一种基于光伏电池和空气能热泵的制热水系统

技术领域

本发明涉及太阳能发电技术领域，尤其是涉及一种基于光伏电池和空气能热泵的制热水系统。

背景技术

现有技术中，太阳能热水系统将光能转化成热能，实现热水的供应，现阶段的太阳能热水系统采用直接换热的全玻璃真空管太阳能热水系统和间接换热的金属流道太阳能热水系统。其中全玻璃真空管太阳能热水系统由于用水直接换热，因此冬季容易发生管道冻裂；金属流道太阳能热水系统为了防冻，每年需要维护添加防冻介质，运行费用较高。而且由于系统中换热管道很多，随着运行时间增加，管道锈蚀、结垢堵塞、渗漏等情况也会增多，导致维护费用增加。现阶段需要一种基于光伏电池和空气能热泵的制热水系统。

发明内容

为了解决太阳能热水系统运行费用和维护费用高的问题，本发明提供一种基于光伏电池和空气能热泵的制热水系统。

本发明提供的一种基于光伏电池和空气能热泵的制热水系统，采用如下的技术方案：

一种基于光伏电池和空气能热泵的制热水系统，包括：支撑模块、存储模块、电源模块和功能模块，所述支撑模块分别连接存储模块、功能模块和电源模块，所述电源模块连接功能模块，所述功能模块连接存储模块；

所述电源模块包括光伏电池、电网电源和控制柜，所述控制柜分别连接光伏电池和电网电源，所述功能模块包括循环泵组、冷凝器、压缩机和蒸发器，所述存储模块包括保温水箱，所述支撑模块包括金属外壳和支架。

进一步地，所述光伏电池分别连接金属外壳和支架，所述金属外壳连接支架，所述金属外壳通过支架与地面形成具有调控性的夹角，所述光伏电池安装在金属外壳顶部。

进一步地，所述控制柜依次连接循环泵组和压缩机，所述控制柜包括并网器、逆变器和电表，所述逆变器连接光伏电池，所述并网器连接电网电源，所述逆变器依次连接并网器和电表，所述控制柜通过并网器依次连接压缩机和循环泵组。

进一步地，所述蒸发器连接压缩机，所述压缩机通过循环管道对蒸发器中低温低压的热媒气体吸入，所述压缩机连接冷凝器，所述冷凝器分别连接循环泵组和蒸发器。

进一步地，所述蒸发器包括蒸发器外壳、风扇和蒸发器铜管组，所述蒸发器外壳位于光伏电池下方并连接光伏电池，所述蒸发器外壳连接支架，所述蒸发器铜管组连接蒸发器外壳，所述风扇位于蒸发器铜管组下方并与所述蒸发器铜管组连接。

进一步地，所述保温水箱依次连接循环泵组和冷凝器，所述冷凝器通过循环管道和阀门连接循环泵组，所述冷凝器通过循环泵组将热量传递到保温水箱。

进一步地，所述蒸发器铜管组包括进口集管、出口集管、吸热肋片和U型支管，所述U型支管两端固定连接在蒸发器外壳，所述吸热肋片连接U型支管，所述U型支管的铜管接口分别与进口集管和出口集管导通。

进一步地，所述蒸发器外壳的尺寸小于光伏电池的尺寸，所述蒸发器外壳位于光伏电池背面，所述蒸发器通过支架与光伏电池固定。

进一步地，所述蒸发器外壳包括正面空腔、背面导流肋、侧面百叶进风口和导流片，所述导流片分别连接侧面百叶进风口和背面导流肋，所述背面导流肋形状采用间隔的金属片，所述背面导流肋位于光伏电池背面侧。

进一步地 ，所述导流片位于蒸发器外壳的内部并与蒸发器外壳的侧壁形成夹角，所述导流片将侧向吸入的气流导向背面导流肋。

综上所述，本发明具有如下的有益技术效果：

1、本发明的一种基于光伏电池和空气能热泵的制热水系统，通过光伏电池替代太阳能集热器，将太阳能转化为电能，通过压缩机做功转化为热量，光伏电池的光电转化效率20%左右，空气能热泵能效比3.0左右，综合太阳能热利用效率可达到60%，与原有太阳能集热器相比提高了太阳能利用效率，降低了使用和维护成本。

2、本发明的一种基于光伏电池和空气能热泵的制热水系统，通过光伏电池和金属外壳和支架组成的房间，将保温水箱、循环泵组、冷凝器、压缩机、蒸发器、控制柜保护起来，起到遮阳和防雨的作用，提高设备使用寿命，采用光伏电池替代太阳能集热器，可以规避太阳能集热系统管道冬季容易冻裂，以及随着运行时间增加，循环管道锈蚀、结垢堵塞、渗漏的问题，减少了维护费用。

3、本发明的一种基于光伏电池和空气能热泵的制热水系统，通过将蒸发器安装在光伏电池下方，使得背面导流肋贴近上方光伏电池背面，在风扇作用下，将外界空气吸入后，流经光伏电池背部，吸热预热节省部分电能，同时降低冬季化霜时间，气流将光伏电池温度降低，进而提高光伏电池发电效率。

4、本发明的一种基于光伏电池和空气能热泵的制热水系统，所述蒸发器采用模块化设计，外形轮廓尺寸比光伏电池略小，每块光伏电池背面安装一个蒸发器，通过支架固定，通过上述设计方式达到方便工厂生产及工程安装的效果。

附图说明

图1是本发明实施例1的一种基于光伏电池和空气能热泵的制热水系统的系统组成示意图。

图2是本发明实施例1的一种基于光伏电池和空气能热泵的制热水系统的蒸发器组成示意图。

图3是本发明实施例2的蒸发器中的蒸发器外壳的A向视图。

图4是本发明实施例2的蒸发器中的蒸发器外壳的B向视图。

图5是本发明实施例2的蒸发器中的蒸发器外壳的C向视图。

图6是本发明实施例2的蒸发器中蒸发器外壳的D-D剖视图。

图7是本发明实施例2的蒸发器中蒸发器铜管组的组成示意图。

图8是本发明实施例2的蒸发器中蒸发器铜管组V型夹角示意图。

图9是本发明实施例2的蒸发器中蒸发器铜管组C型或U型夹角示意图。

其中，1、保温水箱；2、循环泵组；3、冷凝器；4、压缩机；5、光伏电池；6、支架；7、蒸发器；8、控制柜；71、蒸发器外壳；72、风扇；73、蒸发器铜管组；711、正面空腔；712、背面导流肋；713、侧面百叶进风口；714、导流片；731、进口集管；732、出口集管；733、U型支管；734、吸热肋片。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1

参照图1-2，本实施例的一种基于光伏电池和空气能热泵的制热水系统，包括：支撑模块、存储模块、电源模块和功能模块，所述支撑模块分别连接存储模块、功能模块和电源模块，所述电源模块连接功能模块，所述功能模块连接存储模块；

所述电源模块包括光伏电池、电网电源和控制柜，所述控制柜分别连接光伏电池和电网电源，所述功能模块包括循环泵组、冷凝器、压缩机和蒸发器，所述存储模块包括保温水箱，所述支撑模块包括金属外壳和支架。

所述光伏电池分别连接金属外壳和支架，所述金属外壳连接支架，所述金属外壳通过支架与地面形成调控性夹角，所述光伏电池安装在金属外壳顶部。

所述控制柜依次连接循环泵组和压缩机，所述控制柜包括并网器、逆变器和电表，所述逆变器连接光伏电池，所述并网器连接电网电源，所述逆变器依次连接并网器和电表，所述控制柜通过并网器依次连接压缩机和循环泵组。

所述保温水箱依次连接循环泵组和冷凝器，所述冷凝器通过循环管道和阀门连接循环泵组，所述冷凝器通过循环泵组将热量传递到保温水箱。

具体的，

本实施例的一种基于光伏电池和空气能热泵的制热水系统，包括以下内容：

一种基于光伏电池和空气能热泵的制热水系统采用空气能热泵做为热源，按照1吨热水配0.9~1.2KW的输入功率选取；光伏电池和电网电力共同做为电源来源，其中光伏电池功率按照热源输入功率的40%至60%配置。设定空气能热泵在水箱温度低于50℃时启动，水箱水温达到55℃时停止。

如图1所示，金属外壳通过支架6与地面形成调控性夹角，承载光伏电池的支架与垂直地面的支架通过螺栓进行固定连接，在进行支架安装时，根据安装的场所对支架间的夹角进行调节，调节完成后通过螺栓进行支架固定，光伏电池5安装在金属外壳顶部，保温水箱1、循环泵组2、冷凝器3位于光伏电池5下方并与支架进行固定，三者之间通过循环管道和阀门连接，连接后的循环泵组通过循环管道和阀门使热水在系统中循环流动，冷凝器连接循环泵组，从空气中吸收热量加热热媒，冷凝器将吸收的热量传递给热水，通过循环泵组将热量从冷凝器输送到保温水箱。

光伏电池5之间通过直流电缆进行连接，连接后的直流电缆进入控制柜8，控制柜8由并网器、逆变器和电表组成，光伏电池通过直流电缆连接逆变器，逆变器将光伏电池产生的直流电转化为适用的交流电，所述并网器连接电网电源，所述逆变器依次连接并网器和电表，所述控制柜通过并网器连接循环泵组和压缩机，并网器和逆变器之间的连接是确保光伏电池和电网顺利交互的关键，当光伏电池发电功率足够时，用光伏电池做为电源为循环泵组2和压缩机4供电；当光伏电池发电功率不足时，用电网做为电源为循环泵组2和压缩机4供电。

保温水箱1、循环泵组2、冷凝器3、压缩机4、光伏电池5、金属外壳及支架6、蒸发器7、控制柜8组成一个整体，金属外壳及支架6将保温水箱1、循环泵组2、冷凝器3、压缩机4、蒸发器7、控制柜8包围在内部。光伏电池5安装在顶部，与地面夹角在10°至35°之间，具体角度可以根据实际情况调节。

如图2所示，蒸发器7为模块化设计，外形轮廓尺寸比光伏电池略小，每块光伏电池背面安装一个蒸发器7，通过支架与光伏电池进行固定，蒸发器安装在光伏电池下方，其背面导流肋贴近上方光伏电池背面，在风扇作用下，将外界空气吸入后，流经光伏电池背部，吸热预热节省部分电能，同时降低冬季化霜时间。气流将光伏电池温度降低，间接提高光伏电池发电效率，光伏电池5和金属外壳及支架6组成房间，将保温水箱1、循环泵组2、冷凝器3、压缩机4、蒸发器7、控制柜8保护起来，起到遮阳和防雨的作用。

实施例2

参照图3-9，本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例对一种基于光伏电池和空气能热泵的制热水系统中的局部结构进行详细说明，包括：所述蒸发器连接压缩机，所述压缩机通过循环管道对蒸发器中低温低压的热媒气体吸入，所述压缩机连接冷凝器，所述冷凝器分别连接循环泵组和蒸发器。

所述蒸发器包括蒸发器外壳、风扇和蒸发器铜管组，所述蒸发器外壳位于光伏电池下方连接光伏电池，所述蒸发器外壳连接支架，所述蒸发器铜管组连接蒸发器外壳，所述风扇位于蒸发器铜管组下方并与所述蒸发器铜管组连接。

所述蒸发器铜管组包括进口集管、出口集管、吸热肋片和U型支管，所述U型支管两端固定连接在蒸发器外壳，所述吸热肋片连接U型支管，所述U型支管的铜管接口分别与进口集管和出口集管导通。

所述蒸发器采用模块化设计，包括所述蒸发器外壳的模块尺寸小于光伏电池，所述蒸发器外壳位于光伏电池背面，所述蒸发器通过支架与光伏电池固定。

所述蒸发器外壳包括正面空腔、背面导流肋、侧面百叶进风口和导流片，所述导流片分别连接侧面百叶进风口和背面导流肋，所述背面导流肋形状采用间隔的金属片，所述背面导流肋位于光伏电池背面侧。

所述导流片位于蒸发器外壳的内部并与蒸发器外壳的侧壁形成侧壁夹角，所述导流片将侧向吸入的气流导向背面导流肋。

具体的，

本实施例的一种基于光伏电池和空气能热泵的制热水系统中的蒸发器，包括以下内容：

蒸发器7位于光伏电池5下方，蒸发器（7）由蒸发器外壳（71）、风扇（72）、蒸发器铜管组（73）组成，其中，蒸发器外壳71由正面空腔711、背面导流肋712、侧面百叶进风口713、导流片714组成，正面空腔711位于蒸发器前端，为蒸发器提供一个空气流动的空间，其背面导流肋712贴近上方光伏电池背面，与侧面百叶进风口713固定连接，在风扇72作用下，将外界空气吸入后，流经光伏电池背部，吸热预热。

如图3-5所示，背面导流肋712形状为间隔的金属片，具有增加空气接触面积和加强蒸发器外壳71的作用，蒸发器7为模块化设计，外形轮廓尺寸比光伏电池略小，每块光伏电池背面安装一个蒸发器7，通过支架固定。蒸发器外壳71内部设有导流片714，强制吸入的空气流经光伏电池背面，如图7所示，蒸发器铜管组73的U型支管733两端固定在蒸发器外壳71上，吸热肋片734固定在U型支管733上。U型支管733的铜管接口分别与进口集管731和出口集管732导通，如图6所示，导流片714位于蒸发器外壳71内部，导流片（714）与蒸发器外壳（71）侧壁夹角5°至15°，通过导流片的形状与焊接固定的位置确定侧壁夹角，导流片将侧向吸入的气流导向背面导流肋（712）。

如图7-9所示，蒸发器铜管组具有一定的调控性，其包括进口集管、出口集管、吸热肋片和U型支管，U型支管两端固定连接在蒸发器外壳，吸热肋片连接U型支管，U型支管的铜管接口分别与进口集管和出口集管导通，蒸发器铜管组73位于蒸发器外壳71下方凹槽内，为方便安装蒸发器铜管组的形状能根据安装环境进行设计，蒸发器铜管组73的进口集管731、出口集管732，其外形可以制作成弧形、V形夹角、C形夹角和U形夹角，能适应多种安装环境，方便工程的安装与生产，导流片714与蒸发器外壳71侧壁夹角5°至15°，将侧向吸入的气流导向背面导流肋712。

本发明的工作原理如下：

通过控制柜将光伏电池和空气能热泵的结合，控制柜由并网器、逆变器和电表组成，当光伏电池发电功率足够时，用光伏电池做为电源为循环泵组和压缩机供电；当光伏电池发电功率不足时，用电网做为电源为循环泵组和压缩机供电，连接后的循环泵组通过循环管道和阀门促进热水在系统中循环流动，冷凝器连接循环泵组，从空气中吸收热量加热热媒，冷凝器将吸收的热量传递给热水，通过循环泵组将热量从冷凝器输送到保温水箱。

通过光伏电池和金属外壳及支架组成房间，内部由保温水箱、循环泵组、冷凝器、压缩机和蒸发器组成，采用光伏电池替代太阳能集热器，利用逆变器将光伏电池产生的直流电转化为交流电为压缩机供能，空气能热泵通过压缩机做功转化为热量，由于光伏电池的光电转化效率20%左右，空气能热泵能效比3.0左右，综合太阳能热利用效率达到60%，替换了直接换热的全玻璃真空管太阳能热水系统和间接换热的金属流道太阳能热水系统，避免了添加防冻介质以及管道锈蚀的情况发生，保温水箱、循环泵组、冷凝器、压缩机、光伏电池、金属外壳及支架、蒸发器、控制柜组成一个整体。

空气能热泵利用空气中的热能来提供热水供应，通过冷凝器连接循环泵组，从空气中吸收热量加热热媒，冷凝器将吸收的热量传递给热水，通过循环泵将热量从冷凝器输送到保温水箱，热媒在蒸发器铜管内流动时吸收空气中潜热，蒸发器位于光伏电池下方，与外界空气进行热交换，其背面导流肋贴近上方光伏电池背面，在风扇作用下，将外界空气吸入后，流经光伏电池背部，进行吸热预热。

以上均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。