太陽能光伏與光熱聯產式混合動力熱泵的製作方法

2023-12-09 19:55:46 5

專利名稱：太陽能光伏與光熱聯產式混合動力熱泵的製作方法
技術領域：
本發明涉及到一種熱泵的設備，更具體地說，本發明涉及到一種以太陽能為主要能源， 輔以部分電能驅動，以氨為工質的壓縮、吸收、擴散三種製冷方式聯合工作的混合動力型熱 泵。
背景技術：
目前太陽能熱泵系統，主要有兩種研究方向。第一類將太陽能轉化為電能，電能驅動 壓縮式熱泵；第二類將太陽能轉化為熱能，熱驅動空調。對於第一類太陽能熱泵系統而言， 其將太陽能轉化為電能的又有兩種方式太陽能光伏發電系統即利用光伏電池將太陽能轉化 為電能，第二是將太陽能轉化為高溫熱能，驅動蒸汽輪機。就採用的壓縮式熱泵系統而言， 其效率非常高，但由於目前兩類太陽能發電都不是太成熟，價格過高。對於第二類太陽能熱 泵系統而言，其首先利用集熱器，將太陽能轉化為熱能，集熱即將太陽輻射轉變為熱能的裝 置，目前主要有平板式、真空管式和聚焦式集熱器3種類型，獲得的集熱溫度依次升高；太 陽能驅動的驅動熱泵目前主要分為兩類吸收式和吸附式熱泵。吸收式熱泵又分為氨水吸收 式熱泵和溴化鋰吸收式熱泵，氨水吸收式熱泵技術整體效率比溴化鋰循環要低，大多數廠家如日本Yasaki公司、Mayekawa公司和國內遠大公司、廣州太陽能研究所均採用的這種技術， 這種技術雖可以實現低溫熱源下的運行，但效率偏低；對於吸附式製冷，為近幾年研究熱點。 德國SoIarNextAG公司公司的產品屬於這類範疇，其固體吸附式製冷有一些自身的優勢:結構 簡單、無運動部件、無噪音、無汙染、運行穩定、不存在結晶問題、可靠性高，特別是還能 適用於一些振動或者旋轉場所。但其屬於間歇運行，設備龐大、系統熱量利用率不高、熱泵 效率更低。對於太陽能熱泵實現的關鍵包括兩部分1是太陽能採集系統；2是熱泵循環模式。關於太陽能採集系統目前，關於太陽能利用主要有兩個方向光電方向和光熱方向， 兩種利用方式既有各自特點，也有很好的互補性光熱方向技術巳基本成熟，效率較高，但 其輸出能源形勢為熱能，品位相對較低；而光電方向主要是以光伏光電為主，其輸出的能源 形式是電能，應用價值遠高於熱能，但效率較低(一般低於15%);從另一個方面講，光電方 向利用較好的屬於陽光中波長較短的短波區域，而光熱利用較好的是波長較好的區域，兩則 存在光能利用上的互補型，因此提出了為光伏/光熱聯產系統(國外統稱PV/T)。在光強一定 的條件下，當光伏電池自身溫度升高時，其輸出功率將下降，在實際應用中，標準條件下矽 電池轉換效率約為12%。可以看出照射到電池表面上的太陽能的80%以上未能轉換為電能， 相當一部分能量轉化成為熱能，並使電池溫度升高，導致電池效率下降。關於熱泵主體循環熱泵循環，即將低溫度區域的能量轉移到高溫度區域，實質可理解 為製冷循環(冬季，相當於對環境製冷，即環境中的能量轉移到房間內)。而目前最常用的 循環手段就是相變製冷，而利用工質相變製冷的實質就是利用技術手段，使得製冷工質在冷 凝器中獲得一個高壓使氣態工質在冷凝器被冷凝成液態，對外放熱，且液態工質在蒸發器中 獲得一個相對低壓，使其從液態變成氣態，對外吸熱，然後氣態工質再重複前一個過程，完 成循環。目前，壓縮式製冷熱泵應用最為廣泛，其壓縮機對氣態工質進行壓縮獲得所需高壓，同 時利用節流闊在蒸發器中形成一個所需低壓。該熱泵技術製冷、供熱效率高，但其對能源要求高， 一般需要消耗電力來維持，其工質通常包括氟氯昂、氨等。而由於電力的短缺、能源的緊張，利用熱能驅動的吸收式熱泵技術有了較快的發展。在 其發生器中對工質加熱，使得工質產生所需高壓，同樣其利用節流閥使其從液態變成氣態， 實現將蒸發器的能量轉移至冷凝器。與壓縮式相比，其實質是利用吸收器和發生器替代了壓 縮機的功能。其常用工質對包括溴化鋰一水、氨一水，其效率較壓縮式較低，但其可以依靠 品位較低的熱能維持運行，在餘熱利用方面有著廣泛的前景。但在很多場合由於熱源的品位過地低(如IO(TC以下的餘熱)，無法使得發生器工質對獲得足夠高的溫度，工質無法達到所需高壓，制冷機無法正常運轉，使得眾多低品位餘熱源無法利用。目前雙級吸收製冷有效降 低對熱源溫度的要求，但其製冷效率低於單級吸收式製冷，且其體積較大在小型製冷場合上 無法應用。另一方面，在氨吸收式循環過程中，發生器與吸收器之間存在著較大壓差，濃溶液從吸收器進入發生器時，需要克服很大的壓差(一般在12bar以上)，而氨製冷要求整個系統處 於高壓(一般在15bar以上)當中，這對溶液泵密封性以及壓頭有較高要求，目前此類泵需 要的加工工藝高，使得其無法使用於小型製冷設備場合。在小型熱驅動領域，擴散一吸收式製冷熱泵技術比較成熟。其克服吸收式製冷循環過程 發生器與吸收器之間絕對壓差過大的缺點，其利用氨一水為製冷工質對，以惰性輔助性氣體 作為平衡劑，整個系統的絕對壓強均相等，利用製冷工質在發生器、冷凝器、蒸發器以及吸 收器中製冷工質濃度不同、分壓力不同來實現吸收式製冷過程的節流的功能。， 一般擴散一 吸收式制冷機用熱虹吸氣泡泵代替機械泵，使得系統無任何運動部件。使得起在小型熱驅動 製冷市場上優勢較明顯。但其對熱源溫度要求較高、製冷量不大、同時由於輔助氣體將把吸 收器的熱負荷帶到蒸發器中製冷效率較低，在低品位餘熱利用方面受到限制。隨世界人口的增長，能源消費日益增加，人類面臨著嚴峻的能源危機；另一個方面，隨 人們生活水平的提高，對熱泵產品的需求越來越大，製冷設備消耗了大量能源，發展低溫餘 熱或低溫熱源熱泵技術可以有效緩解能源危機。在低品位餘熱或熱源方面，單一的常規製冷 方式，很難滿足要求， 一般會採用多種方式複合製冷，如東南大學杜凱、張小松等人申請的 "氨水吸收與壓縮複合製冷循環系統及製冷循環方法"(專利號為200710022954. 2)提出了 一種將吸收系統與壓縮系統進行串聯耦合的製冷循環系統，其可以在品位較低的餘熱源下高 效運行，但該系統仍需採用高壓溶液泵，較適合應用與大型製冷系統，而在一些小型製冷設 備或則對體積要求較為嚴格的場合使用受到限制。到目前為止，市場上尚沒有靠太陽能維持運行而且不需要聚光的熱泵系統。發明內容本發明的目的是克服現有技術中的不足，提供太陽能光伏與光熱聯產式混合動力熱泵， 實現太陽能設備的小型化，且保證了設備的高效運行，達到降低電能消耗的目的。本發明的太陽能光伏與光熱聯產式混合動力熱泵設備，將高溫太陽能薄膜電池背面敷設 流體通道帶走熱量以降低電池溫度，保證電池效率，而流道內的水因吸收熱能之後，溫度會 相應提高，可作為一級加熱器，隨後便經集熱器再熱後，將熱量儲存於儲熱器，而其產生的述太陽能薄膜電池可以為非晶矽太陽能薄膜電池，所述儲熱器為相變 儲熱器。對於熱泵循環而言，由壓縮製冷、吸收製冷、擴散製冷三種制冷機構耦合而成，其 以氨-水為工質對，以氫氣或則氦氣為擴散劑，含有以管路依次連通的吸收器底部、溶液泵、 發生器、精餾器、壓縮機、冷凝器、節流閥、蒸發器、吸收器，在發生器與吸收器之間經溶 液熱交換器設有循環管路，在管路中設有溶液節流閥，在吸收器與蒸發器之間經氣體熱交換 器設有循環通路；所述吸收器底部、溶液泵、發生器、精餾器、冷凝器、製冷劑節流閥、蒸 發器、吸收器構成吸收製冷系統機構，所述壓縮製冷系統機構由壓縮機與所述吸收製冷系統 共用所述冷凝器、製冷劑節流閥、蒸發器構成，吸收製冷系統機構中所述吸收器底部、發生 器、精餾器、蒸發器、吸收器、吸收器與蒸發器之間的循環通路構成。所述壓縮製冷系統機 構、吸收製冷系統機構、擴散製冷系統機構共用的冷凝器，所述壓縮製冷系統機構的壓縮機 設置在精餾器與冷凝器之間。其工質循環流程為吸收器底部出來的濃氨水溶液藉助溶液泵獲得一定的動力，在其推 動下，濃氨水溶液首先進入的是溶液換熱器與回流的稀氨水溶液進行熱交換，經過預熱氨水 溶液進入發生器，在發生器中加熱沸騰產生氨蒸氣進入精餾器，氨蒸發後剩下的稀氨水溶液 順著發生器與吸收器之間循環管路經溶液換熱器和溶液節流閥回到吸收器中；氨蒸氣在精餾 器精餾後，氨蒸氣質量分數進一步提高，得到接近於純組分高溫高壓氨蒸氣進入進入壓縮機， 壓縮機開啟對氨蒸氣進行二次加壓；當壓力滿足要求時時，二級壓縮機可以保持停機狀態， 滿足壓力要求的氨蒸氣進入冷凝器，在冷凝器中，氨蒸氣冷凝成氨液，氨液經製冷劑節流閥 後進入蒸發器，在蒸發器中是氨和擴散劑的混合氣體，擴散劑的濃度較高，氨的分壓力低於 其飽和壓力，氨液蒸發成氨蒸氣，該過程吸熱達到製冷的目的；氨液蒸發後，在蒸發器中形 成含氨濃度較大的混合氣體，混合氣體經氣體換熱器進入吸收器，其中的氨被吸收，而擴散 劑與未被吸收的氨沿吸收器與蒸發器之間的循環通路經氣體熱交換器在氣體循環泵的作用下 重新回到蒸發器，完成製冷循環。可以利用太陽能產生並儲存於儲熱器的熱能為所述吸收製冷系統機構和擴散製冷系統機 構共用的發生器供能，由光伏電池為二級壓縮機供能。本發明的有益效果(1)通過太陽能的熱、電聯產，達到太陽能利用效率的最大化，其 效率要比單一集熱效率高10%、比單一集電效率高50%; (2)設備複合了壓縮系統、吸收系統、 擴散系統，實現了動力熱泵與熱驅動熱泵的有機結合；由於壓縮製冷系統的存在，擴散製冷 系統與吸收製冷系統所需提供的製冷劑蒸氣壓力降低了，其意味著降低了製冷系統對能源品 位的要求，為低溫熱源即太陽能集熱器產生的熱高效利用提供了可能，另一方面，製冷劑蒸 氣進入壓縮機前，已經過了擴散製冷系統、吸收製冷系統的一次加壓，蒸氣所需壓縮比下降， 壓縮機所需消耗的的功降低，達到降低電能消耗的目的(3)能源使用效率高，製冷系統充分 體現了能源分級利用的原則，由低品位餘熱驅動吸收系統、由電能獲動力功驅動壓縮系統， 使得各級能源均得到有效利用。(4)設備複合了擴散製冷系統的相對節流與吸收製冷系統、 壓縮製冷系統的節流閥絕對節流，與單一的擴散製冷相比，其所需擴散劑循環量降低，從吸 收劑帶來的熱負荷小，系統的熱損失也較小，與單一的吸收製冷系統、壓縮製冷系統的節流 陶絕對節流相比，其節流閥前後壓差較小，所需的節流部件體積較小，且不會出現節流閥冰塞現象。(5)適用範圍廣，其可以根據不同的能源結構、不同能源品位特點進行適時調整， 在餘熱量大、溫度高時，壓縮系統自動停止，在餘熱不足、溫度較低時，壓縮系統將自動運 行，保證製冷系統的製冷量。(6)系統採用的製冷劑為自然工質，對臭氧層無不良影響，也 無溫室效應，利於環境的保護。


附圖1是本發明的太陽能光伏與光熱聯產式混合動力熱泵結構示意圖。
其中有吸收器1、溶液泵2、溶液熱交換器3、節流閥4、節流閥4a、發生器5、
儲熱器6、集熱器7、太陽能薄膜電池8、精餾器9、壓縮機10、蓄電池11、冷凝器12、
熱水器13、蒸發器14、氣體換熱器15。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明的新型製冷設備做進一步說明。
如圖1所示，所述太陽能光伏與光熱聯產式混合動力熱泵包括太陽能採集系統和熱泵系 統。所述太陽能採集系統包括儲熱器6、集熱器7、太陽能薄膜電池8、蓄電池ll所述太 陽能薄膜電池8背面敷設流體通道、流道內的熱水隨後進入所述集熱器7得到進一步加熱， 高溫並將熱量傳遞給所述儲熱器6，同時，薄膜電池產生的電經逆變後輸入給所述蓄電池ll。
所述熱泵由吸收器底部l、溶液泵2、溶液換熱器3、發生器5、精餾器9、冷凝器12、 節流閥4a、蒸發器14、吸收器1依次用無縫鋼管或不鏽鋼材料的管路焊接連通，並從發生器 5底部與吸收器1上部經溶液換熱器3用管路聯通構成循環通路，在吸收器底部1中，加入 製冷工質對氨-水即完成了氨水吸收製冷系統機構加工；在所述的精餾器9與冷凝器12之間 設有壓縮機7，精餾器9出口與壓縮機7的吸氣口相連，壓縮機7的出氣口與冷凝器12的進 氣口相連通，這樣所述壓縮機7與所述的精餾器9、冷凝器12、節流閥4a、蒸發器14可以 構成壓縮系統；吸收器1上部與蒸發器14的上部經氣體換熱器15用循環管路連通，構成循 環通路，並從蒸發器處向設備中系統中充入擴散劑，結合所述的吸收器底部l、發生器5、精 餾器9、冷凝器12、蒸發器14、吸收器1則組成了擴散製冷系統。上述各部件構成壓縮吸收 系統、擴散系統、壓縮系統串聯耦合、共用換熱、節流設備與製冷工質的熱泵系統。
所述太陽能採集系統的兩個儲能設備儲熱器6和蓄電池11分別為所述熱泵系統中法人 兩個耗能設備發生器5和壓縮機7提供能量。
所述壓縮機7由精餾器9的蒸氣出口壓力間接控制，壓力高於所需設置的壓力(一般略 高於當地溫度下冷凝壓力10kPa)時，壓縮機7將停止工作，當壓力低於設置壓力時，壓縮 機將啟動對蒸氣二次壓縮，所述壓縮機的壓縮比在1. 1 1. 8之間。本發明的太陽能光伏與光 熱聯產式混合動力熱泵採用的工質對氨-水的質量濃度在0. 25 0. 45之間，要求的製冷溫度 越低，選擇的濃度一般就越低， 一般冷藏、冷凍用的製冷設備註入的氨水選擇0.29左右，一 般空調用製冷系統氨水濃度選擇0. 35左右。
本發明的太陽能光伏與光熱聯產式混合動力熱泵採用的擴散劑為氫氣或氦氣。 一般製冷量小於2.5kW時，採用氫氣，而大於2.5kW時，考慮到安全問題選擇氦氣； 一般擴散劑的充 裝量主要由充裝壓力決定，注入擴散劑時，應保證停機狀態下擴散劑壓強在60 90kPa，冷 藏、冷凍用製冷設備需要的擴散劑壓強較高， 一般在85kPa左右，空調用擴散劑停機壓強一 般在65 kPa左右。所述發生器5置於熱源中。
本發明的太陽能光伏與光熱聯產式混合動力熱泵循環模式吸收器底部出來的濃氨水溶 液藉助溶液泵獲得一定的動力，在其推動下，濃氨水溶液首先進入溶液換熱器與回流的稀氨 水溶液進行熱交換，經過預熱，氨水溶液進入發生器，在發生器處，被儲熱器輸出的熱能， 加熱沸騰產生氨蒸氣進入精餾器，氨蒸發後剩下的稀氨水溶液順著稀氨水溶液的回流通路經 溶液換熱器和節流閥回到吸收器中；氨蒸氣在精餾器精餾後的蒸氣質量分數進一步提高，得 到接近於純組分的高溫高壓氨氣進入壓縮機，此時設置在精餾器中的壓力傳感裝置會對此時 的壓力進行檢測，若壓力低於冷凝壓力，則壓縮機開啟對氨蒸氣進行二次加壓，二級壓縮機 有太陽能薄膜電池產生並儲存在蓄電池中的電能驅動；當壓力滿足要求時時，二級壓縮機可 以保持停機狀態，滿足壓力要求的氨蒸氣進入冷凝器，在冷凝器中，氨蒸氣冷凝成氨液，氨 液經製冷劑節流闊後進入蒸發器，在蒸發器中是氨和擴散劑的混合氣體，擴散劑的濃度較高， 氨的分壓力低於其飽和壓力，氨液蒸發成氨蒸氣，該過程吸熱達到製冷的目的；氨液蒸發後， 在蒸發器中形成含氨濃度較大的混合氣體，混合氣體經氣體換熱器進入吸收器，其中的氨被 吸收，而擴散劑沿擴散通路在氣體循環泵的作用下回到蒸發器，完成製冷循環。
本發明的太陽能光伏與光熱聯產式混合動力熱泵中，精餾器9、冷凝器12、吸收器l為 放熱部件，可以配備風機對其進行風冷，也可以配備冷卻塔進行水冷；蒸發器14產生的冷量 可以通過風機或者載冷劑送到目的地。
本發明中，熱水器13與冷凝器12以及發生器5之間，設有水循環管道，水一方面對冷 凝器起到冷卻作用， 一方面將水初步加熱，水與發生器換熱，得到二次加熱，當滿足使用條 件的熱水儲存於熱水器13中，為用戶提供生活用洗浴用熱水。
本發明的太陽能光伏與光熱聯產式混合動力熱泵降低了對能源品位的要求，其可以利用 9(TC左右平板式太陽能集熱器提供的熱水為所述吸收系統和擴散系統共用的發生器供能；利 用電能作為驅動所述壓縮系統的壓縮機的能源。與吸收製冷、擴散製冷相比，其對能源品位 的要求較低，擴大了餘熱利用範圍，且相對於氨吸收製冷，本發明系統無需高壓泵，縮小了 體積；相對與擴散製冷系統，其減少了擴散劑灌裝量，提高了效率。本發明的太陽能光伏與 光熱聯產式混合動力熱泵在小型低品位餘熱利用上也有較大優勢。
權利要求
1.一種太陽能光伏與光熱聯產式混合動力熱泵，包括太陽能採集系統和熱泵系統。其特徵在於，所述太陽能採集系統包括相變儲熱器(6)、集熱器(7)、太陽能薄膜電池(8)、蓄電池(11)，所述太陽能薄膜電池(8)背面敷設流體通道與所述集熱器(7)相連，所述集熱器與所述儲熱器(6)相連，所述薄膜電池(8)通過電路所述蓄電池(11)相連；所述熱泵其以氨-水為工質對，以氫氣或則氦氣為擴散劑，含有管路依次連通的吸收器(1)、溶液泵(2)、溶液熱交換器(3)、節流閥(4)、發生器(5)、精餾器(9)、壓縮機(10)、冷凝器(12)、節流閥(4a)、蒸發器(14)、氣體換熱器(15)構成；所述在發生器(5)與吸收器(1)之間經溶液熱交換器(3)設有循環管路，在管路中設有溶液節流閥(3)，在所述吸收器(1)與所述蒸發器(14)之間經氣體熱交換器(15)設有循環通路；所述太陽能採集系統的兩個儲能設備儲熱器6和蓄電池11分別為所述熱泵系統中法人兩個耗能設備發生器5和壓縮機7提供能量。
2. 根據權利要求書l所述的太陽能光伏與光熱聯產式混合動力熱泵，其特徵在於，所述太陽 能薄膜電池(8)為非晶矽太陽能薄膜電池。
3. 根據權利要求書l所述的太陽能光伏與光熱聯產式混合動力熱泵，其特徵在於，所述儲熱 器為相變儲熱器。
全文摘要
本發明公開了一種太陽能光伏與光熱聯產式混合動力熱泵，旨在提供一種由以太陽能為主要能源，用於家庭冬季供暖、夏季製冷和提供熱水的新型熱泵。它包括太陽能採集系統和混合動力熱泵系統，所述太陽能採集系統為一光伏與光熱聯產系統包括太陽能薄膜電池、太陽能集熱器、相變蓄熱器、蓄電池，所述薄膜電池後面設有流體通道，流體通道與集熱器相聯。集熱器，熱泵系統氨水吸收製冷系統、氨壓縮製冷系統、氨水擴散製冷系統三種系統串聯耦合、共用換熱、節流設備和製冷工質構成，含有以管路依次連通的儲液器、溶液泵、發生器、精餾器、冷凝器、壓縮機、節流閥、蒸發器、吸收器。熱泵發生器有相變蓄熱器供熱，熱泵二級壓縮機有蓄電池供電。
文檔編號F25B27/00GK101566406SQ20091002788
公開日2009年10月28日 申請日期2009年5月18日 優先權日2009年5月18日
發明者李智虎, 輝 王, 王挺偉, 鵬 陳 申請人:李智虎