一种太阳能光伏光热耦合空气源热泵热水系统

1.本实用新型属于太阳能与热泵技术与结合领域，具体涉及光伏光热模块与热泵系统结合应用。


背景技术：

2.热泵系统是一种可将低位热源的热能转移到高位热源的装置，而空气源热泵热水系统应用广泛。但冬季运行时，由于室外空气温度较低，热泵长时间运行会导致蒸发器表面结霜，严重影响系统性能，需经常停机除霜，限制了系统在寒冷地区的应用适用性。如中国专利《一种壁挂分体式空气源热泵热水器》(cn202020755944.0)与《多段加热的空气源热泵热水器》(cn202020325003.3)未考虑不同气候地区的适用性。太阳能作为一种广泛的可再生能源，可便捷的收取和应用，将太阳能与热泵相结合可有效提升热泵系统性能，是未来发展的趋势。


技术实现要素：

3.针对现有空气源热泵系统冬季运行时能效低、蒸发器表面易结霜、加热生活热水方式单一等问题，本实用新型提出了一种太阳能光伏光热耦合空气源热泵系统。该系统将热泵系统安装于空冷型光伏光热模块内部，利用太阳能预热外部冷空气，提高系统性能系数并避免表面结霜，同时，利用水箱型光伏光热模块与空气源热泵共同加热生活热水提升能源利用率。
4.为实现上述实用新型目的，本实用新型技术方案如下：
5.一种太阳能光伏光热耦合空气源热泵热水系统，包括空气型光伏光热模块01、空气型光伏光热模块01下方的水箱型光伏光热模块02、设置于空气型光伏光热模块01内部的空气源热泵系统、空气型光伏光热模块01外部的储电逆变系统；
6.空气型光伏光热模块01为筒状中空型，包括筒状顶侧开口箱体5-1，筒状顶侧开口箱体5-1靠近光照的吸光面由内到外依次设置第一吸热板4-1、第一柔性光伏电池片3-1、第一空气隔热层2-1、第一中空亚克力板1-1，筒状顶侧开口箱体5-1远离光照的背光面由内到外依次设置保温层12、第一中空亚克力板1-1；筒状顶侧开口箱体5-1的上方为圆形吸热顶6，圆形吸热顶6和最外层的第一中空亚克力板1-1形成封闭的腔体，第一中空亚克力板1-1的下端在圆周上由支板14均匀分割成若干空气进口15，筒状顶侧开口箱体5-1背光面上端设有圆形空气出口16；
7.水箱型光伏光热模块02包括密封筒状箱体5-2，密封筒状箱体5-2靠近光照的吸光面由内到外依次为第二吸热板4-2、第二柔性光伏电池片3-2、第二空气隔热层2-2、第二中空亚克力板1-2，密封筒状箱体5-2远离光照的背光面由内到外依次为保温层12、第二中空亚克力板1-2，密封筒状箱体5-2为密封型筒状结构，其内部设有水冷换热器17和储热水；水冷换热器17的一端与水泵13接通，另一端与液冷冷凝器7相接通；
8.空气源热泵系统设置于空气型光伏光热模块空腔11内，包括液冷冷凝器7、电子膨
胀阀8、风冷蒸发器9、压缩机10；风冷蒸发器9设置于筒状顶侧开口箱体5-1上端的空气出口16处，风冷蒸发器9内部有液态冷媒，而液冷冷凝器7水侧换热管路通过水泵13与水冷换热器17连接，液冷冷凝器7冷媒侧换热管路通过电子膨胀阀8连接至风冷蒸发器9；风冷蒸发器9连接压缩机10，压缩机10连接液冷冷凝器7；
9.储电逆变系统包括太阳能蓄电池18，太阳能逆变系统19；太阳能蓄电池18正极分别连接第一柔性光伏电池片3-1、第二柔性光伏电池片3-2、太阳能逆变系统19的正极，太阳能蓄电池18的负极分别连接第一柔性光伏电池片3-1、第二柔性光伏电池片3-2、太阳能逆变系统19的负极。
10.作为优选方式，空气型光伏光热模块01和水箱型光伏光热模块02二者具有相同的直径，二者之间通过保温层12粘合固定。
11.作为优选方式，空气进口15为第一中空亚克力板1-1上的开孔且不贯穿保温层12及筒状顶侧开口箱体5-1的对应位置；而空气出口16为同时贯穿第一中空亚克力板1-1、保温层12及筒状顶侧开口箱体5-1对应位置的开孔。
12.作为优选方式，水冷换热器17的入口通过线路穿过密封筒状箱体5-2顶部、保温层12、筒状顶侧开口箱体5-1的底部后与水泵13相接通；水冷换热器17的出口通过线路穿过密封筒状箱体5-2顶部、保温层12、筒状顶侧开口箱体5-1的底部后与液冷冷凝器7相接通。
13.作为优选方式，压缩机10用光伏直驱压缩机，利用空气型光伏光热模块01和水箱型光伏光热模块02产生的直流电直接驱动压缩机运行。
14.作为优选方式，第一柔性光伏电池片3-1通过热熔胶层压于第一吸热板4-1吸光面，而第一吸热板4-1的背光面通过导热胶与筒状顶侧开口箱体5-1表面贴合。
15.本实用新型的工作原理为：系统运行时，风冷蒸发器9启动，在风扇驱动下外部空气由空气进口15进入第一空气隔热层2-1，气体在上升过程中冷却被太阳辐射加热的第一柔性光伏电池片3-1和第一吸热板4-1，经过加热后的空气进入空冷光伏光热模块空腔11，经热空气经圆形吸热顶6再次加热后进入风冷蒸发器9。风冷蒸发器9内部的液态冷媒吸收来自热空气的热量后汽化进入压缩机10，经加压加热后，高压高温冷媒气体进入液冷冷凝器7并将热量释放给换热器内的换热流体，放热后的气态冷媒相变为液态进入电子膨胀阀8等焓变为低温低压的气液两相流，完成一次换热循环。加热后的换热流体在水泵13的驱动下进入水冷换热器17并将热量释放给水箱型光伏光热模块02内的水。而此时，第二柔性光伏电池片3-2和第二吸热板4-2吸收来自太阳辐照的热量，通过密封筒状箱体5-2壁面加热内部的水，即空气源热泵系统与水箱型光伏光热模块共同加热密封筒状箱体5-2内部的水。第一柔性光伏电池片3-1与第二柔性光伏电池片3-2将部分太阳光照转化成电能并储存于太阳能蓄电池18内，电能可通过太阳能逆变系统19逆变成交流电后为用户所用。
16.本实用新型系统的技术构思如下：
17.采用空气型光伏光热模块、水箱型光伏光热模块和空气源热泵系统耦合实现为建筑供电、供生活热水的功能。水箱型光伏光热模块辅助加热大大减少了空气源热泵的运行能耗，节省电能；而空冷型光伏光热模块可预热外部冷空气，提升热泵系统能效，进一步降低热泵能耗。
18.相比现有技术，本实用新型的有益效果如下：
19.1、本实用新型将空气型光伏光热模块和水箱型光伏光热模块与热泵系统相结合，
可为建筑提供电能、热水，实现了系统功能多样化。
20.2、系统采用空冷型光伏光热模块预热冷空气，提升热泵性能系数并避免了蒸发器结霜。
21.3、水箱型光伏光热模块与热泵共同加热生活热水降低了热泵运行时间，节省了电能。
附图说明
22.图1为本实用新型实施例提供的一种太阳能光伏光热耦合空气源热泵系统的运行示意图；
23.图中，01为空气型光伏光热模块，02为水箱型光伏光热模块，1-1为第一中空亚克力板，1-2为第二中空亚克力板，2-1为第一空气隔热层，2-2为第二空气隔热层，3-1为第一柔性光伏电池片，3-2为第二柔性光伏电池片，4-1为第一吸热板，4-2为第二吸热板，5-1为筒状顶侧开口箱体，5-2为密封筒状箱体，6为圆形吸热顶，7为液冷冷凝器，8为电子膨胀阀，9为风冷蒸发器，10为压缩机，11为空冷光伏光热模块空腔，12为保温层，13为水泵，14为支板，15为空气进口，16为空气出口，17为水冷换热器，18为太阳能蓄电池，19为太阳能逆变系统。
具体实施方式
24.如图1所示，一种太阳能光伏光热耦合空气源热泵热水系统，包括空气型光伏光热模块01、空气型光伏光热模块01下方的水箱型光伏光热模块02、设置于空气型光伏光热模块01内部的空气源热泵系统、空气型光伏光热模块01外部的储电逆变系统；
25.空气型光伏光热模块01为筒状中空型，包括筒状顶侧开口箱体5-1，筒状顶侧开口箱体5-1靠近光照的吸光面由内到外依次设置第一吸热板4-1、第一柔性光伏电池片3-1、第一空气隔热层2-1、第一中空亚克力板1-1，筒状顶侧开口箱体5-1远离光照的背光面由内到外依次设置保温层12、第一中空亚克力板1-1；筒状顶侧开口箱体5-1的上方为圆形吸热顶6，圆形吸热顶6和最外层的第一中空亚克力板1-1形成封闭的腔体，第一中空亚克力板1-1的下端在圆周上由支板14均匀分割成若干空气进口15，筒状顶侧开口箱体5-1背光面上端设有圆形空气出口16；
26.水箱型光伏光热模块02包括密封筒状箱体5-2，密封筒状箱体5-2靠近光照的吸光面由内到外依次为第二吸热板4-2、第二柔性光伏电池片3-2、第二空气隔热层2-2、第二中空亚克力板1-2，密封筒状箱体5-2远离光照的背光面由内到外依次为保温层12、第二中空亚克力板1-2，密封筒状箱体5-2为密封型筒状结构，其内部设有水冷换热器17和储热水；水冷换热器17的一端与水泵13接通，另一端与液冷冷凝器7相接通；
27.空气源热泵系统设置于空气型光伏光热模块空腔11内，包括液冷冷凝器7、电子膨胀阀8、风冷蒸发器9、压缩机10；风冷蒸发器9设置于筒状顶侧开口箱体5-1上端的空气出口16处，风冷蒸发器9内部有液态冷媒，而液冷冷凝器7水侧换热管路通过水泵13与水冷换热器17连接，液冷冷凝器7冷媒侧换热管路通过电子膨胀阀8连接至风冷蒸发器9；风冷蒸发器9连接压缩机10，压缩机10连接液冷冷凝器7；
28.储电逆变系统包括太阳能蓄电池18，太阳能逆变系统19；太阳能蓄电池18正极分
别连接第一柔性光伏电池片3-1、第二柔性光伏电池片3-2、太阳能逆变系统19的正极，太阳能蓄电池18的负极分别连接第一柔性光伏电池片3-1、第二柔性光伏电池片3-2、太阳能逆变系统19的负极。
29.空气型光伏光热模块01和水箱型光伏光热模块02二者具有相同的直径，二者之间通过保温层12粘合固定。
30.空气进口15为第一中空亚克力板1-1上的开孔且不贯穿保温层12及筒状顶侧开口箱体5-1的对应位置；而空气出口16为同时贯穿第一中空亚克力板1-1、保温层12及筒状顶侧开口箱体5-1对应位置的开孔。
31.水冷换热器17的入口通过线路穿过密封筒状箱体5-2顶部、保温层12、筒状顶侧开口箱体5-1的底部后与水泵13相接通；水冷换热器17的出口通过线路穿过密封筒状箱体5-2顶部、保温层12、筒状顶侧开口箱体5-1的底部后与液冷冷凝器7相接通。
32.压缩机10用光伏直驱压缩机，利用空气型光伏光热模块01和水箱型光伏光热模块02产生的直流电直接驱动压缩机运行。
33.第一柔性光伏电池片3-1通过热熔胶层压于第一吸热板4-1吸光面，而第一吸热板4-1的背光面通过导热胶与筒状顶侧开口箱体5-1表面贴合。
34.系统运行时，风冷蒸发器9启动，在风扇驱动下外部空气由空气进口15进入第一空气隔热层2-1，气体在上升过程中冷却被太阳辐射加热的第一柔性光伏电池片3-1和第一吸热板4-1，经过加热后的空气进入空冷光伏光热模块空腔11，经热空气经圆形吸热顶6再次加热后进入风冷蒸发器9。风冷蒸发器9内部的液态冷媒吸收来自热空气的热量后汽化进入压缩机10，经加压加热后，高压高温冷媒气体进入液冷冷凝器7并将热量释放给换热器内的换热流体，放热后的气态冷媒相变为液态进入电子膨胀阀8等焓变为低温低压的气液两相流，完成一次换热循环。加热后的换热流体在水泵13的驱动下进入水冷换热器17并将热量释放给水箱型光伏光热模块02内的水。而此时，第二柔性光伏电池片3-2和第二吸热板4-2吸收来自太阳辐照的热量，通过密封筒状箱体5-2壁面加热内部的水，即空气源热泵系统与水箱型光伏光热模块共同加热密封筒状箱体5-2内部的水。第一柔性光伏电池片3-1与第二柔性光伏电池片3-2将部分太阳光照转化成电能并储存于太阳能蓄电池18内，电能可通过太阳能逆变系统19逆变成交流电后为用户所用。
35.以上结合附图对本实用新型的实施例进行了详细阐述，但是本实用新型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实用新型的启示下，不脱离本实用新型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，这些均属于本实用新型的保护。