一种基于光伏/光热集热/蒸发器的高温热泵系统

摘要

本发明公开了一种基于光伏/光热集热/蒸发器的高温热泵系统，涉及热泵技术、光伏/光热技术领域，包括光伏/光热热泵模块，所述光伏/光热热泵模块包括缓冲水箱；高温热泵模块，所述高温热泵模块包括储热水箱；所述光伏/光热热泵模块与所述高温热泵模块通过所述缓冲水箱与所述储热水箱进行耦合；所述缓冲水箱的一端与所述储热水箱直接连接，所述缓冲水箱的另一端通过循环泵Ⅱ与所述储热水箱连接，当所述缓冲水箱中的水温到达预设温度后，所述缓冲水箱中的水将在所述循环泵Ⅱ的带动下进入所述储热水箱中。本发明采用缓冲水箱、储热水箱、高温水箱三水箱的配置，使得系统更加稳定的运行从而提高整个系统运行效率。

权利要求

1.一种基于光伏/光热集热/蒸发器的高温热泵系统，其特征在于，包括：光伏/光热热泵模块，所述光伏/光热热泵模块包括：缓冲水箱；

光伏/光热组件；

冷凝器Ⅰ，所述冷凝器Ⅰ的一端通过单级压缩机与所述光伏/光热组件连接，所述冷凝器Ⅰ的另一端通过节流阀Ⅰ与所述光伏/光热组件连接；

其中，

所述缓冲水箱的一端通过循环泵Ⅰ与所述冷凝器Ⅰ连接，另一端与所述冷凝器Ⅰ直接连接；

高温热泵模块，所述高温热泵模块包括：储热水箱；

降膜式蒸发器，所述降膜式蒸发器的一端通过循环泵Ⅲ与所述储热水箱连接，另一端与所述储热水箱直接连接；

冷凝器Ⅱ，所述冷凝器Ⅱ的一端通过离心式喷气增焓压缩机与所述降膜式蒸发器连接，另一端通过节流阀Ⅲ与闪蒸罐连接，所述闪蒸罐通过节流阀Ⅱ与所述降膜式蒸发器连接；

所述光伏/光热热泵模块与所述高温热泵模块通过所述缓冲水箱与所述储热水箱进行耦合；

所述缓冲水箱的一端与所述储热水箱直接连接，所述缓冲水箱的另一端通过循环泵Ⅱ与所述储热水箱连接，当所述缓冲水箱中的水温到达预设温度后，所述缓冲水箱中的水将在所述循环泵Ⅱ的带动下进入所述储热水箱中。

2.如权利要求1所述的基于光伏/光热集热/蒸发器的高温热泵系统，其特征在于，所述离心式喷气增焓压缩机与所述闪蒸罐连接。

3.如权利要求1所述的基于光伏/光热集热/蒸发器的高温热泵系统，其特征在于，所述高温热泵模块还包括：

高温水箱，所述高温水箱的一端通过循环泵Ⅳ与所述冷凝器Ⅱ连接，另一端与所述冷凝器Ⅱ直接连接，形成高温热泵循环，实现高品位热能的输出。

4.如权利要求3所述的基于光伏/光热集热/蒸发器的高温热泵系统，其特征在于，还包括：

MPPT太阳能控制器，所述MPPT太阳能控制器与所述光伏/光热组件连接，将所述光伏/光热组件产生的直流电进行整合；

蓄电池，所述蓄电池连接所述MPPT太阳能控制器，存储所述MPPT太阳能控制器整合的所述直流电；

逆变器，所述逆变器连接所述蓄电池，将所述直流电转为交流电输出。

5.如权利要求4所述的基于光伏/光热集热/蒸发器的高温热泵系统，其特征在于，还包括：

交流电供电端，所述交流电供电端与所述逆变器连接；

输出至电网端，所述输出至电网端与所述逆变器连接，将富余电量输出至电网。

6.如权利要求5所述的基于光伏/光热集热/蒸发器的高温热泵系统，其特征在于，所述交流电供电端分别与所述单级压缩机、所述循环泵Ⅰ、所述循环泵Ⅱ、所述循环泵Ⅲ、所述循环泵Ⅳ和所述离心式喷气增焓压缩机连接并驱动所述单级压缩机、所述循环泵Ⅰ、所述循环泵Ⅱ、所述循环泵Ⅲ、所述循环泵Ⅳ和所述离心式喷气增焓压缩机的运行。

7.如权利要求5所述的基于光伏/光热集热/蒸发器的高温热泵系统，其特征在于，所述光伏/光热组件为直膨式。

8.如权利要求7所述的基于光伏/光热集热/蒸发器的高温热泵系统，其特征在于，所述光伏/光热热泵模块采用的制冷剂为R134a或R410A；所述高温热泵模块采用R1233zd(E)作为循环工质。

说明书

一种基于光伏/光热集热/蒸发器的高温热泵系统

技术领域

[0001] 本发明涉及热泵技术、光伏/光热技术领域，包括中温区的太阳能热泵系统与高温区的高温热泵系统，尤其涉及一种基于光伏/光热集热/蒸发器的高温热泵系统。

背景技术

[0002] 热泵系统可以通过消耗电能实现高效转化低品位热能为高品位热能，而传统的热泵系统适用于产生45～55℃左右的热水，从而限制了其使用范围。另一方面，由于社会的发
展和城市化比例的提高，我国能源消耗陡增，导致二氧化碳排放量大幅提升，因此能源结构
转型成为我国的基本国策，可再生能源的利用和开发成为替代传统能源的关键途径。太阳
能热泵结合热泵技术与太阳能利用，从而极大的提高了太阳能保证率与可再生能源占比。

[0003] 此外，光伏技术为太阳能光电利用的主要途径，光伏/光热组件的提出不仅可以实现高效的光电转化，也可以实现稳定的光热输出，从而提高综合能源利用率。将光伏/光热
技术与热泵系统耦合，提出的直膨式太阳能光伏/光热热泵系统可以有效实现热电联产。但
由于上述常规热泵系统存在的缺陷，使太阳能光伏/光热热泵系统无法有效输出高温热能。

[0004] 由此，本领域的技术人员致力于开发一种基于光伏/光热集热/蒸发器的高温热泵系统，既能克服能源消耗的问题，又能够克服常规热泵系统存在的无法实现高温热水的输
出的缺陷。

发明内容

[0005] 因为传统热泵系统本身的设计采用单级压缩，使得采用传统工质的系统无法实现高温热水的输出，所以高温热泵系统可以通过两级压缩过程输出高品位热能，但要求其低
温热源在50℃以上且保持稳定。

[0006] 由此，本领域的技术人员致力于开发一种基于光伏/光热集热/蒸发器的高温热泵系统，利用直膨式太阳能光伏/光热热泵产生中温热水并通过缓冲水箱储存于储热水箱中，
从而保证了高温热泵对低温热源的温度要求，使得高温热泵系统可以有效运行。该系统产
出的高温热水可供食品蒸煮/加工、金属制作、服装熨烫/洗涤烘干、造纸、酿酒蒸馏、木材加
工等行业中，替代传统锅炉，大大减少一次能源的消耗，实现节能减排。

[0007] 有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何设计一种基于光伏/光热集热/蒸发器的高温热泵系统，通过直膨式太阳能光伏/光热热泵系统与高温热泵
系统的合理耦合，实现高温热水的输出，且光伏/光热组件产生的电量可供系统部件如压缩
机、循环泵等使用。

[0008] 为实现上述目的，本发明提供了一种基于光伏/光热集热/蒸发器的高温热泵系统，包括：

[0009] 光伏/光热热泵模块，所述光伏/光热热泵模块包括缓冲水箱；

[0010] 高温热泵模块，所述高温热泵模块包括储热水箱；

[0011] 所述光伏/光热热泵模块与所述高温热泵模块通过所述缓冲水箱与所述储热水箱进行耦合；

[0012] 所述缓冲水箱的一端与所述储热水箱直接连接，所述缓冲水箱的另一端通过循环泵Ⅱ与所述储热水箱连接，当所述缓冲水箱中的水温到达预设温度后，所述缓冲水箱中的
水将在所述循环泵Ⅱ的带动下进入所述储热水箱中。

[0013] 进一步地，所述光伏/光热热泵模块还包括：

[0014] 光伏/光热组件；

[0015] 冷凝器Ⅰ，所述冷凝器Ⅰ的一端通过单级压缩机与所述光伏/光热组件连接，所述冷凝器Ⅰ的另一端通过节流阀Ⅰ与所述光伏/光热组件连接；

[0016] 其中，

[0017] 所述缓冲水箱的一端通过循环泵Ⅰ与所述冷凝器Ⅰ连接，另一端与所述冷凝器Ⅰ直接连接。

[0018] 进一步地，所述高温热泵模块还包括：

[0019] 降膜式蒸发器，所述降膜式蒸发器的一端通过循环泵Ⅲ与所述储热水箱连接，另一端与所述储热水箱直接连接；

[0020] 冷凝器Ⅱ，所述冷凝器Ⅱ的一端通过离心式喷气增焓压缩机与所述降膜式蒸发器连接，另一端通过节流阀Ⅲ与闪蒸罐连接，所述闪蒸罐通过节流阀Ⅱ与所述降膜式蒸发器
连接。

[0021] 进一步地，所述离心式喷气增焓压缩机与所述闪蒸罐连接。

[0022] 进一步地，所述高温热泵模块还包括：

[0023] 高温水箱，所述高温水箱的一端通过循环泵Ⅳ与所述冷凝器Ⅱ连接，另一端与所述冷凝器Ⅱ直接连接，形成高温热泵循环，实现高品位热能的输出。

[0024] 进一步地，还包括：

[0025] MPPT太阳能控制器，所述MPPT太阳能控制器与所述光伏/光热组件连接，将所述光伏/光热组件产生的直流电进行整合；

[0026] 蓄电池，所述蓄电池连接所述MPPT太阳能控制器，存储所述MPPT太阳能控制器整合的所述直流电；

[0027] 逆变器，所述逆变器连接所述蓄电池，将所述直流电转为交流电输出。

[0028] 进一步地，还包括：

[0029] 交流电供电端，所述交流电供电端与所述逆变器连接；

[0030] 输出至电网端，所述输出至电网端与所述逆变器连接，将富余电量输出至电网。

[0031] 进一步地，所述交流电供电端分别与所述单级压缩机、所述循环泵Ⅰ、所述循环泵Ⅱ、所述循环泵Ⅲ、所述循环泵Ⅳ和所述离心式喷气增焓压缩机连接并驱动所述单级压缩
机、所述循环泵Ⅰ、所述循环泵Ⅱ、所述循环泵Ⅲ、所述循环泵Ⅳ和所述离心式喷气增焓压缩
机的运行。

[0032] 进一步地，所述光伏/光热组件为直膨式。

[0033] 进一步地，所述光伏/光热热泵模块采用的制冷剂为R134a或R410A；所述高温热泵模块采用R1233zd(E)作为循环工质。

[0034] 本发明提供的一种基于光伏/光热集热/蒸发器的高温热泵系统至少具有以下技术效果：

[0035] 1、本发明采用基于光伏/光热组件的直膨式太阳能热泵系统，实现高效热电联产，产生的电能供系统使用，产生的热能作为中温热源供高温热泵使用，既保证了发电效率，也
提高了高温热泵运行的稳定性；

[0036] 2、本发明采用缓冲水箱、储热水箱、高温水箱三水箱的配置，使得系统更加稳定的运行，直膨式太阳能光伏/光热热泵系统产生的热量经缓冲水箱进入储热水箱中，保证了储
热水箱温度的稳定性，保证了高温热泵端对蒸发器热源的稳定性要求，从而提高整个系统
运行效率。

[0037] 以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

[0038] 图1是本发明的一个较佳实施例的原理图。

[0039] 其中，1‑光伏/光热组件，2‑单级压缩机，3‑冷凝器Ⅰ，4‑循环泵Ⅰ，5‑MPPT太阳能控制器，6‑蓄电池，7‑循环泵Ⅲ，8‑逆变器，9‑交流电供电端，10‑离心式喷气增焓压缩机，11‑
输出至电网端，12‑循环泵Ⅳ，13‑节流阀Ⅰ，14‑缓冲水箱，15‑循环泵Ⅱ，16‑储热水箱，17‑降
膜式蒸发器，18‑节流阀Ⅱ，19‑闪蒸罐，20‑节流阀Ⅲ，21‑冷凝器Ⅱ，22‑高温水箱。

具体实施方式

[0040] 以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限
于文中提到的实施例。

[0041] 在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定
每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

[0042] 因为传统热泵系统本身的设计采用单级压缩，使得采用传统工质的系统无法实现高温热水的输出，所以高温热泵系统可以通过两级压缩过程输出高品位热能，但要求其低
温热源在50℃以上且保持稳定。

[0043] 由此，本领域的技术人员致力于开发一种基于光伏/光热集热/蒸发器的高温热泵系统，采用缓冲水箱、储热水箱、高温水箱三水箱的配置，将光伏/光热热泵与高温热泵合理
耦合，实现100℃及以上高品位热能的输出，光伏组件的发电量可供系统压缩机、循环泵等
部件使用。在本发明中，将光伏/光热热泵产生的中温热量经过缓冲水箱储存于恒温水箱
中，恒温水箱中的中温热水作为高温热泵端的稳定热源；进而通过高温热泵循环产出100℃
以上的高品位热能。该系统产生的高温热水可供食品、酿酒、化工等行业使用，该系统替代
传统高能耗锅炉，降低一次能源消耗，节能减排。

[0044] 如图1所示，为一种基于光伏/光热集热/蒸发器的高温热泵系统，包括：光伏/光热热泵模块和高温热泵模块。

[0045] 其中，光伏/光热热泵模块包括缓冲水箱14，高温热泵模块包括储热水箱16。光伏/光热热泵模块与高温热泵模块通过缓冲水箱14与储热水箱16进行耦合。缓冲水箱14的一端
与储热水箱16直接连接，缓冲水箱14的另一端通过循环泵Ⅱ15与储热水箱16连接，当缓冲
水箱14中的水温到达预设温度后，缓冲水箱14中的水将在循环泵Ⅱ15的带动下进入储热水
箱16中。

[0046] 其中，光伏/光热热泵模块还包括：

[0047] 光伏/光热组件1；

[0048] 冷凝器Ⅰ3，冷凝器Ⅰ3的一端通过单级压缩机2与光伏/光热组件1连接，冷凝器Ⅰ3的另一端通过节流阀Ⅰ13与光伏/光热组件1连接。

[0049] 缓冲水箱14的一端通过循环泵Ⅰ4与冷凝器Ⅰ3连接，另一端与冷凝器Ⅰ3直接连接。

[0050] 光伏/光热组件1为直膨式。

[0051] 光伏/光热热泵模块采用的制冷剂为常用制冷剂，如R134a或R410A。

[0052] 其中，高温热泵模块还包括：

[0053] 降膜式蒸发器17，降膜式蒸发器17的一端通过循环泵Ⅲ7与储热水箱16连接，另一端与储热水箱16直接连接。

[0054] 冷凝器Ⅱ21，冷凝器Ⅱ21的一端通过离心式喷气增焓压缩机10与降膜式蒸发器17连接，另一端通过节流阀Ⅲ20与闪蒸罐19连接，闪蒸罐19通过节流阀Ⅱ18与降膜式蒸发器
17连接。

[0055] 离心式喷气增焓压缩机10与闪蒸罐19连接。

[0056] 其中，高温热泵模块还包括：

[0057] 高温水箱22，高温水箱22的一端通过循环泵Ⅳ12与冷凝器Ⅱ21连接，另一端与冷凝器Ⅱ21直接连接，形成高温热泵循环，实现高品位热能的输出。

[0058] 高温热泵模块采用R1233zd(E)作为循环工质。

[0059] 直膨式太阳能光伏/光热热泵的冷凝器Ⅰ3中的工质与缓冲水箱14中的循环水进行换热，当缓冲水箱14中的循环水温度到达指定温度后，由循环泵Ⅱ15泵入储热水箱16中；储
热水箱16温度维持50℃左右，温度稳定的中温水通过循环泵Ⅲ7泵入降膜式蒸发器17作为
中温热源，与高温热泵的蒸发器内工质进行换热；通过高温热泵循环，实现100℃以上的高
品位热能的输出；缓冲水箱14与储热水箱16的布置可以保证高温热泵的低温热源温度的稳
定性，减小由于辐照强度等环境因素造成的温度不稳定的问题。

[0060] 光伏/光热热泵模块还包括：

[0061] MPPT太阳能控制器5，MPPT太阳能控制器5与光伏/光热组件1连接，将光伏/光热组件1产生的直流电进行整合；

[0062] 蓄电池6，蓄电池6连接MPPT太阳能控制器5，存储MPPT太阳能控制器5整合的直流电；

[0063] 逆变器8，逆变器8连接蓄电池6，将直流电转为交流电输出。

[0064] 交流电供电端9，交流电供电端9与逆变器8连接，在辐照条件良好的情况下实现系统的自运行；具体来说，交流电供电端9分别与单级压缩机2、循环泵Ⅰ4、循环泵Ⅱ15、循环泵
Ⅲ7、循环泵Ⅳ12和离心式喷气增焓压缩机10连接并驱动单级压缩机2、循环泵Ⅰ4、循环泵Ⅱ
15、循环泵Ⅲ7、循环泵Ⅳ12和离心式喷气增焓压缩机10的运行。

[0065] 输出至电网端11，输出至电网端11与逆变器8连接，将富余电量输出至电网。

[0066] 在辐照条件良好的情况下，直膨式太阳能光伏/光热热泵系统运行，其集热工质通过光伏/光热组件1吸收废热，通过热泵循环，在冷凝器Ⅰ3中释放热量给缓冲水箱14中的循
环水(由循环泵Ⅰ4泵入冷凝器Ⅰ3)。在缓冲水箱中达到温度的循环水由循环泵Ⅱ15泵入储热
水箱16中。储存在储热水箱中的中温热水经由循环泵Ⅲ7泵入降膜式蒸发器17中，与高温热
泵循环工质进行换热，工质在降膜式蒸发器17内进行吸热蒸发，进入离心式喷气增焓压缩
机10进行压缩并在级间通过闪蒸罐19进行补气。高温高压的工质蒸汽经冷凝器Ⅱ21冷凝传
递热量给高温水箱22中的循环水。

[0067] 一种基于光伏/光热集热/蒸发器的高温热泵系统可以实现稳定的高温热水输出，该系统结构紧凑，配置合理，能耗低，效率高，输出稳定。适用于高温热水需求领域的传统能
源替代。

[0068] 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员
依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术
方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。