風光能源熱泵系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種風光能源熱泵系統(tǒng)，屬于能源轉(zhuǎn)換【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明的目的是為了實現(xiàn)光能→熱能，風能→電能→熱能的復合轉(zhuǎn)化；形成一個封閉相對溫場，提供穩(wěn)定的熱源輸出的風光能源熱泵系統(tǒng)。本發(fā)明的光熱發(fā)生器結(jié)構(gòu)是：在底部鍍鋅鐵板的四周邊框通過鋁合金邊框圍成，鋁合金邊框內(nèi)側(cè)是邊框保溫，底部鍍鋅鐵板上是底部保溫，在底部保溫上是半導體納米碳纖維場致發(fā)熱層，在半導體納米碳纖維場致發(fā)熱層內(nèi)部插有碳納米管，半導體納米碳纖維場致發(fā)熱層上面是光致熱場吸收體；在鋁合金邊框上安裝有光強分析控制器；?風力發(fā)電機組通過風力電能儲存裝置連接到光熱發(fā)生器上，在接口處安裝有光強分析控制儀，光熱發(fā)生器通過管路連接在二級高溫熱泵系統(tǒng)上。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，輸出熱能穩(wěn)定等特點。
【專利說明】風光能源熱泵系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于能源轉(zhuǎn)換【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著對新能源需求的增加，可再生資源的減少，現(xiàn)行的熱泵系統(tǒng)需要空氣源、土壤源(地源)、水源等采集溫度，高寒條件下由于可采集溫度范圍小，導致熱泵能效比率降低至I左右，無法達到滿意的節(jié)能效果。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是為了實現(xiàn)光能一熱能，風能一電能一熱能的復合轉(zhuǎn)化；形成一個封閉相對溫場，提供穩(wěn)定的熱源輸出的風光能源熱泵系統(tǒng)。
[0004]本發(fā)明的光熱發(fā)生器結(jié)構(gòu)是:在底部鍍鋅鐵板的四周邊框通過鋁合金邊框圍成，鋁合金邊框內(nèi)側(cè)是邊框保溫，底部鍍鋅鐵板上是底部保溫，在底部保溫上是半導體納米碳纖維場致發(fā)熱層，在半導體納米碳纖維場致發(fā)熱層內(nèi)部插有碳納米管，半導體納米碳纖維場致發(fā)熱層上面是光致熱場吸收體；在鋁合金邊框上安裝有光強分析控制器；
光致熱場吸收體:是由上層高硼硅超透單項濾膜玻璃、中層高硼硅超透單項濾膜玻璃和紫金靶向鍍膜光熱片構(gòu)成，上層高硼硅超透單項濾膜玻璃與中層高硼硅超透單項濾膜玻璃、中層高硼硅超透單項濾膜玻璃與紫金靶向鍍膜光熱片之間分別構(gòu)成一個密閉的真空腔；上層高硼硅超透單項濾膜玻璃的上表面是超透膜涂層，下表面是上層反射鍍膜涂層；中層高硼硅超透單項濾膜玻璃的下表面是中層反射鍍膜涂層；紫金靶向鍍膜光熱片是鋼化高硼硅玻璃基料，其下表面是紅外光致場涂層，在紅外光致場涂層的外側(cè)是UV光致熱場涂層；
半導體納米碳纖維場致發(fā)熱層:是由光伏光熱PV、圍繞在碳納米管上的鋁導熱片、碳纖維發(fā)熱層、氧化鋯氈層、聚氨酯保溫層構(gòu)成；
風力發(fā)電機組通過風力 電能儲存裝置連接到光熱發(fā)生器上，在接口處安裝有光強分析控制儀，光熱發(fā)生器通過管路連接在二級高溫熱泵系統(tǒng)上。
[0005]本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，輸出熱能穩(wěn)定等特點。利用風能、光能、熱能，實現(xiàn)能量之間的轉(zhuǎn)化，即當光線不足的時候，通過風能——電能——熱能的轉(zhuǎn)化，持續(xù)提供熱源，具有復合多功能性。北方地區(qū)冬季凍土層厚約180CM，地源施工土方量大；高寒環(huán)境零下30°C空氣源無法采集熱能；水源則需要打深水井，北方很多區(qū)域?qū)儆诘叵仑毸畢^(qū)；由此風光能源能夠代替空氣源地源和水源作為熱泵的工作熱源。熱泵的冷凝器(溫度采集器)處于封閉溫場內(nèi)，提供給熱泵系統(tǒng)工作，使熱泵能效值處于6~8之間，cop≥7達到高效節(jié)能、不受地域及環(huán)境影響的目的，延長熱泵冷凝系統(tǒng)的使用壽命，具有安裝快捷方便維護的特點。采用風能轉(zhuǎn)化為電能進行蓄電存儲和低壓直流電源驅(qū)動納米碳纖維半導體材料發(fā)熱，實現(xiàn)風電熱轉(zhuǎn)換。采用微電子控制，依據(jù)光照強度調(diào)控電流量輸出調(diào)節(jié)納米碳纖維發(fā)熱層的發(fā)熱強度，從而實現(xiàn)風能、光能的互補轉(zhuǎn)化溫度控制?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0006]圖1是本發(fā)明光熱發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明光熱發(fā)生器中光致熱場吸收體的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明光熱發(fā)生器中光致熱場吸收體光傳導示意圖；
圖4是本發(fā)明光熱發(fā)生器整體分解圖；
圖5是本發(fā)明光熱發(fā)生器中光致熱場吸收體的上層高硼硅超透單項濾膜玻璃截面圖； 圖6是本發(fā)明光熱發(fā)生器中光致熱場吸收體的中層高硼硅超透單項濾膜玻璃截面圖； 圖7是本發(fā)明光熱發(fā)生器中光致熱場吸收體的紫金靶向鍍膜光熱片截面圖；
圖8是本發(fā)明風能、光能、熱能轉(zhuǎn)換原理結(jié)構(gòu)圖；
圖9是本發(fā)明實驗日太陽輻射強度圖；
圖10是環(huán)境溫度和輻照強度的變化圖；
圖11是蒸發(fā)壓力變化曲線圖；
圖12是系統(tǒng)壓縮比的變化曲線；
圖13是水溫升高的對比曲線。
【具體實施方式】
[0007]本發(fā)明在底部鍍鋅鐵板I的四周邊框通過鋁合金邊框5圍成，鋁合金邊框5內(nèi)側(cè)是邊框保溫3，底部鍍鋅鐵板I上是底部保溫2，在底部保溫2上是半導體納米碳纖維場致發(fā)熱層4，在半導體納米碳纖維場致發(fā)熱層4內(nèi)部插有碳納米管7，半導體納米碳纖維場致發(fā)熱層4上面是光致熱場吸收體6 ;在鋁合金邊框5上安裝有光強分析控制器8 ；
光致熱場吸收體6:是由上層高硼硅超透單項濾膜玻璃61、中層高硼硅超透單項濾膜玻璃64和紫金靶向鍍膜光熱片63構(gòu)成，上層高硼硅超透單項濾膜玻璃61與中層高硼硅超透單項濾膜玻璃64、中層高硼硅超透單項濾膜玻璃64與紫金靶向鍍膜光熱片63之間分別構(gòu)成一個密閉的真空腔62 ;上層高硼硅超透單項濾膜玻璃61的上表面是超透膜涂層611，下表面是上層反射鍍膜涂層612 ;中層高硼硅超透單項濾膜玻璃64的下表面是中層反射鍍膜涂層641 ;紫金靶向鍍膜光熱片63是鋼化高硼硅玻璃基料，其下表面是紅外光致場涂層631，在紅外光致場涂層631的外側(cè)是UV光致熱場涂層632 ；
半導體納米碳纖維場致發(fā)熱層4:是由光伏光熱PV41、圍繞在碳納米管7上的鋁導熱片42、碳纖維發(fā)熱層43、氧化鋯氈層45、聚氨酯保溫層44構(gòu)成；
風力發(fā)電機組11通過風力電能儲存裝置10連接到光熱發(fā)生器上，在接口處安裝有光強分析控制儀9，光熱發(fā)生器通過管路連接在二級高溫熱泵系統(tǒng)12上。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)原理為:風光熱發(fā)生器以太陽能、風能為來源，以風光互補熱能轉(zhuǎn)換，即光-熱轉(zhuǎn)換、風-電-熱轉(zhuǎn)換。再通過計算機模擬光照輻射強度和環(huán)境溫差變化情況，以光強控制器調(diào)整納米碳纖維(半導體)的風能一電能一熱能轉(zhuǎn)化效率。
[0009]將光電轉(zhuǎn)換、光熱轉(zhuǎn)換、風電熱轉(zhuǎn)換、熱泵循環(huán)四者有機結(jié)合，研制出了一種帶熱泵循環(huán)的太陽能光電/光熱綜合利用系統(tǒng)一風光能源熱泵(Photovoltaic Solar AssistedHeat Pump Wind power, PV-WT/SAHP)。PV-WT/SAHP系統(tǒng)中，光伏電池冷卻系統(tǒng)、風電熱補充系統(tǒng)和熱泵蒸發(fā)器有機結(jié)合在一起，形成風光熱發(fā)生器(PV-WT)?？梢酝瑫r進行光電轉(zhuǎn)換、光熱轉(zhuǎn)換和熱泵工質(zhì)的蒸發(fā)冷卻過程。一方面，熱泵直接利用太陽輻照作為蒸發(fā)熱源，使得熱泵性能系數(shù)得以提高；另一方面，由于熱泵工質(zhì)的蒸發(fā)作用，光伏電池得到低溫冷卻，光電轉(zhuǎn)換效率得以提高。
[0010]本發(fā)明的風光熱發(fā)生器的集熱玻璃面板實施例結(jié)構(gòu)如圖1所示。該發(fā)生器的集熱玻璃面板由表板(上層高硼硅超透單項濾膜玻璃)，輔板(中層高硼硅超透單項濾膜玻璃)，和基板(紫金靶向鍍膜光熱片)組成，三面板層組合后形成真空腔為氬氣真空腔。表板的上表面鍍有增加透射率的超透膜涂層，下表面鍍有增加反射率的反射鍍膜涂層；輔板下表面鍍有反射鍍膜涂層；基板主要物質(zhì)為鋼化高硼硅玻璃基料，結(jié)構(gòu)下表面有光致發(fā)熱器。
[0011]本發(fā)明的風光熱發(fā)生器，5_鋼化超透單濾高硼硅玻璃下面為發(fā)生器的集熱玻璃面板；集熱玻璃面板中有真空氬氣腔，下方為光致熱場吸收體；半導體納米碳纖維場致發(fā)熱層置于光致熱場吸收體下；整個發(fā)生器先由邊框保溫材料和底部保溫材料包裹，再固定于由底部鋁鎂合金，和鋁合金邊框組成的框架內(nèi)，形成一個規(guī)則的形狀。在鋁合金邊框中裝有光強分析控制器。
[0012]其工作原理是:本實施例的集熱玻璃面板部分由表板，輔板，和基板組成。表板上層為超透膜涂層，中間層為鋼化高硼硅玻璃基料，厚度為5_，下層為反射鍍膜涂層；輔板上層為鋼化高硼硅玻璃基料，厚度為3mm，下層為反射鍍膜涂層；基板上層為鋼化高硼硅玻璃基料，厚度為3mm組合成復合真空玻璃面板。
[0013]由于采用納米超透鍍膜技術(shù)制備超透高硼硅玻璃，提高了光線透過率，當有光線投射于發(fā)生器的集熱玻璃面板時，CPC結(jié)構(gòu)將光線溫度經(jīng)過多次反射提高，再通過光致熱場吸收體見光線的能量轉(zhuǎn)化為熱能，此熱能又被碳納米管換熱纖維用來加熱管內(nèi)的流體，以得到合適的能量輸出。邊框和底部的保溫材料防止熱能的散射，有利于得到有效穩(wěn)定的能
量輸出。
[0014]本實施例中在邊框中加入光強分析控制器，用來對入射光線進行監(jiān)測和分析，SP依據(jù)光照強度調(diào)控電流量輸出調(diào)節(jié)納米碳纖維發(fā)熱層的發(fā)熱強度，從而實現(xiàn)風能、光能的互補控制。
[0015]本實施例的局部剖面圖如圖所示，其主體為厚約10cm，集熱面積視實際情況而定的矩形層狀體。由5_鋼化超透單濾高硼硅玻璃，光強分析控制器，鋁合金邊框，真空氬氣腔，光致熱場吸收體，碳納米管換熱纖維，半導體納米碳纖維場致發(fā)熱層，邊框保溫，底部保溫，底部鋁鎂合金板等部分組成。
[0016]實驗相關(guān)參數(shù):
測試位置:北緯43° 49'52.61"東經(jīng)125° 17Λ 50.48 "。2013年6月25日太陽輻射強度圖(見圖9)；
平均輻照為747.Zff/ m2，平均環(huán)溫為4.250C，平均風速為3.2m/s;無玻璃蓋板工況測試期間的平均輻照為776.1ff/ m2，平均環(huán)溫為9，080C，平均風速為2.9m/s。
[0017]兩次測試的初始條件都為15°C的冷凝水溫，在10:15 ± 5min開始正式測試運行。當冷凝水溫超過55°C后，測試停止。兩次測試的氣象參數(shù)類似，測試設(shè)備及設(shè)置完全一致，便于兩種工況下的性能對比，氣象數(shù)據(jù)見圖。試驗過程中，閥1、閥2、閥5、閥6關(guān)閉，閥3、閥4、閥7、閥8開啟，壓縮機定頻(40Hz)運行。PV電池得到電壓為48V的直流電流輸出，經(jīng)逆變器逆變?yōu)?20V的交流電流后，由外界負載消耗。水箱儲水80kg，水冷換熱器水側(cè)流速0.217 kg/S。
[0018]熱泵循環(huán)熱性能的高低最直接反映在冷凝功率上，統(tǒng)計顯示，有蓋板工況的平均冷凝功率為1578.0W，無蓋板工況的平均冷凝功率為1271.8W，冷凝功率相對增加了 24%。冷凝功率的增加也可以通過加熱時間的長短間接反映。在相同質(zhì)量的冷凝水從15°C加熱到55°C的過程中，有蓋板工況耗時146min，無蓋板工況耗時201min，有蓋板工況的加熱時間明顯縮短。在水溫升高的過程中，水溫曲線的斜率逐漸減小，水溫升高的趨勢逐漸減緩。說明隨著水溫的升高，熱泵系統(tǒng)的冷凝功率逐漸降低，加熱速度變緩。影響熱泵循環(huán)性能的另外一個主要因素是壓縮機耗功。
[0019]有玻璃蓋板不僅可以增大冷凝功率，同時還減小了壓縮機功率。水溫15°C時，有、無蓋板的壓縮機功率分別為169.1w和264.8w，隨著水溫的升高，兩種工況的壓縮機功率都明顯加大，水溫升高到55°C時，兩種工況的壓縮機功率分別為666.8W和728.5W。在整個測試過程中，有蓋板工況下的壓縮功率都明顯低于無蓋板工況。有、無蓋板工況下的平均壓縮機功率分別為433.4W和532.0w,有蓋板可以使壓縮機功率降低23%，直接減少了系統(tǒng)對外界電能的消耗。熱泵循環(huán)的整體性能一般用性能系數(shù)COP來表示，性能系數(shù)COP是熱量收益和系統(tǒng)耗功的比值。有蓋板工況提高了熱泵循環(huán)的冷凝功率，降低了熱泵的壓縮機耗功，因此有蓋板工況的COP明顯高于無蓋板工況。如圖7所示，有玻璃蓋板工況的平均COP為6.85，無玻璃蓋板工況的平均COP為4.41，性能系數(shù)提高了 42%。因此，玻璃蓋板可以明顯提高PV-WT/SAHP系統(tǒng)熱泵循環(huán)的冬季熱性能。僅對熱泵循環(huán)而言，在冬季加蓋玻璃蓋板是更合適的選擇。
[0020]上述實驗表明=PV-WT風光熱發(fā)生器模塊化設(shè)計后，可以同普通的水源熱泵機組聯(lián)合組成為風光能源熱泵(PV-WT/SAHP)系統(tǒng)，使COP 3 6始終處于高效運行狀態(tài)。光伏發(fā)電PV系統(tǒng)能提供熱泵機組電力，供其運轉(zhuǎn)。
[0021]通過采用特殊的真空層壓工藝和絕緣導熱材料把光伏電池和熱泵蒸發(fā)部件結(jié)合為一體，形成具有良好熱傳導、電絕緣性能的PV蒸發(fā)器。PV蒸發(fā)器可同時進行光電轉(zhuǎn)換、光熱轉(zhuǎn)換、風電熱轉(zhuǎn)換、工質(zhì)蒸發(fā)四種功能，為平板模塊結(jié)構(gòu)，既可以和建筑屋或墻體一體化，也可以單獨放置。太陽輻照被PV蒸發(fā)器接收后，0.6-0.7 mil波段輻照通過光電轉(zhuǎn)換以電流形式輸出，逆變轉(zhuǎn)換后輸送給公共電網(wǎng)。采用風能轉(zhuǎn)化為電能進行蓄電存儲和低壓直流電源驅(qū)動納米碳纖維(半導體)材料發(fā)熱，實現(xiàn)風、電、熱轉(zhuǎn)換。采用微電子控制，依據(jù)光照強度調(diào)控電流量輸出調(diào)節(jié)納米碳纖維發(fā)熱層的發(fā)熱強度，從而實現(xiàn)風能、光能的熱能轉(zhuǎn)化互補控制。
[0022]風光熱發(fā)生器(PV-WT)邊框中裝有光強分析控制器，由于地區(qū)及氣候的差異，投射于集熱器的光線往往很不穩(wěn)定，通過光強分析器的對投射光的監(jiān)測，調(diào)解風力發(fā)電儲存電源輸出的電流，使集熱器溫度恒定，從而實現(xiàn)初級熱源風光熱互補。
[0023]綜上所述PV-WT風光熱發(fā)生器模塊化設(shè)計后，可以同普通的水源熱泵機組聯(lián)合組成為風光能源熱泵(PV-WT/SAHP)系統(tǒng)，使COP ^ 6始終處于高效運行狀態(tài)。光伏發(fā)電PV系統(tǒng)能提供熱泵機組電力，供其運轉(zhuǎn)。將光電轉(zhuǎn)換、光熱轉(zhuǎn)換、風電熱轉(zhuǎn)換、熱泵循環(huán)四者有機結(jié)合，組成一種帶熱泵循環(huán)的太陽能光電/光熱綜合利用系統(tǒng)一光伏一太陽能熱泵(Photovoltaic Solar Assisted Heat Pump Wind power, PV-ffT/SAHP) ? PV-WT/SAHP 系統(tǒng)中， 光伏電池和熱泵蒸發(fā)器有機結(jié)合在一起，形成光伏蒸發(fā)器。光伏蒸發(fā)器是PV-SAHP系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，可以同時進行光電轉(zhuǎn)換、光熱、電熱轉(zhuǎn)換和熱泵工質(zhì)的蒸發(fā)冷卻過程。一方面，熱泵直接利用太陽輻照作為蒸發(fā)熱源，使得熱泵性能系數(shù)得以提高；另一方面，由于熱泵工質(zhì)的蒸發(fā)作用，光伏電池得到低溫冷卻，光電轉(zhuǎn)換效率得以提高。風冷冷凝器和水冷冷凝器并聯(lián)，兩者一般不同時開啟。水冷冷凝器得到熱量后，可以通過循環(huán)水，間接向房間供暖或者供生活熱水，風冷冷凝器啟動時可以直接向房間供暖。通過電磁閥和四通閥的切換，系統(tǒng)還可以完成風冷制冷、風冷制熱、風冷制熱水等多種功能。
【權(quán)利要求】
1.一種風光能源熱泵系統(tǒng)，其特征在于:光熱發(fā)生器結(jié)構(gòu)是:在底部鍍鋅鐵板(I)的四周邊框通過鋁合金邊框(5 )圍成，鋁合金邊框(5 )內(nèi)側(cè)是邊框保溫(3 )，底部鍍鋅鐵板(I)上是底部保溫(2)，在底部保溫(2)上是半導體納米碳纖維場致發(fā)熱層(4)，在半導體納米碳纖維場致發(fā)熱層(4 )內(nèi)部插有碳納米管(7 )，半導體納米碳纖維場致發(fā)熱層(4 )上面是光致熱場吸收體(6);在鋁合金邊框(5)上安裝有光強分析控制器(8)； 光致熱場吸收體(6):是由上層高硼硅超透單項濾膜玻璃(61)、中層高硼硅超透單項濾膜玻璃(64)和紫金靶向鍍膜光熱片(63)構(gòu)成，上層高硼硅超透單項濾膜玻璃(61)與中層高硼硅超透單項濾膜玻璃(64)、中層高硼硅超透單項濾膜玻璃(64)與紫金靶向鍍膜光熱片(63)之間分別構(gòu)成一個密閉的真空腔(62);上層高硼硅超透單項濾膜玻璃(61)的上表面是超透膜涂層(611)，下表面是上層反射鍍膜涂層(612);中層高硼硅超透單項濾膜玻璃(64)的下表面是中層反射鍍膜涂層(641);紫金靶向鍍膜光熱片(63)是鋼化高硼硅玻璃基料，其下表面是紅外光致場涂層(631)，在紅外光致場涂層(631)的外側(cè)是UV光致熱場涂層(632)； 半導體納米碳纖維場致發(fā)熱層(4):是由光伏光熱PV (41)、圍繞在碳納米管(7)上的鋁導熱片(42)、碳纖維發(fā)熱層(43)、氧化鋯氈層(45)、聚氨酯保溫層(44)構(gòu)成； 風力發(fā)電機組(11)通過風力電能儲存裝置(10)連接到光熱發(fā)生器上，在接口處安裝有光強分析控制儀(9)，光熱發(fā)生器通過管路連接在二級高溫熱泵系統(tǒng)(12)上。
【文檔編號】F25B30/02GK103968601SQ201410203944
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月15日
【發(fā)明者】曾繁明, 杜忠略, 林海, 李春, 劉麗娜, 王丹, 崔亞軍, 劉賀, 楊立楠, 劉景和 申請人:長春理工大學