无蓄电池的太阳能光伏热泵热水器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种太阳能热泵热水器，具体是一种太阳能光伏直接驱动的蒸气压缩式热泵热水器。
【背景技术】
[0002]目前的家用热水器形式包括电热水器、燃气热水器、太阳能真空管集热器、热泵热水器等。电热水器的效率小于1，即每消耗IkW电能，仅能得到不到IkW的热量。燃气热水器使用方便，但是在没有燃气管道的地方不能使用。太阳能真空管热水器是利用收集的太阳光来加热水的装置，节能环保，但是目前的太阳能热水器产品在规格和尺寸上不够统一，在建筑上安装的位置也比较随意，破坏了建筑的整体美感，给建筑景观、建筑的安全性带来不利影响，因安装和防冻问题突出，多用于低层建筑中，不适合在高层建筑和城市中使用。
[0003]热泵热水器是一种利用制冷循环来加热水的新型热水器，其节能效果显著，其每消耗IkW的电量，可以得到3-4kW的热水量。但是热泵热水器同样需要消耗高品位的电能，在无电网的地区不能使用，而且无法利用太阳能。
[0004]太阳能光伏热泵热水器是太阳能光伏发电技术和热泵技术相结合的产物，其利用取之不尽、用之不竭的太阳能电力来驱动具有节能优势的热泵热水器，在制取热水的同时也可以制冷，其产生的热水可作采暖、生活热水之用，一机多用，且节省能源，可以替代常规的化石燃料的消耗，对于节能减排、保护环境、提高居民的生活质量以及促进光伏产业的发展，都具有重大的经济意义和社会意义，并且对有很重要的意义。
[0005]目前已有的太阳能光伏发电系统中大都使用了铅酸蓄电池。这是因为铅酸蓄电池是到目前为止，唯一成本可接受的大容量电能储存装置。如在关于光伏热泵空调的专利文献200510032980.4中即配备了蓄电池。在有蓄电池的系统中，蓄电池通过充电控制器接在光伏母线上，太阳能电池板发的电先储存在蓄电池中，然后由逆变器逆变后驱动交流压缩机运行。所使用的压缩机大都是定频压缩机，通过逆变器将直流电逆变成交流电后驱动交流压缩机运行。
[0006]在光伏热泵系统中如果存在铅酸蓄电池，从长期使用来看，将会带来许多潜在问题。首先是寿命问题。由于蓄电池的容量随时间缩水，蓄存能力在2-3年后大打折扣。为了保证稳定性，许多光伏发电用户不得不每隔2年就更换全套蓄电池，这样无疑大大增加了维护成本。即使在维护很好的情况下，铅酸蓄电池的最大寿命也只有7.5年，远低于商用光伏组件20?30年的生命周期，以及制冷系统15?20年的生命周期，蓄电池组将不可避免地成为PVHP系统中最先报废的一个环节。
[0007]其次是环保问题。铅酸蓄电池主要由铅极板和硫酸溶液组成，但铅是一种剧毒的重金属，硫酸则有强烈的腐蚀性，两种材料在生产和报废过程中都易对环境产生很大的污染。如媒体曾经报道过的“血铅事件”中，污染物的主要来源就是环保不达标的铅酸蓄电池厂以及铅锌冶炼厂。
[0008]第三，铅酸蓄电池的性能受环境温度的影响很大。低温会使得蓄电池容量降低，充电接受能力下降，充放电循环次数减少。蓄电池的标准工作温度为25°C，在此温度下性能最佳，寿命最长。当低于25°C时，温度每下降10°C，蓄电池的容量会减少一半；当高于25°C时，温度每升高10°C，在恒定的浮充电压下，蓄电池的寿命会缩短50%。对于冬夏均需要工作，且经常是室外放置的光伏热泵来说，室外环境温度的变化将严重影响蓄电池的性能，从而大大降低PVHP系统的长期可靠性。
[0009]第四，由于蓄电池的能量全部存储在内部，其续航能力与体积、质量成正比。当PVHP系统的容量较大时，采用蓄电池后的体积和质量将是难以承受的。铅酸蓄电池的体积能量密度约为90Wh/L，质量能量密度约为35Wh/kg，若要驱动I个6HP的制冷压缩机以恒定功率运行8小时，则所需的蓄电池的体积将会达到390L，而质量将会超过I吨。可见在大型光伏热泵系统中大量使用蓄电池是不现实的。
[0010]第五，在有蓄电池的光伏发电系统中还必须配备DC-DC变换器(充电控制器)，它在太阳能电池板和负载之间起缓冲的作用，以调节光伏板的输出功率，并按照一定的充电控制策略向蓄电池充电。DC-DC变换器的存在可提高光伏效率，但是DC-DC变换器本身也存在一定的效率损失，并且增加了系统的成本和复杂度。
[0011]从系统结构上分析，现有的带蓄电池的光伏热泵系统中，所使用的压缩机大都是定频压缩机，通过逆变器将直流电逆变成交流电后驱动交流压缩机运行。在这种方案中，逆变器是连接在蓄电池上的，逆变器的直流母线的电压就是蓄电池电压。由于蓄电池的稳压作用，逆变器的母线电压也基本是稳定的(实际上有一个很小的浮动范围)。因此即使负载是不可变速的定频压缩机，它也能够平稳运行。
[0012]另一种在目前的有蓄电池的光伏热泵系统中采用较多的一种系统结构，虽使用了变频压缩机，但变频器是压缩机出厂时自带的交流变频器，与光伏逆变器是分开设置的。而交流变频器要实现变频，其内部必须要有DC-AC的转换环节，因此在这种系统中，从太阳能光伏板来的直流电实现上经过了 4次电流变换，即DC-DC-AC-DC-AC，才能最终驱动变频压缩机运行。其中的DC-DC变换环节是在光伏控制器中发生的，DC-AC变换环节是在光伏逆变器中发生的，AC-DC-AC变换环节是在交流变频器中发生的。由于电流每经过一次变换就会产生一次额外的能量损失，因此这种多级变换的结构，电效率的损失是相当大的，以至于会抵消变频节能的优势。
[0013]由以上分析可知，光伏热泵系统中如果设置有蓄电池，则不仅不环保、成本高、增加系统设计和维护的难度、降低整个系统的生命周期，还可能因为电源变换次数过多，造成整个系统电效率的下降。
【发明内容】
[0014]本发明的目的在于提供一种无蓄电池的太阳能光伏热泵热水器，其系统中没有蓄电池。其采用光伏单级式逆变结构，以蓄热代替蓄电，采用变频压缩机和电子膨胀阀两个容量可变的制冷部件，并通过压缩机转速调节来实现对光伏阵列的最大功率跟踪。光伏逆变器和压缩机变频器合二为一，系统中仅有一个电源变换环节，电路拓扑结构简单，无需大容量的电能储存装置，避免了多级电源变换带来的额外能量损失，较之有蓄电池的系统具有更高的效率和更好的可靠性，系统体积更小、寿命更长、成本更低，且对环境更加友好。
[0015]本发明的目的通过以下技术方案来实现的:
[0016]无蓄电池的光伏热泵热水器由太阳能电池板、单级式逆变-变频器、无刷直流压缩机、翅片蒸发器、电子膨胀阀、冷凝排管(冷凝器)、储热水箱等组成。太阳能电池板的正、负极和逆变-变频器的正、负极直接相接，逆变-变频器将直流电逆变成频率和电压可调的三相交流电，直接驱动变频压缩机运行。
[0017]首先，通过将太阳能转化成电能，再转化成热能，最后存储到水箱中这种方式，可以实现将太阳能储存，避免了在常规光伏发电系统中使用的不环保的蓄电方式，从而弥补了太阳能所具有的间歇性的特点。
[0018]其次，在光伏发电系统中，蓄电池的作用不仅是储能，其在电路中还起稳压作用。而当省去了蓄电池后，逆变器前的母线电压不再是稳定的，因而定转速压缩机将不能运行。为此，本发明方案中采用变转速压缩机，并且对压缩机的转速同步地进行调节，以使其和光伏组件的母线电压和输出功率相匹配。
[0019]再次，太阳能电池是一种非线性电源，它在某个特定的辐射强度和温度下具有一个唯一的最大功率点。当太阳辐射或温度变化时，太阳能电池的工作点可能偏离最大功率点，这会导致光伏效率的损失。为了提高光伏效率，从而在同样的采光面积下得到更多的发电量，一个重要的途径就是对太阳能电池的工作点进行实时调节，使太阳能电池始终工作在最大功率点附近，此即最大功率点跟踪(MPPT)。在有蓄电池的独立光伏系统中，如果有MPPT功能，那么这个MPPT控制器的位置是在蓄电池之前，通过驱动DC-DC变换器以尽可能多地向蓄电池中充电来实现的。在省去了蓄电池的光伏热泵系统中，由于DC-DC变换器也同时省掉了，为此必须寻求其它解决方案来实现MPPT功能，以提高太阳能电池的利用率。本发明的解决方案是采用基于压缩机转速反馈控制的MPPT方法，通过压缩机转速调节来实现对光伏的最大功率跟踪。
[0020]此外，制冷压缩机在启动瞬间的电流可以达到额定电流的2.5倍甚至更高。在有