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CN111076266A - 多功能热管式光伏光热热水采暖系统及供暖方法 - Google Patents

多功能热管式光伏光热热水采暖系统及供暖方法 Download PDF

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CN111076266A CN201911406092.2A CN201911406092A CN111076266A CN 111076266 A CN111076266 A CN 111076266A CN 201911406092 A CN201911406092 A CN 201911406092A CN 111076266 A CN111076266 A CN 111076266A
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Abstract

本发明提供一种多功能热管式光伏光热热水采暖系统及供暖方法，包括太阳能光伏发电系统、直管式热管强制水冷系统、储热水箱、闭式环路热管强制风冷系统、采暖房间、光电储存器太阳能蓄电池以及太阳能逆控一体机；直管式热管强制水冷系统包括直管式微通道热管、微通道水冷换热器和水泵，直管式微通道热管设有蒸发端和冷凝端，闭式环路热管强制风冷系统包括闭式环路热管蒸发器、闭式环路热管冷凝器和风扇,本发明具有小型化、易与建筑结合等特点，可根据不同季节光照特点，实现多功能输出满足建筑不同需求。

Description

多功能热管式光伏光热热水采暖系统及供暖方法
技术领域
本发明属于光伏光热技术领域，具体涉及一种多功能热管式光伏光热热水采暖系统及供暖方法。
背景技术
随着太阳能技术的发展和太阳能产品成本的下降，太阳能作为一种可靠的补充能源越来越受到人们的青睐，如太阳能热水系统、分布式光伏发电系统等。然而，当前系统在实际应用过程中存在功能单一、能量转换效率低和热传递效率低等问题。因此，研发可实现多功能、高转换效率和高利用率的光伏光热一体化系统成为实现建筑节能和满足用户需求的重要研究方向。
目前，光伏光热系统可采用空气或者水作为换热介质，因空气热容低、密度低传递热量能力较弱，同时空气冷却型系统与建筑结合方式较为复杂，所以当前系统多采用水冷方式进行换热。然而，水循环采暖多采用地暖形式进行，太阳能从光伏光热系统到房间经历了太阳能模块、储热水箱、地板、室内空气等多个换热过程，大量热量在传递过程中流失，整体传热效率下降；同时，水冷方式在冬季易造成管道结冰，导致系统无法正常运转。
中国专利《一种节能建筑的太阳能光伏光热系统》(CN 201310573559.9)介绍了一种光伏光热系统采用地板采暖方式为建筑提供热量，《一种发汗传热式太阳能光伏光热联用窗》(CN CN201010224257.7)将光伏光热模块以窗户的形式与建筑结合，这些系统皆具有功能单一或采暖传热效率低等问题。
发明内容
针对现有光伏光热系统功能单一或严寒地区冬季运行困难等问题，本发明提出了一种可实现强制风冷和强制水冷的热管式光伏光热热水采暖系统。该系统将直管式热管与闭式环路热管与光伏光热模块相结合，以强制水冷和强制风的换热方式实现制热水、采暖的功能。在提高换热效率的情况下，解决了冬季水路结冰和传热效率低的问题。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种多功能热管式光伏光热热水采暖系统，包括太阳能光伏发电系统1、直管式热管强制水冷系统4、储热水箱8、闭式环路热管强制风冷系统11、采暖房间17、光电储存器太阳能蓄电池20以及太阳能逆控一体机21；
太阳能光伏发电系统1安装在室外，所述太阳能光伏发电系统1包括太阳能电池片阵列2和太阳能光伏模块基板3，太阳能电池片阵列2通过热熔胶层压在太阳能光伏模块基板3正面，吸收和转换太阳能为系统提供电能和热能，太阳能蓄电池20和太阳能电池片阵列2连接，太阳能逆控一体机21和太阳能蓄电池20连接，太阳能蓄电池20和太阳能逆控一体机21组合运行用于储存电能并输送给用户端19；
直管式热管强制水冷系统4包括直管式微通道热管5、微通道水冷换热器6和水泵7，直管式微通道热管5设有蒸发端和冷凝端，直管式微通道热管5的蒸发端通过热熔胶层压在太阳能光伏模块基板3背面与太阳能光伏模块基板3进行热交换，直管式微通道热管5的冷凝端通过热熔胶层压方式与微通道水冷换热器6相结合，并与微通道水冷换热器6进行热交换，直管式微通道热管5内设有冷媒，直管式微通道热管5的蒸发端通过管内冷媒的相变，吸收太阳能光伏模块基板3的热量形成蒸汽，蒸汽上升到冷凝端后与微通道水冷换热器6里面的冷水进行强制对流换热，冷水吸收蒸汽的热量变成热水进入储热水箱8，将来自太阳能光伏模块基板3的热量储存在储热水箱8中，微通道水冷换热器6的出口通过水泵7连接至储热水箱8的入口，储热水箱8的出口连接至微通道水冷换热器6的入口，储热水箱8内的热水通过储热水箱用户端出口阀门18供给用户端19；
所述闭式环路热管强制风冷系统11包括闭式环路热管蒸发器12、闭式环路热管冷凝器13和风扇14,闭式环路热管蒸发器12通过热熔胶层压在太阳能光伏模块基板3背部并与太阳能光伏模块基板3进行热交换，闭式环路热管冷凝器13和风扇14固定在一起并置于室内，闭式环路热管冷凝器13和风扇14的位置高于太阳能光伏模块基板3，闭式环路热管蒸发器12内设有冷媒，闭式环路热管蒸发器12通过管内冷媒的相变吸收太阳能光伏模块基板3的热量形成热蒸汽，热蒸汽进入闭式环路热管冷凝器13，风扇14设置于采暖房间17内并连接于冷凝器13的热蒸汽出口末端，通过风扇的旋转冷却冷凝器13并将热量传递入采暖房间17。
作为优选方式，直管式微通道热管5、闭式环路热管蒸发器12、闭式环路热管冷凝器13以及微通道水冷换热器6皆采用微通道扁管结构作为换热器。
作为优选方式，直管式微通道热管5与闭式环路热管蒸发器12互相交替并列排布在太阳能光伏模块基板3背面，填补对方管道间隔并充当翅片。
作为优选方式，水泵7和储热水箱8安装在室外。
作为优选方式，微通道水冷换热器6的出口通过储热水箱进口阀门9连接储热水箱8的入口；储热水箱8的出口经过储热水箱出口阀门10连通至微通道水冷换热器6的入口；
闭式环路热管蒸发器12的出口通过蒸汽管阀门15连通至闭式环路热管冷凝器13的入口；闭式环路热管冷凝器13的出口通过回液管阀门16连通至闭式环路热管蒸发器12的入口。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种供暖方法，使用上述的采暖系统，包括如下步骤：
通过太阳能光伏发电系统1吸收光照并将其转化成电能和热能，太阳能蓄电池20和太阳能逆控一体机21组合运行，储存电能并输送给用户端19；热能通过太阳能光伏模块基板3传递给背面贴合的直管式微通道热管5的蒸发端，直管式微通道热管5的蒸发端通过管内冷媒的相变，吸收太阳能光伏模块基板3的热量形成蒸汽，蒸汽上升到冷凝端后与微通道水冷换热器6里面的冷水进行强制对流换热，冷水吸收蒸汽的热量变成热水经水泵7进入储热水箱8，将来自太阳能光伏模块基板3的热量储存在储热水箱8中，储热水箱8内的热水通过储热水箱用户端出口阀门18供给用户端19；
闭式环路热管蒸发器12通过管内冷媒的相变吸收太阳能光伏模块基板3的热量形成热蒸汽，热蒸汽进入闭式环路热管冷凝器13，风扇14设置于采暖房间17内并连接于冷凝器13的热蒸汽出口末端，通过风扇的旋转冷却冷凝器13并将热量传递入采暖房间17；
作为优选方式，在非采暖季，蒸汽管阀门15和回液管阀门16关闭，储热水箱进口阀门9和储热水箱出口阀门10打开，储热水箱8提供热水给用户端19，风扇不提供暖风给采暖房间；
在采暖季，蒸汽管阀门15和回液管阀门16打开，储热水箱进口阀门9和储热水箱出口阀门10关闭，储热水箱8不提供热水给用户端19，风扇提供暖风给采暖房间。
本发明系统的技术构思如下：
采用太阳能光伏光热系统为建筑提供热水、电能和采暖，其中太阳能光伏发电系统1可直接为用户提供电能，同时，两种不同类型的热管与太阳能光伏模块基板相结合，分别以强制水冷和强制风冷的形式实现制热水和采暖的功能。在非采暖季，系统通过直管式热管强制水冷系统4将热量传递并保存在储热水箱8内；在采暖季，系统通过闭式环路热管强制风冷系统11将热量传入房间17，达到采暖的目的。两套系统可通过阀门启停，互不影响，在不同季节实现不同的功能。
相比现有技术，本发明的有益效果如下：
1、本发明使用的两套不同的热管系统进行传热，与功能单一的热水或采暖系统相比，本发明可实现全年供电、非采暖季提供热水以及采暖季实现室内采暖功能，实现了系统功能多样化。
2、系统中两种不同热管冷凝端的换热方式皆为强制对流换热，具有较高的换热系数，提高了系统光伏光热综合效率。
3、直管式微通道热管5与闭式环路热管蒸发器12互交替并列排布在太阳能光伏模块基板3背面，填补对方管道间隔并起到充当翅片的作用，此种排列方式在合理利用空间的同时，提高了热管的换热能力。
4、与传统直管式热管相比，微通道水冷换热器6与直管式微通道热管5换热面积具有可调节性，其较大的换热面积是提高其传热能力的另一个优势。
附图说明
图1为本发明实施例提供一种可实现强制风冷和强制水冷的热管式光伏光热热水采暖系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供直管式微通道热管与闭式环路热管蒸发器相互交替并列平面图；
图3为本发明实施例提供系统在热水模式下的直管式热管工作平面图；
图4为本发明实施例提供系统在采暖模式下的闭式环路热管工作平面图；
图中，1为太阳能光伏发电系统，2为太阳能电池片阵列，3为太阳能光伏模块基板，4为直管式热管强制水冷系统，5为直管式微通道热管，6为微通道水冷换热器，7为水泵，8为储热水箱，9为储热水箱进口阀门，10为储热水箱出口阀门，11为闭式环路热管强制风冷系统，12为闭式环路热管蒸发器，13为闭式环路热管冷凝器，14为风扇，15为蒸汽管阀门，16为回液管阀门，17为采暖房间，18为储热水箱用户端出口阀门，19为用户端，20为太阳能蓄电池，21为太阳能逆控一体机。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种多功能热管式光伏光热热水采暖系统，包括太阳能光伏发电系统1、直管式热管强制水冷系统4、储热水箱8、闭式环路热管强制风冷系统11、采暖房间17、光电储存器太阳能蓄电池20以及太阳能逆控一体机21；
太阳能光伏发电系统1安装在室外，所述太阳能光伏发电系统1包括太阳能电池片阵列2和太阳能光伏模块基板3，太阳能电池片阵列2通过热熔胶层压在太阳能光伏模块基板3正面，吸收和转换太阳能为系统提供电能和热能，太阳能蓄电池20和太阳能电池片阵列2连接，太阳能逆控一体机21和太阳能蓄电池20连接，太阳能蓄电池20和太阳能逆控一体机21组合运行用于储存电能并输送给用户端19；
直管式热管强制水冷系统4包括直管式微通道热管5、微通道水冷换热器6和水泵7，直管式微通道热管5设有蒸发端和冷凝端，直管式微通道热管5的蒸发端通过热熔胶层压在太阳能光伏模块基板3背面与太阳能光伏模块基板3进行热交换，直管式微通道热管5的冷凝端通过热熔胶层压方式与微通道水冷换热器6相结合，并与微通道水冷换热器6进行热交换，直管式微通道热管5内设有冷媒，直管式微通道热管5的蒸发端通过管内冷媒的相变，吸收太阳能光伏模块基板3的热量形成蒸汽，蒸汽上升到冷凝端后与微通道水冷换热器6里面的冷水进行强制对流换热，冷水吸收蒸汽的热量变成热水进入储热水箱8，将来自太阳能光伏模块基板3的热量储存在储热水箱8中，微通道水冷换热器6的出口通过水泵7连接至储热水箱8的入口，储热水箱8的出口连接至微通道水冷换热器6的入口，储热水箱8内的热水通过储热水箱用户端出口阀门18供给用户端19；
所述闭式环路热管强制风冷系统11包括闭式环路热管蒸发器12、闭式环路热管冷凝器13和风扇14,闭式环路热管蒸发器12通过热熔胶层压在太阳能光伏模块基板3背部并与太阳能光伏模块基板3进行热交换，闭式环路热管冷凝器13和风扇14固定在一起并置于室内，闭式环路热管冷凝器13和风扇14的位置高于太阳能光伏模块基板3，闭式环路热管蒸发器12内设有冷媒，闭式环路热管蒸发器12通过管内冷媒的相变吸收太阳能光伏模块基板3的热量形成热蒸汽，热蒸汽进入闭式环路热管冷凝器13，风扇14设置于采暖房间17内并连接于冷凝器13的热蒸汽出口末端，通过风扇的旋转冷却冷凝器13并将热量传递入采暖房间17。
直管式微通道热管5、闭式环路热管蒸发器12、闭式环路热管冷凝器13以及微通道水冷换热器6皆采用微通道扁管结构作为换热器。
直管式微通道热管5与闭式环路热管蒸发器12互相交替并列排布在太阳能光伏模块基板3背面，填补对方管道间隔并充当翅片。
水泵7和储热水箱8安装在室外。
微通道水冷换热器6的出口通过储热水箱进口阀门9连接储热水箱8的入口；储热水箱8的出口经过储热水箱出口阀门10连通至微通道水冷换热器6的入口；
闭式环路热管蒸发器12的出口通过蒸汽管阀门15连通至闭式环路热管冷凝器13的入口；闭式环路热管冷凝器13的出口通过回液管阀门16连通至闭式环路热管蒸发器12的入口。
本实施例还提供一种供暖方法，使用上述的系统，包括如下步骤：
通过太阳能光伏发电系统1吸收光照并将其转化成电能和热能，太阳能蓄电池20和太阳能逆控一体机21组合运行，储存电能并输送给用户端19；热能通过太阳能光伏模块基板3传递给背面贴合的直管式微通道热管5的蒸发端，直管式微通道热管5的蒸发端通过管内冷媒的相变，吸收太阳能光伏模块基板3的热量形成蒸汽，蒸汽上升到冷凝端后与微通道水冷换热器6里面的冷水进行强制对流换热，冷水吸收蒸汽的热量变成热水经水泵7进入储热水箱8，将来自太阳能光伏模块基板3的热量储存在储热水箱8中，储热水箱8内的热水通过储热水箱用户端出口阀门18供给用户端19；
闭式环路热管蒸发器12通过管内冷媒的相变吸收太阳能光伏模块基板3的热量形成热蒸汽，热蒸汽进入闭式环路热管冷凝器13，风扇14设置于采暖房间17内并连接于冷凝器13的热蒸汽出口末端，通过风扇的旋转冷却冷凝器13并将热量传递入采暖房间17；
在非采暖季，蒸汽管阀门15和回液管阀门16关闭，储热水箱进口阀门9和储热水箱出口阀门10打开，储热水箱8提供热水给用户端19，风扇不提供暖风给采暖房间；
在采暖季，蒸汽管阀门15和回液管阀门16打开，储热水箱进口阀门9和储热水箱出口阀门10关闭，储热水箱8不提供热水给用户端19，风扇提供暖风给采暖房间。
本发明提出的系统安装方便，非常适合与建筑相结合，可根据不同季节光照特点，实现多功能输出满足建筑内用户的不同需求。
以上结合附图对本发明的实施例进行了详细阐述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护。

Claims (7)

1.一种多功能热管式光伏光热热水采暖系统，其特征在于：包括太阳能光伏发电系统(1)、直管式热管强制水冷系统(4)、储热水箱(8)、闭式环路热管强制风冷系统(11)、采暖房间(17)、光电储存器太阳能蓄电池(20)以及太阳能逆控一体机(21)；
太阳能光伏发电系统(1)安装在室外，所述太阳能光伏发电系统(1)包括太阳能电池片阵列(2)和太阳能光伏模块基板(3)，太阳能电池片阵列(2)通过热熔胶层压在太阳能光伏模块基板(3)正面，吸收和转换太阳能为系统提供电能和热能，太阳能蓄电池(20)和太阳能电池片阵列(2)连接，太阳能逆控一体机(21)和太阳能蓄电池(20)连接，太阳能蓄电池(20)和太阳能逆控一体机(21)组合运行用于储存电能并输送给用户端(19)；
直管式热管强制水冷系统(4)包括直管式微通道热管(5)、微通道水冷换热器(6)和水泵(7)，直管式微通道热管(5)设有蒸发端和冷凝端，直管式微通道热管(5)的蒸发端通过热熔胶层压在太阳能光伏模块基板(3)背面与太阳能光伏模块基板(3)进行热交换，直管式微通道热管(5)的冷凝端通过热熔胶层压方式与微通道水冷换热器(6)相结合，并与微通道水冷换热器(6)进行热交换，直管式微通道热管(5)内设有冷媒，直管式微通道热管(5)的蒸发端通过管内冷媒的相变，吸收太阳能光伏模块基板(3)的热量形成蒸汽，蒸汽上升到冷凝端后与微通道水冷换热器(6)里面的冷水进行强制对流换热，冷水吸收蒸汽的热量变成热水进入储热水箱(8)，将来自太阳能光伏模块基板(3)的热量储存在储热水箱(8)中，微通道水冷换热器(6)的出口通过水泵(7)连接至储热水箱(8)的入口，储热水箱(8)的出口连接至微通道水冷换热器(6)的入口，储热水箱(8)内的热水通过储热水箱用户端出口阀门(18)供给用户端(19)；
所述闭式环路热管强制风冷系统(11)包括闭式环路热管蒸发器(12)、闭式环路热管冷凝器(13)和风扇(14),闭式环路热管蒸发器(12)通过热熔胶层压在太阳能光伏模块基板(3)背部并与太阳能光伏模块基板(3)进行热交换，闭式环路热管冷凝器(13)和风扇(14)固定在一起并置于室内，闭式环路热管冷凝器(13)和风扇(14)的位置高于太阳能光伏模块基板(3)，闭式环路热管蒸发器(12)内设有冷媒，闭式环路热管蒸发器(12)通过管内冷媒的相变吸收太阳能光伏模块基板(3)的热量形成热蒸汽，热蒸汽进入闭式环路热管冷凝器(13)，风扇(14)设置于采暖房间(17)内并连接于冷凝器(13)的热蒸汽出口末端，通过风扇的旋转冷却冷凝器(13)并将热量传递入采暖房间(17)。
2.根据权利要求1所述的多功能热管式光伏光热热水采暖系统，其特征在于：直管式微通道热管(5)、闭式环路热管蒸发器(12)、闭式环路热管冷凝器(13)以及微通道水冷换热器(6)皆采用微通道扁管结构作为换热器。
3.根据权利要求1或2所述的多功能热管式光伏光热热水采暖系统，其特征在于：直管式微通道热管(5)与闭式环路热管蒸发器(12)互相交替并列排布在太阳能光伏模块基板(3)背面，填补对方管道间隔并充当翅片。
4.根据权利要求1所述的多功能热管式光伏光热热水采暖系统，其特征在于：水泵(7)和储热水箱(8)安装在室外。
5.根据权利要求1所述的多功能热管式光伏光热热水采暖系统，其特征在于：微通道水冷换热器(6)的出口通过储热水箱进口阀门(9)连接储热水箱(8)的入口；储热水箱(8)的出口经过储热水箱出口阀门(10)连通至微通道水冷换热器(6)的入口；
闭式环路热管蒸发器(12)的出口通过蒸汽管阀门(15)连通至闭式环路热管冷凝器(13)的入口；闭式环路热管冷凝器(13)的出口通过回液管阀门(16)连通至闭式环路热管蒸发器(12)的入口。
6.一种供暖方法，使用权利要求1至5任意一项所述的系统，其特征在于包括如下步骤：
通过太阳能光伏发电系统(1)吸收光照并将其转化成电能和热能，太阳能蓄电池(20)和太阳能逆控一体机(21)组合运行，储存电能并输送给用户端(19)；热能通过太阳能光伏模块基板(3)传递给背面贴合的直管式微通道热管(5)的蒸发端，直管式微通道热管(5)的蒸发端通过管内冷媒的相变，吸收太阳能光伏模块基板(3)的热量形成蒸汽，蒸汽上升到冷凝端后与微通道水冷换热器(6)里面的冷水进行强制对流换热，冷水吸收蒸汽的热量变成热水经水泵(7)进入储热水箱(8)，将来自太阳能光伏模块基板(3)的热量储存在储热水箱(8)中，储热水箱(8)内的热水通过储热水箱用户端出口阀门(18)供给用户端(19)；
闭式环路热管蒸发器(12)通过管内冷媒的相变吸收太阳能光伏模块基板(3)的热量形成热蒸汽，热蒸汽进入闭式环路热管冷凝器(13)，风扇(14)设置于采暖房间(17)内并连接于冷凝器(13)的热蒸汽出口末端，通过风扇的旋转冷却冷凝器(13)并将热量传递入采暖房间(17)。
7.根据权利要求6所述的供暖方法，其特征在于：在非采暖季，蒸汽管阀门(15)和回液管阀门(16)关闭，储热水箱进口阀门(9)和储热水箱出口阀门(10)打开，储热水箱(8)提供热水给用户端(19)，风扇不提供暖风给采暖房间；
在采暖季，蒸汽管阀门(15)和回液管阀门(16)打开，储热水箱进口阀门(9)和储热水箱出口阀门(10)关闭，储热水箱(8)不提供热水给用户端(19)，风扇提供暖风给采暖房间。
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