肯循環系統。太陽能熱水系統主要是利用太陽能集熱器收集太陽輻射能把水加熱，提供熱水；朗肯循環系統利用高溫的水作為熱源，將餘熱轉化為機械功和電能。本實用新型熱能綜合利用裝置包括水泵、第一單向閥、太陽能集熱器、第一三通閥、蒸發器、膨脹機、冷凝器、工質循環泵、第二三通閥、生活水箱、排汙閥、第二單向閥、電磁閥、第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、第三溫度傳感器、排氣溢流管，其中水泵、第一單向閥、太陽能集熱器、蒸發器、第二三通閥依次連接，太陽能集熱器的輸出端與蒸發器的第二輸入端相連，蒸發器的第二輸出端與第二三通閥的輸入端相連，第二三通閥的第一輸出端接上水泵的輸入端；[0009]蒸發器、膨脹機、冷凝器、工質循環泵依次連接，膨脹機的輸入端連接蒸發器的第一輸出端，膨脹機的輸出端連接冷凝器的第一輸入端，工質循環泵的輸入端連接冷凝器的第一輸出端，工質循環泵的輸出端連接蒸發器的第一輸入端；冷凝器的第二輸入端連接第一三通閥的第二輸出端，冷凝器的第二輸出端連接生活水箱的輸入端，第二三通閥的第二輸出端連接至冷凝器的第二輸出端與生活水箱的輸入端之間的管路；生活水箱的第一輸出端與電磁閥、第二單向閥、水泵依次連接，第一三通閥的第一輸出端連接至電磁閥與第二單向閥之間的管路；第一三通閥的輸入端與自來水管路相連，生活水箱的第二輸出端連接用戶端，生活水箱底部有排汙閥，頂部有排氣溢流管；太陽能集熱器與蒸發器之間的管路上安裝有第一溫度傳感器，靠近生活水箱的輸入端管路上安裝第二溫度傳感器，生活水箱內安裝第三溫度傳感器。本實用新型的主要原理是利用太陽能集熱器收集太陽輻射能把水加熱，提供熱水；以集熱器出水作為熱源，以常溫水(自來水、或者冷卻塔回水、或者地源水)作為冷源， 應用朗肯循環將高於設定溫度的熱能轉化為電能。該裝置能夠提高熱水的舒適度，確保用戶熱水水箱的溫度始終處於設定區間，同時把多餘熱能轉變成電能，提高太陽能利用率，實現持續、可靠運行。本實用新型的工作過程水泵開啟運行階段，控制第一三通閥的第二輸出端被堵上，自來水在水泵的作用下進入太陽能集熱器，太陽能集熱器吸收太陽輻射能把水加熱，第一溫度傳感器檢測太陽能集熱器出口的水溫。系統運行之前設定兩個溫度值，當檢測到的太陽能集熱器出口水溫低於設定的低溫度值時，朗肯循環系統不工作，同時關閉自來水，僅水泵工作，並控制第二三通閥的第二輸出端被堵住，從太陽能集熱器出來的水經過蒸發器後直接回到太陽能集熱器中繼續被加執.
y 、人 當檢測到的太陽能集熱器出口水溫介於設定的兩個溫度值之間時，朗肯循環系統不工作，同時打開自來水進行補水，僅水泵工作，並控制第一三通閥的第二輸出端被堵住， 第二三通閥的第一輸出端被堵住，從太陽能集熱器出來的水經過蒸發器後直接進入生活水箱；當檢測到的太陽能集熱器出口水溫高於設定的高溫度值時，朗肯循環系統運行， 從太陽能集熱器出來的水進入蒸發器，在蒸發器內與朗肯循環工質進行熱交換，水溫有所降低。冷凝水直接接自於自來水，開始時刻控制第一三通閥的第一輸出端被堵住，自來水進入冷凝器，在冷凝器內與朗肯循環工質進行熱交換，水溫有所升高。與此同時低溫低壓的循環工質經工質循環泵加壓後在蒸發器內與高溫水進行熱交換，吸收水的熱量而蒸發，發生相變；接著循環工質蒸汽被吸入膨脹機膨脹做功，膨脹機排出的低壓工質蒸汽在冷凝器內與冷凝水進行熱交換被冷凝；如此循環工作。第二溫度傳感器檢測送入生活水箱之前的水溫，若高於溫度設定值，則控制第二三通閥的第二輸出端被堵住，保持第一三通閥的第一輸出端被堵住，送入生活水箱的水直接是經過換熱後的冷凝水，從蒸發器出來的水全部流經第二三通閥被水泵抽送到太陽能集熱器中繼續被加熱；若第二溫度傳感器檢測到的溫度值低於設定值，則通過控制第二三通閥的閥芯位置實現從蒸發器出來的水一部分進入太陽能集熱器中繼續被加熱，另一部分與冷凝水混合後送入生活水箱，同時控制第一三通閥的閥芯位置實現自來水一部分進入太陽能集熱器，給其補水，另一部分進入冷凝器進行換熱。生活水箱內的第三溫度傳感器檢測生活水箱內的水的溫度，生活水箱內的水經過一段時間之後溫度會有所下降，當第三溫度傳感器檢測到的水溫低於某一溫度設定值時，則打開電磁閥，控制第一三通閥的第一輸出端被堵住，生活水箱內的水在水泵的作用下被送入太陽能集熱器中繼續加熱。本實用新型提出的一體式空氣源與地源複合型熱泵裝置，採用的是空氣-製冷劑-水混合式的室外換熱器，冷媒管中的製冷劑不僅可以通過冷媒管管壁和翅片與空氣換熱，同時可以與內含在冷媒管中、與製冷劑充分接觸的水管中的地源循環水進行換熱。對於同樣一個暖通空調系統，對比完全使用地源熱泵，使用本實用新型的一體式空氣源與地源複合型熱泵裝置，可以減少地源熱泵的打井和管材投資，由於可以選擇性的排熱到空氣中或從空氣中取熱，本實用新型可以有效地避免地源熱泵長期使用造成的土壤熱堆積或冷堆積問題，保證本實用新型的熱泵系統長期、可持續、高效地運行；在冬季，北方寒冷地區環境溫度過低時，本實用新型的熱泵系統仍可以從土壤取熱，正常地為室內供暖，而對於南方的潮溼地區，翅片容易發生結霜問題，本實用新型的熱泵系統不需要通過頻繁的停機除霜或者複雜的設備部件設計來實現除霜功能，仍可以從土壤取熱，正常地為室內供暖。本實用新型與現有技術相比，具有以下有益效果1、本實用新型利用太陽能實現光熱轉換，使水從低溫度加熱到高溫度；以高溫水作為熱源，應用朗肯循環實現餘熱利用，將餘熱轉換為機械功及電能，提高了能源利用率， 能夠實現光熱轉換以及光電轉換兩種功能。2、本實用新型將經過熱交換後的溫度較高的水再送回到太陽能集熱器中加熱，相對於直接將常溫水送到集熱器中加熱，對於使水達到同一較高溫度而言，縮短了加熱時間， 實現了系統的持續運行。3、本實用新型實現了生活水箱內水持續保持在某一段溫度範圍內。
圖1為太陽能熱水器熱能利用系統循環原理圖；其中有水泵1、第一單向閥2、太陽能集熱器3、第一三通閥4、蒸發器5、膨脹機6、 冷凝器7、工質循環泵8、第二三通閥9、生活水箱10、排汙閥11、第二單向閥12、電磁閥13、 第一溫度傳感器14、第二溫度傳感器15、第三溫度傳感器16、排氣溢流管17。
具體實施方式
下面將結合附圖對本實用新型作進一步說明。請參閱圖1，圖中示出了本實用新型利用太陽能實現熱水供應和發電的熱能綜合利用裝置的循環原理圖。該熱能綜合利用裝置包括水泵1、第一單向閥2、太陽能集熱器3、 第一三通閥4、蒸發器5、膨脹機6、冷凝器7、工質循環泵8、第二三通閥9、生活水箱10、排汙閥11、第二單向閥12、電磁閥13、第一溫度傳感器14、第二溫度傳感器15、第三溫度傳感器 16、排氣溢流管17，其中水泵1、第一單向閥2、太陽能集熱器3、蒸發器5、第二三通閥9依次連接，太陽能集熱器3的輸出端與蒸發器5的第二輸入端5d相連，蒸發器5的第二輸出端恥與第二三通閥9的輸入端9a相連，第二三通閥9的第一輸出端9b接上水泵1的輸入端；蒸發器5、膨脹機6、冷凝器7、工質循環泵8依次連接，膨脹機6的輸入端連接蒸發器5的第一輸出端5c，膨脹機6的輸出端連接冷凝器7的第一輸入端7a，工質循環泵8的輸入端連接冷凝器7的第一輸出端7c，工質循環泵8的輸出端連接蒸發器5的第一輸入端 5a ；冷凝器7的第二輸入端7d連接第一三通閥4的第二輸出端如，冷凝器7的第二輸出端7b連接生活水箱10的輸入端10a，第二三通閥9的第二輸出端9c連接至冷凝器7的第二輸出端7b與生活水箱10的輸入端IOa之間的管路；生活水箱10的第一輸出端IOb與電磁閥13、第二單向閥12、水泵1依次連接，第一三通閥4的第一輸出端4b連接至電磁閥13與第二單向閥12之間的管路；第一三通閥4的輸入端如與自來水管路相連，生活水箱10的第二輸出端IOc接用戶端，生活水箱10底部有排汙閥11，頂部有排氣溢流管17 ；太陽能集熱器3與蒸發器5之間的管路上安裝有第一溫度傳感器14，靠近生活水箱10的輸入端IOa管路上安裝第二溫度傳感器15，生活水箱10內安裝第三溫度傳感器16。本實用新型利用太陽能實現熱水供應和發電的熱能綜合利用裝置的運行原理與過程如下太陽能熱水系統部分水泵1開啟運行階段，控制第一三通閥4的第二輸出端如被堵上，自來水從第一三通閥4的第一輸出端4b流出，流經第二單向閥12，由於水泵1的作用流經第一單向閥2進入太陽能集熱器3，太陽能集熱器3吸收太陽輻射能把水加熱，第一溫度傳感器14檢測太陽能集熱器3出口的水溫。系統運行之前設定兩個溫度值，比較第一溫度傳感器檢測的太陽能集熱器出口的水溫與設定溫度值，根據比較結果決定從太陽能集熱器出來的水是直接回到太陽能集熱器3中繼續被加熱、送入生活水箱10還是作為熱源應用於朗肯循環。現以90°C、5(TC為例進行說明，當檢測到的太陽能集熱器3出口水溫低於 50°C時，朗肯循環系統不工作，同時關閉自來水，僅水泵1工作，並控制第二三通閥9的第二輸出端9c被堵住，從太陽能集熱器3出來的水經過蒸發器5、第二三通閥9、水泵1直接回到太陽能集熱器3中繼續被加熱；當檢測到的太陽能集熱器3出口水溫介於50°C和90°C之間時，朗肯循環系統不工作，同時打開自來水進行補水，僅水泵1工作，並控制第一三通閥4 的第二輸出端4c被堵住，第二三通閥9的第一輸出端9b被堵住，從太陽能集熱器3出來的水經過蒸發器5、第二三通閥9由生活水箱10的輸入端IOa進入生活水箱10 ；當檢測到的太陽能集熱器3出口水溫高於90°C時，朗肯循環系統運行。朗肯循環系統部分①水循環系統第一溫度傳感器14處設定兩個溫度值，現以 90°C、50°C為例進行說明。傳感器一 14檢測到的太陽能集熱器3的出口水溫高於90°C時， 朗肯循環系統運行。從太陽能集熱器3出來的水由蒸發器5的第二輸入端5d流入蒸發器 5、第二輸出端恥流出，在蒸發器5內與朗肯循環工質進行熱交換，水溫有所降低。冷凝水直接接自於自來水，開始時刻控制第一三通閥4的第一輸出端4b被堵住，自來水從第一三通閥4的第二輸出端如流出，由冷凝器7的第二輸入端7d流入冷凝器7、第二輸出端7b流出，在冷凝器7內與朗肯循環工質進行熱交換，水溫有所升高。與此同時低溫低壓的循環工質經工質循環泵8加壓後由蒸發器5的第一輸入端fe流入蒸發器5、第一輸出端5c流出，在蒸發器5內與高溫水進行熱交換，吸收水的熱量而蒸發，發生相變；接著循環工質蒸汽被吸入膨脹機6膨脹做功，膨脹機6排出的低壓工質蒸汽由冷凝器7的第一輸入端7a流入冷凝器7、第一輸出端7c流出，在冷凝器7內與冷凝水進行熱交換被冷凝；如此循環工作。第二溫度傳感器15處設定一溫度值，現以45°C、為例進行說明。第二溫度傳感器15檢測送入生活水箱10之前的水溫，若高於溫度45°C，則控制第二三通閥9的第二輸出端9c被堵住， 保持第一三通閥4的第一輸出端4b被堵住，送入生活水箱10的水直接是經過換熱後的冷凝水，從蒸發器5出來的水全部流經第二三通閥9被水泵1抽送到太陽能集熱器3中繼續被加熱；若第二溫度傳感器15檢測到的溫度值低於45°C時，則通過控制第二三通閥9的閥芯位置實現從蒸發器5出來的水一部分流經第二三通閥9的第一輸出端9b進入太陽能集熱器3中繼續被加熱，另一部分流經第二三通閥9的第二輸出端9c與冷凝水混合後送入生活水箱10，同時控制第一三通閥4的閥芯位置實現自來水一部分進入太陽能集熱器3，給其補水，另一部分進入冷凝器7進行換熱。生活水箱10內的第三溫度傳感器16檢測生活水箱10內的水的溫度，生活水箱(10)內的水經過一段時間之後溫度會有所下降，當第三溫度傳感器16檢測到的水溫低於某一溫度設定值(假設為40°C)時，則打開電磁閥13，控制第一三通閥4的第一輸出端4b被堵住，生活水箱10內的水在水泵1的作用下流經第二單向閥12被送入太陽能集熱器3中繼續加熱。 以上實施例僅供說明本實用新型之用，而非對本實用新型的限制，有關技術領域的技術人員，在不脫離本實用新型的精神和範圍的情況下，還可以作出各種變換或變型，因此所有等同的技術方案也應該屬於本實用新型的範疇，應由各權利要求所限定。
權利要求1. 一種利用太陽能實現熱水供應和發電的熱能綜合利用裝置，其特徵在於，該熱能綜合利用裝置包括水泵(1)、第一單向閥( 、太陽能集熱器C3)、第一三通閥(4)、蒸發器(5)、 膨脹機(6)、冷凝器(7)、工質循環泵(8)、第二三通閥(9)、生活水箱(10)、排汙閥(11)、第二單向閥(12)、電磁閥(13)、第一溫度傳感器(14)、第二溫度傳感器(15)、第三溫度傳感器 (16)、排氣溢流管(17)，其中水泵(1)、第一單向閥O)、太陽能集熱器(3)、蒸發器(5)、第二三通閥(9)依次連接， 太陽能集熱器(3)的輸出端與蒸發器(5)的第二輸入端(5d)相連，蒸發器(5)的第二輸出端(5b)與第二三通閥(9)的輸入端(9a)相連，第二三通閥(9)的第一輸出端(9b)接上水泵⑴的輸入端；蒸發器( 、膨脹機(6)、冷凝器(7)、工質循環泵(8)依次連接，膨脹機(6)的輸入端連接蒸發器( 的第一輸出端(5c)，膨脹機(6)的輸出端連接冷凝器(7)的第一輸入端(7a)， 工質循環泵⑶的輸入端連接冷凝器⑵的第一輸出端(7c)，工質循環泵⑶的輸出端連接蒸發器(5)的第一輸入端(5a)；冷凝器(7)的第二輸入端(7d)連接第一三通閥(4)的第二輸出端(如)，冷凝器(7)的第二輸出端(7b)連接生活水箱(10)的輸入端(10a)，第二三通閥(9)的第二輸出端(9c) 連接至冷凝器(7)的第二輸出端(7b)與生活水箱(10)的輸入端(IOa)之間的管路；生活水箱(10)的第一輸出端(IOb)與電磁閥(13)、第二單向閥(12)、水泵(1)依次連接，第一三通閥⑷的第一輸出端Gb)連接至電磁閥(13)與第二單向閥(12)之間的管路；第一三通閥(4)的輸入端Ga)與自來水管路相連，生活水箱(10)的第二輸出端(IOc) 接用戶端，生活水箱(10)底部有排汙閥(11)，頂部有排氣溢流管(17)；太陽能集熱器C3)與蒸發器( 之間的管路上安裝有第一溫度傳感器(14)，靠近生活水箱(10)的輸入端(IOa)管路上安裝第二溫度傳感器(15)，生活水箱(10)內安裝第三溫度傳感器(16)。
專利摘要本實用新型公開了一種利用太陽能供應舒適熱水和實現發電的熱能綜合利用裝置，主要由兩部分構成太陽能熱水系統以及朗肯循環系統。該裝置能夠根據用戶設定的供水溫度進行調節，利用太陽能集熱器把水加熱，並對集熱器的出水進行熱能回收或者循環加熱。如果集熱器出水溫度高於設定供水溫度，啟用朗肯循環系統將高溫熱能轉變成電能；如果用戶側水箱的供水溫度低於設定溫度，則利用太陽能集熱器對用戶水箱進行加熱，確保用戶水箱始終提供舒適熱水。該裝置可以增加太陽能的利用量和利用效率，提高生活熱水的舒適度，實現太陽能供應生活熱水和發電的綜合利用，避免集熱器熱能過剩造成對水源的蒸發浪費，適用於民用和工業太陽能熱水器的技術升級和技術改造。
文檔編號F03G6/06GK202204049SQ20112028494
公開日2012年4月25日 申請日期2011年8月5日 優先權日2011年8月5日
發明者龐麗穎, 徐相梅, 朱晟, 陳九法, 陳軍偉, 高龍 申請人:東南大學, 寶蓮華新能源技術(上海)有限公司