技术领域
[0001] 本
发明涉及太阳能采暖领域，尤其涉及一种蓄热型直膨式光伏-太阳能热泵电热联供系统与方法。
背景技术
[0002] 太阳能资源极其普遍，且无污染、永不枯竭，符合目前世界环境保护的要求。传统的太阳能光热利用技术在我国已得到普及，但由于太阳能存在
能量密度低、不均匀性、间歇性等问题，使得技术的发展受到制约。而在太阳能
光伏发电的应用中，也存在组件
温度过高导致发电效率降低的情况。
[0003] 直膨式光伏-太阳能热泵系统是太阳能光热光电综合利用技术之一，以热泵循环作为系统的热量传输途径，光伏
电池和热泵
蒸发器结合成一体，把光热转换得到的热量先由工质的蒸发过程吸收，通
过热泵循环在冷凝端高温输出。一方面，光热转换热量输出的终端温度可以保证，另一方面，光伏电池在热泵工质的
蒸发冷却下，
工作温度较低，光电效率也得到提高。
[0004] 结合高导热的
相变蓄热材料，可以有效解决太阳光不集中不稳定的问题，进一步提高太阳能的综合利用效率和光伏
蒸发器的集热效率。为此期望设计出一种简单、高效充分利用太阳能资源的电热联供光伏-太阳能热泵系统。
发明内容
[0005] 本发明提供了一种蓄热型直膨式光伏-太阳能热泵电热联供系统与方法；解决直膨式光伏-太阳能热泵系统中在热泵部分太阳能不
稳定性的因素，和因工作温度过高而损坏的技术问题；本发明旨在最充分利用太阳能资源以提高太阳能利用效率和热泵的性能。
[0006] 本发明通过下述技术方案实现：
[0007] 一种蓄热型直膨式光伏-太阳能热泵电热联供系统，包括如下各个部件构成的两个液态工质循环回路：
压缩机1、
冷凝器2、膨胀
阀3、三通阀4、光伏蓄热蒸发器5、第一
单向阀6、
风冷蒸发器7、第二单项阀8；
[0008] 所述压缩机1的出口通过管路依次
串联连接冷凝器2、膨胀阀3、三通阀4、光伏蓄热蒸发器5、第一单向阀6和风冷蒸发器7，最后在接入压缩机1的入口；
[0009] 所述三通阀4的另一通路，通过第二单项阀8直接与风冷蒸发器7的入口管路连接；
[0010] 所述三通阀4作为两个液态工质循环回路的选择
开关；
[0011] 当三通阀4的A通路打开、B通路关闭时，来自膨胀阀3的液态工质先进入光伏蓄热蒸发器5后，再依次进入下游各个部件，此时第一回路连通；
[0012] 当三通阀4的A通路关闭、B通路打开时，来自膨胀阀3的液态工质通过第二单项阀8，直接进入风冷蒸发器7后，再依次进入下游各个部件，此时第二回路连通。
[0013] 所述光伏蓄热蒸发器5包括用于通入液态工质的换热盘管66，以及依次贴合在一起的光伏电池板11、兼做
粘合剂的导热
硅胶层22、复合
相变材料层33、保温层44和
背板55；所述换热盘管66的外壁涂覆导热硅胶后，再埋设于复合相变材料层33内。
[0014] 所述复合相变材料层33的相变温度范围20℃～35℃；主要由比例为75～90:1的
石蜡与膨胀
石墨复合而成的相变材料层；复合方法为将加热
熔化后的石蜡加入膨胀石墨中进行充分搅拌，直到石蜡被膨胀石墨充分吸收；然后压制成所需板
块状，再通过导热硅胶层22粘连在光伏电池板11的背后。具体相变温度，可根据不同区域的环境特征进行选取。
[0015] 所述光伏蓄热蒸发器5和冷凝器2均内置有温度
传感器；光伏蓄热蒸发器5内置的传感器用于检测光伏电池板11发电的工作温度及复合相变材料层33的蓄热温度；冷凝器2内置的温度传感器用于检测
水温。
[0016] 所述冷凝器2包括冷水进口和热水出口。
[0017] 所述液态工质为制冷剂。
[0018] 所述保温层44为保温
棉；背板55为金属背板。
[0019] 所述光伏电池板11为
多晶硅光伏电池板；所述多晶硅光伏电池板连接
蓄电池机组9。
[0020] 所述三通阀4为L型三通阀。
[0021] 本发明蓄热型直膨式光伏-太阳能热泵电热联供系统的运行方法，包括如下步骤：
[0022] 第一回路循环运行步骤；将三通阀4的A通路打开、B通路关闭；光伏蓄热蒸发器5接受到太阳辐照，太阳辐照的短波部分被光伏电池板11转化为
电能储存在蓄电池机组9内，长波部分则通过复合相变材料层33吸收储存起来，为换热盘管66内的制冷剂升温，再由作为辅助换热器的风冷蒸发器7进行二次升温后进入压缩机1，压缩机1将二次升温后的制冷剂压缩升温到
过热蒸汽状态后，送入冷凝器2的金属盘管内，并对冷凝器2内的水进行换热，制冷剂在冷凝器2中得到冷却，同时冷凝器2内的水被加热，作为生活用热水供采暖或直接使用，而冷却后的蒸汽经膨胀阀3进行节流降压后依次往下循环，以进入后序蒸发阶段往复循环；第一回路不仅提高太阳能的综合利用效率和光伏蒸发器的集热效率，同时对光伏电池板进行有效冷却，提高光伏发电效率，保护光伏组件。
[0023] 第二回路循环运行步骤；将三通阀4的A通路关闭、B通路打开；仅有风冷蒸发器7作为换热器对制冷剂蒸发提供能量，此时光伏蓄热蒸发器5仅作为
蓄热器对热量进行储存或者转换。
[0024] 本发明相对于
现有技术，具有如下的优点及效果：
[0025] 本发明具有两个循环运行回路，可根据环境条件自由切换；最大限度的利用了太阳能，保护了光伏组件免于因工作温度过高而损坏，同时提高了热泵的性能，在提供生活用热水的同时也能提供生活用电。
[0026] 本发明第一回路循环运行，光伏电池板将太阳光热传递给复合相变材料层，复合相变材料层再将热量传递给制冷剂，对制冷剂进行升温；风冷蒸发器为辅助换热器，在阳光不足或阴雨天气中从环境中吸收能量来弥补光伏蒸发器吸热量的不足，保证热泵系统的正常进行。当白天太阳辐照达到一定强度时，
光伏发电系统即能为用户提供电能，复合相变材料层吸收
热能可缓解光伏电池板升温的速率，且提高光伏电池板受热的均匀性，当光伏电池板的温度高于50℃时，可开启第一回路循环运行对光伏电池板进行降温，防止光伏组件产生热损坏。
[0027] 本发明第二回路循环运行，作为单风冷蒸发器热泵循环系统；在本回路中，风冷蒸发器作为唯一换热器对制冷剂蒸发提供能量，从而保证了光伏蓄热蒸发器可作为蓄热器对热量进行储存以供用户在其它时期使用。
[0028] 本发明相变温度范围20℃～35℃；主要由比例为75～90:1的石蜡与膨胀石墨复合而成的相变材料层；复合方法为将加热熔化后的石蜡加入膨胀石墨中进行充分搅拌，直到石蜡被膨胀石墨充分吸收；再经压制成所需板块状，再通过导热硅胶层粘连在光伏电池板的背后。这种复合相变材料层，制备工艺简单，换热效果好，即可以应用于各种户外温度下且具有很大的相变储热能
力，同时通过与膨胀石墨的复合工艺，增加了与制冷剂之间的换热能力，进而大幅提高了导热系数。
附图说明
[0029] 图1为本发明蓄热型直膨式光伏-太阳能热泵电热联供系统结构
框图。
[0030] 图2为图1光伏蓄热蒸发器5结构示意图。
[0031] 图3为图2内部剖面结构示意图。
具体实施方式
[0032] 下面结合具体
实施例对本发明作进一步具体详细描述。
[0033] 如图1-3所示。本发明公开了一种蓄热型直膨式光伏-太阳能热泵电热联供系统，包括如下各个部件构成的两个液态工质循环回路：压缩机1、冷凝器2、膨胀阀3、三通阀4、光伏蓄热蒸发器5、第一单向阀6、风冷蒸发器7、第二单项阀8；
[0034] 所述压缩机1的出口通过管路依次串联连接冷凝器2、膨胀阀3、三通阀4、光伏蓄热蒸发器5、第一单向阀6和风冷蒸发器7，最后在接入压缩机1的入口；
[0035] 所述三通阀4的另一通路，通过第二单项阀8直接与风冷蒸发器7的入口管路连接；
[0036] 所述三通阀4作为两个液态工质循环回路的选择开关；
[0037] 当三通阀4的A通路打开、B通路关闭时，来自膨胀阀3的液态工质先进入光伏蓄热蒸发器5后，再依次进入下游各个部件，此时第一回路连通；
[0038] 当三通阀4的A通路关闭、B通路打开时，来自膨胀阀3的液态工质通过第二单项阀8，直接进入风冷蒸发器7后，再依次进入下游各个部件，此时第二回路连通。
[0039] 所述光伏蓄热蒸发器5包括用于通入液态工质的换热盘管66，以及依次贴合在一起的光伏电池板11、兼做粘合剂的导热硅胶层22、复合相变材料层33、保温层44和背板55；所述换热盘管66的外壁涂覆导热硅胶后，再埋设于复合相变材料层33内。
[0040] 所述复合相变材料层33的相变温度范围20℃～35℃；主要由比例为75～90:1的石蜡与膨胀石墨复合而成的相变材料层；复合方法为将加热熔化后的石蜡加入膨胀石墨中进行充分搅拌，直到石蜡被膨胀石墨充分吸收；然后压制成所需板块状，再通过导热硅胶层22粘连在光伏电池板11的背后。具体相变温度，可根据不同区域的环境特征进行选取。
[0041] 还可根据具体应用要求采用其他能实现相变温度范围20℃～35℃的相变材料；比如按照上述比例(或者其他比例)，十水合
硫酸钠去和膨胀石墨或者
硅藻土去复合制备等。
[0042] 所述光伏蓄热蒸发器5和冷凝器2均内置有温度传感器；光伏蓄热蒸发器5内置的传感器用于检测光伏电池板11发电的工作温度及复合相变材料层33的蓄热温度；冷凝器2内置的温度传感器用于检测水温。
[0043] 所述冷凝器2包括冷水进口和热水出口。所述液态工质为制冷剂(工质R22)。
[0044] 所述保温层44为保温棉；背板55为金属背板。
[0045] 所述光伏电池板11为多晶硅光伏电池板；所述多晶硅光伏电池板连接蓄电池机组9。
[0046] 所述三通阀4为L型三通阀。所述压缩机1将制冷剂压缩升温到高温高压的
过热蒸汽状态，为热泵循环提供动力。
[0047] 冷凝器2为150L的水箱，水箱内设置金属盘管(换热
铜管)，将金属盘管内高温高压的蒸汽与水箱中的水进行换热，制冷剂在冷凝器中得到冷却，同时水箱中的水可被加热为生活用热水供采暖或直接使用。
[0048] 膨胀阀3将冷凝后的制冷剂进行节流降压再送入后序的工质蒸发阶段。
[0049] 三通阀4(L型)作为通道选择开关，决定了制冷剂的循环回路；在第一回路中，光伏蓄热蒸发器5，一方面吸收太阳辐照中的短波进行发电，另一方面作为集热器将太阳辐照中的长波能量吸收并储存起来，可为制冷剂蒸发提供能量，使制冷剂充分换热后达到过热状态。
[0050] 述风冷蒸发器7为辅助换热器，在阳光不足或阴雨天气中从环境中吸收能量来弥补光伏蓄热蒸发器5吸热量的不足，保证热泵系统的正常进行。在回路二中，风冷蒸发器7作为唯一换热器对制冷剂蒸发提供能量。
[0051] 本发明所述系统，通过光生伏打效应将太阳能转为电能；光伏电池板11(多晶硅光伏电池板)即为光伏蓄热蒸发器中的光伏组件，可以将太阳光直接转化为电能，产生
电流。
[0052] 蓄电池机组9包括蓄
电池组、充放电
控制器，可将多晶硅光伏电池板产生的电能储存起来，并在用户需要使用的时候进行放电，并且可以根据用户需求决定增加逆变器、交流
配电柜等。
[0053] 如图2所述。光伏蓄热蒸发器5即为多晶硅光伏电池板与相变材料组成的系统，系统接受到的太阳辐照中，短波部分被光伏电池转化为电流输出，长波部分则通过相变材料吸收再作为热泵蒸发器的热源。
[0054] 光伏电池板利用光伏效应发电的同时也作为集热器吸收太阳光的能量。
[0055] 导热硅胶22具有较高的导热系数，作为粘合剂将复合相变材料层33和光伏电池板11连接起来，使光伏电池板11接收的能量传导到复合相变材料层33中。
[0056] 复合相变材料层33，利用其相变
潜热可将能量储存，同时也可将热量传导到换热盘管66。
[0057] 保温层44具有绝热作用，可以极大限度减少复合相变材料层33储存的热量散失。
[0058] 背板55作为外
框架包裹内部复合相变材料层33；换热盘管66内走制冷剂，换热盘管66外壁通过导热硅胶嵌入复合相变材料层33中，是换热盘管66和制冷剂(工质R22)的换热媒介。
[0059] 如上所述；复合相变材料层33的相变温度范围20℃～35℃；主要由比例为75～90:1的石蜡与膨胀石墨复合而成的相变材料层；复合方法为将加热熔化后的石蜡(RT28)加入到膨胀石墨中进行充分搅拌，直到石蜡被膨胀石墨充分吸收；该复合相变材料再经压片机压制形成10cm×10cm×3cm的方块，再通过导热硅胶层粘连在光伏电池板的背后；压制形成的复合相变材料具有石蜡的相变温度平台，即可以应用于各种户外温度下且具有很大的相变储热能力，同时通过与膨胀石墨的复合获得了很高的导热系数，可增加与制冷剂之间的换热能力。具体相变温度，可根据不同区域的环境特征进行选取。
[0060] 可在光伏蓄热蒸发器内部设置温度传感器，提高采集数据的准确性，可设置在光伏电池板的背部与复合相变材料层之间，用于检测光伏电池板发电的工作温度及相变材料的蓄热温度，以为热泵开启适宜时间，提供参考依据。
[0061] 可在冷凝器中设置温度传感器，用于检测冷凝器内加热的水温，为用于使用需求，提供温度参考数据。
[0062] 白天太阳辐照达到一定强度时，光伏发电系统即能为用户提供电能，复合相变材料层吸收热能可缓解光伏电池板升温的速率，且提高光伏电池板受热的均匀性，当光伏电池板的温度高于50℃时，可开启第一回路循环模式，对光伏电池板进行降温，防止光伏组件产生热损坏。
[0063] 当用户白天有采暖或用热水的需求时，可通过转动三通阀开启第一回路循环模式，利用光伏电池板接收的热能给制冷剂蒸发提供能量，提高热泵的性能。
[0064] 当用户晚间有采暖或用热水的需求时，可开启第一回路循环模式，光伏蓄热蒸发器中复合相变材料层放出白天储存的能量，可为制冷剂蒸发提供能量。
[0065] 当日夜温差较大时，白天若有用水需求可通过三通阀选择开启第二回路循环模式，在温度较高的时候仅利用风冷蒸发器便可保证热泵的性能，同时光伏蓄热蒸发器对太阳能进行蓄热，在夜间温度较低时可再开启第一回路循环模式，利用白天的蓄热给制冷剂加热以提高热泵的性能；整个系统相互能量互补服务于用户采暖和用电。
[0066] 本发明蓄热型直膨式光伏-太阳能热泵电热联供系统的运行方法，包括如下步骤：
[0067] 第一回路循环运行步骤；将三通阀4的A通路打开、B通路关闭；光伏蓄热蒸发器5接受到太阳辐照，太阳辐照的短波部分被光伏电池板11转化为电能储存在蓄电池机组9内，长波部分则通过复合相变材料层33吸收储存起来，为换热盘管66内的制冷剂升温，再由作为辅助换热器的风冷蒸发器7进行二次升温后进入压缩机1，压缩机1将二次升温后的制冷剂压缩升温到过热蒸汽状态后，送入冷凝器2的金属盘管内，并对冷凝器2内的水进行换热，制冷剂在冷凝器2中得到冷却，同时冷凝器2内的水被加热，作为生活用热水供采暖或直接使用，而冷却后的蒸汽经膨胀阀3进行节流降压后依次往下循环，已进入后序蒸发阶段往复循环；第一回路循环适合在阳光照度不足或阴雨天气时使用，在阳光不足或阴雨天气中从环境中吸收能量以弥补光伏蓄热蒸发器5吸收热量的不足，进而使蓄热型直膨式光伏-太阳能热泵电热联供系统正常进行。
[0068] 白天太阳辐照达到一定强度时，光伏发电系统即能为用户提供电能，复合相变材料层吸收热能可缓解光伏电池板升温的速率，且提高光伏电池板受热的均匀性，当光伏电池板的温度高于50℃时，可开启第一回路循环运行对光伏电池板进行降温，防止光伏组件产生热损坏。
[0069] 第二回路循环运行步骤；将三通阀4的A通路关闭、B通路打开；仅有风冷蒸发器7作为换热器对制冷剂蒸发提供能量，此时光伏蓄热蒸发器5仅作为蓄热器对热量进行储存或者转换；以供用户在其它时期使用。
[0070] 以下通过两个具体实施例，对本发明作进一步说明。
[0071] 实施例1：
[0072] 在我国南部区域，以某市为例，全年平均温度在20℃～22℃，夏季平均温度高于30℃，因此选取相变温度为28℃的石蜡与膨胀石墨进行复合制成相变材料；复合方法为将加热熔化后的石蜡加入到膨胀石墨中进行充分搅拌，直到石蜡被膨胀石墨充分吸收；该复合相变材料再经压片机压制形成方块，再通过导热硅胶粘连在光伏电池板的背后；压制形成的复合相变材料具有石蜡的相变温度平台，相变范围在20℃～36℃，即可以应用于户外温度下，且具有很大的相变储热能力，同时通过与膨胀石墨的复合获得了很高的导热系数，可增加与工质之间的换热能力。
[0073] 在不开启热泵的情况下，相变材料可对太阳辐照中的热能进行储存，进而对光伏电池板的温度上升进行控制；在第一回路运行过程中，太阳辐照中的热能可通过相变材料传导到换热盘管中用于制冷剂蒸发，提高了制冷剂的蒸发温度进而提高了热泵的性能，同时光伏电池板的温度得到制冷剂冷却，光电效率得到大幅提高。
[0074] 实施例2：
[0075] 在我国北部区域，以某市为例，年平均气温10℃～12℃，冬季温度低，纯热泵
热水器无法满足采暖需求，本发明可选取相变温度为20℃的复合相变材料；
[0076] 本实施例中，复合相变材料为相变温度为20℃的石蜡与膨胀石墨复合形成，复合方法为将加热熔化后的石蜡加入到膨胀石墨中进行充分搅拌，直到石蜡被膨胀石墨充分吸收；该复合相变材料再经压片机压制形成方块，再通过导热硅胶粘连在光伏电池板的背后；压制形成的复合相变材料具有石蜡的相变温度平台，相变范围在12℃～28℃，即可以应用于户外温度下，且具有很大的相变储热能力，同时通过与膨胀石墨的复合获得了很高的导热系数，可增加与制冷剂之间的换热能力。
[0077] 在冬季温度低的情况下运行第一回路，相变材料与工质之间有足够的温度梯度，即能实现利用太阳辐照中的热能有效给热泵中的制冷剂蒸发提供热源，保证热泵的正常运行，并且通过相变材料的储能可以解决热泵结霜问题。
[0078] 如上所述，便可较好地实现本发明。本发明结合高导热的相变蓄热材料，有效解决了太阳光不集中不稳定的问题，进一步提高太阳能的综合利用效率和光伏蒸发器的集热效率，同时也可以对光伏板进行有效冷却，提高光伏发电效率，保护光伏组件。
[0079] 本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
