一种耦合光伏光热、地热及储热的供能装置及其控制方法

1.本发明属于储热供能技术领域，特别涉及一种耦合光伏光热、地热及储热的供能装置及其控制方法。


背景技术：

2.可再生能源在建筑中的应用受到越来越多的重视。太阳能光伏光热一体化技术(pv/t)是将太阳能光伏利用技术与太阳能集热技术结合起来，在太阳能转化为电能的同时，由集热组件中的介质带走电池的热量加以利用，同时产生电、热两种能量收益；该技术能够克服单一利用方式的缺点，提高太阳能的综合利用率，且能同时满足用户对高品质电力和低品质热能的需求；相较于单一的光伏发电系统或光热系统，pv/t系统的投资回收期也具有明显优势；因此，近年来pv/t技术得到了快速的发展。
3.然而，太阳能受天气因素影响较大，该技术具有随机性、不确定性及不可控性，发电和供热存在供应不连续的问题，在部分光电资源丰富的地区，电力系统出力与电网负荷需求不匹配甚至产生弃风弃光的现象。pv/t技术最常见的应用途径是太阳能光伏热水系统，能够同时提供电力和热水，但太阳能利用存在供应不连续的问题，另外太阳能光伏热水系统无法大量储存热水。
4.基于上述陈述，采用多方式耦合供能可解决上述问题，现有技术还未实现中深层地热能供热技术、太阳能光伏光热一体化技术与储热技术相互耦合，亟需一种新的耦合光伏光热、地热及储热的供能装置及方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种耦合光伏光热、地热及储热的供能装置及其控制方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提供的技术方案中，将可再生的中深层地热能供热、太阳能光伏光热和相变储热相互耦合，为解决能源消纳问题以及提高建筑供热系统能效提供新思路，具有广阔的发展潜力。
6.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.本发明提供的一种耦合光伏光热、地热及储热的供能装置，包括：
8.平板型光伏热水集热模块，所述平板型光伏热水集热模块用于将太阳能转化为电能和热能并输出；
9.储电装置，所述储电装置用于存储所述平板型光伏热水集热模块输出的电能；
10.第一储水箱，所述第一储水箱用于利用所述平板型光伏热水集热模块输出的热能，通过换热的方式加热所述第一储水箱存储的循环水；
11.高温热泵机组，所述高温热泵机组的蒸发侧进口与所述第一储水箱的循环水出口相连通；所述高温热泵机组的蒸发侧出口与所述第一储水箱的循环水进口相连通；
12.高温储热装置，所述高温储热装置的一次侧进口与所述高温热泵机组的冷凝侧出口相连通；所述高温储热装置的一次侧出口与所述高温热泵机组的冷凝侧进口相连通；
13.第二储水箱，所述第二储水箱用于利用高温储热装置的二次侧输出的热能，通过换热的方式加热所述第二储水箱存储的循环水；所述第二储水箱输出的加热后的循环水用于供给用户生活热水使用设备；
14.中深层地热能取热装置和低温热泵机组，所述中深层地热能取热装置的出口与所述低温热泵机组的蒸发侧进口相连通；所述中深层地热能取热装置的进口与所述低温热泵机组的蒸发侧出口相连通；所述中深层地热能取热装置的进口与所述第一储水箱的循环水出口相连通；所述中深层地热能取热装置的出口与所述第一储水箱的循环水进口相连通；
15.低温储热装置，所述低温储热装置的一次侧进口与所述低温热泵机组的冷凝侧出口相连通；所述低温储热装置的一次侧出口与所述低温热泵机组的冷凝侧进口相连通；所述低温储热装置输出的热能用于供给用户地板辐射末端。
16.本发明的进一步改进在于，还包括：
17.逆变器，所述逆变器设置于所述平板型光伏热水集热模块和所述储电装置之间。
18.本发明的进一步改进在于，还包括：第一旁通管和第二旁通管；
19.所述高温储热装置的一次侧进口通过第一旁通管与所述第一储水箱的循环水出口相连通；所述高温储热装置的一次侧出口通过第二旁通管与所述第一储水箱的循环水进口相连通；第一旁通管和第二旁通管上均设置有阀门。
20.本发明的进一步改进在于，还包括：
21.自动控制模块，用于获取第一储水箱输出的加热后的循环水的温度，当温度大于等于第一预设温度阈值时，打开第一旁通管和第二旁通管上设置的阀门，使得第一储水箱输出的加热后的循环水通过第一旁通管和第二旁通管直接进入所述高温储热装置；当温度小于第一预设温度阈值时，关闭第一旁通管和第二旁通管上设置的阀门，使得第一储水箱输出的加热后的循环水先经过高温热泵机组提升温度，再进入高温储热装置储存热量；
22.其中，第一预设温度阈值的取值范围为45℃～50℃。
23.本发明的进一步改进在于，所述高温储热装置为相变储热装置；所述高温储热装置的相变材料温度范围为50℃～55℃。
24.本发明的进一步改进在于，所述低温储热装置为相变储热装置；所述低温储热装置的相变材料温度范围为45℃～50℃。
25.本发明的进一步改进在于，还包括：
26.用户生活热水使用设备，所述用户生活热水使用设备的进水口与所述第二储水箱的出水口相连通。
27.本发明的进一步改进在于，还包括：
28.用户地板辐射末端，所述用户地板辐射末端的进口与所述低温储热装置的二次侧出口相连通，所述用户地板辐射末端的出口与所述低温储热装置的二次侧进口相连通。
29.本发明的进一步改进在于，还包括：
30.第一高位水箱，用于与所述平板型光伏热水集热模块输出热能的热流管路相连通；
31.第二高位水箱，用于与所述中深层地热能取热装置的进口相连通；
32.第三高位水箱，用于与所述低温储热装置和所述用户地板辐射末端之间的热流管路相连通；
33.第四高位水箱，用于与所述高温储热装置和所述第二储水箱之间的热流管路相连通。
34.本发明提供的一种耦合光伏光热、地热及储热的供能装置的控制方法，包括以下步骤：
35.光伏光热耦合储热模式的控制步骤包括：启动平板型光伏热水集热模块，输出的热能储存在第一储水箱中；当第一储水箱出水温度t1小于第一预设温度阈值时，高温热泵机组开启，将第一储水箱的出水温度通过高温热泵机组提升到预设温度值，然后通入高温储热装置，此时热泵机组消耗的电能由储电装置提供；第一预设温度阈值的取值范围为45℃～50℃；
36.中深层地热能耦合储热模式的控制步骤包括：冬季对用户地板辐射末端供暖时，启动中深层地热能取热装置，循环水经过低温热泵机组提升温度后，进入低温储热装置进行储热，此时低温热泵机组所耗的电能由储电装置提供；
37.光伏光热耦合地下储热模式的控制步骤包括：夏季停止对用户地板辐射末端供暖时，启动平板型光伏热水集热模块、第一储水箱和中深层地热能取热装置，低温热泵机组和低温储热装置关闭；平板型光伏热水集热模块输出的热能经由第一储水箱通入中深层地热能取热装置，将热量储存到地下岩土中，出水返回至第一储水箱中；
38.光伏光热供热模式的控制步骤包括：接通高温储热装置和第二储水箱之间的连通管路，第二储水箱中的热水进入高温储热装置后被加热，加热后的水进入用户生活热水使用设备为用户提供预设温度范围的热水；
39.中深层地热能供热模式的控制步骤包括：接通低温储热装置和用户地板辐射末端之间的连通管路，循环水经过低温储热装置的加热后流回用户地板辐射末端；
40.光伏光热储电模式的控制步骤包括：太阳能资源充足时，储电装置将电网负荷多余的电量进行储存；高温热泵机组和低温热泵机组运行时，消耗储电装置中的电能；太阳能资源短缺时，储电装置中储存的电能输出到电网中。
41.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
42.本发明中，将可再生的中深层地热能供热、太阳能光伏光热和相变储热相互耦合，该技术可为解决能源消纳问题以及提高建筑供热系统能效提供新思路，具有广阔的发展潜力；其中，中深层地热能和太阳能分别形成低位热源和高位热源，可分别为建筑用户供暖及供生活热水；具体的，可将白天太阳能辐射与晚上的地热能通过相变储热材料进行储存，在供能不足时将储存的热量释放，为用户侧供暖或供应热水。另外，中深层地热集地上和地下储热于一体，可提高中深层地热的长期运行性能。再有，对电网负荷进行“削峰填谷”，不仅能够实现对中深层地热能和太阳能的独立储存与高效利用，提高能源利用率，还能够促进电力供需平衡，维护电力系统的可靠性。
附图说明
43.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
44.图1是本发明实施例的一种耦合光伏光热、地热及储热的供能装置的整体结构示意图；
45.图中，1、平板型光伏热水集热模块；2-1、第一储水箱；2-2、第二储水箱；3、逆变器； 4、储电装置；5、中深层地热能取热装置；6-1、高温热泵机组；6-2、低温热泵机组；7-1、高温储热装置；7-2、低温储热装置；8、用户生活热水使用设备；9、用户地板辐射末端；
46.10-1、第一循环水泵；10-2、第二循环水泵；10-3、第三循环水泵；10-4、第四循环水泵； 10-5、第五循环水泵；10-6、第六循环水泵；
47.11-1、第一高位水箱；11-2、第二高位水箱；11-3、第三高位水箱；11-4、第四高位水箱。
具体实施方式
48.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
49.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
50.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
51.对比例1
52.相变储热技术具有较大的相变潜热和较小的占地空间，是一种具有广泛应用前景的储热技术，可以用来解决能源供需在时间、空间和强度上的不匹配。
53.相比太阳能，地热能具有稳定、储量大和分布广泛等特点，在当今一次能源日趋紧缺的情况下，这一清洁能源的合理开发也愈来愈受到人们的青睐。其中，中深层地热能取热装置耦合地源热泵供热系统是近年来逐渐兴起的一种地热能供热技术；该技术是布置多根深至地下 2～3km的中深层地热能取热装置，通过换热器套管内部流动介质的闭式循环抽取深部岩土内的赋存热量，并进一步通过热泵技术提升能量品位的新型供热技术，该技术具有取热量大、供热稳定、占地面积小和不影响地下水等优点，近年来得到了迅速发展。
54.目前，已公开的中深层地热能与太阳能耦合的系统(具体示例解释性的，例如申请号为 cn202111393936.1的中国专利申请，其公开了一种中深层地热能耦合太阳能的零排放供热系统，包括：产能单元、储能单元以及用能单元，所述的产能单元具有中深层地埋管换热装置、太阳能光热集热装置以及光伏发电系统，储能单元为电储热锅炉，在非供暖期间，开启太阳能光热集热器和光伏发电系统，太阳能光热集热器制备出热水，同时光伏发电系统发电通过电储热锅炉制备热水，从而把太阳能转化的热能储存到锅炉相变储热材料
2的进口连接，低温热泵机组6-2的冷凝器进口经由阀门与低温储热装置7-2的出口连接。
67.低温储热装置7-2的出口经由第六循环水泵10-6和阀门与用户地板辐射末端9的进口相连，低温储热装置7-2的进口经由第三高位水箱11-3和阀门与用户地板辐射末端9的出口相连接。
68.本发明实施例提供的供能装置包括中深层地热能耦合储热子系统、光伏光热耦合储热子系统、光伏光热储供电子系统及末端用户取热子系统。其中，中深层地热能耦合储热子系统包括中深层地热能取热装置5、低温热泵机组6-2和低温储热装置7-2；中深层地热能取热装置5 出口依次与第二循环水泵10-2、低温热泵机组6-2、第五循环水泵10-5、低温储热装置7-2和第六循环水泵10-6相连通；光伏光热耦合储热子系统包括平板型光伏热水集热模块1、第一储水箱2-1、高温热泵机组6-1、高温储热装置7-1；平板型光伏热水集热模块1的出口依次与第一储水箱2-1、高温热泵机组6-1、高温储热装置7-1相连通；光伏光热储供电子系统包括平板型光伏热水集热模块1、逆变器3和储电装置4，所述的平板型光伏热水集热模块1包括玻璃盖板、隔热层、铜管、光伏模块、吸热板和流道。光伏电池组发出的电量经逆变器3后可以提供交流电，经过储电装置4后，分别为高温热泵机组6-1、低温热泵机组6-2、第一循环水泵 10-1、第二循环水泵10-2、第三循环水泵10-3、第四循环水泵10-4、第五循环水泵10-5及第六循环水泵10-6进行供电。末端用户取热子系统包括用户地板辐射末端9、用户生活热水使用设备8和第二储水箱2-2。第二储水箱2-2出口与用户生活热水使用设备8相连通，低温储热装置7-2出口经过第六循环水泵10-6后与用户地板辐射末端9相连通。
69.本发明实施例中，光伏光热耦合储热子系统中，第一储水箱2-1出口与高温储热装置7-1 之间设有供回水旁通管，旁通管与高温热泵机组6-1并联，旁通管上设有阀门。当第一储水箱 2-1温度达到50℃以上时，第一储水箱2-1高温出水通过旁通管进入高温储热装置7-1中；当第一储水箱2-1温度低于50℃时，第一储水箱2-1出水先经过高温热泵机组6-1提升温度，再通过高温储热装置7-1储存热量。
70.本发明实施例中，高温储热装置7-1和低温储热装置7-2为相变储热装置，高温储热装置 7-1的相变材料温度范围为50℃～55℃，低温储热装置7-2的相变材料温度范围为45℃～50℃，高温储热装置7-1的热量为用户提供生活热水，低温储热装置7-2的热量为用户供暖。具体示例性可选的，高温储热装置7-1的相变材料可以选用无机盐或者有机材料，如fe(no3)2·
6h2o、 ch3coona
·
3h2o；低温储热装置7-2的相变材料可以选用无机盐或者有机材料，如月桂酸、 ca(no3)2·
4h2o。
71.本发明具体示例性可选的，平板型光伏热水集热模块1的热流管路经由第一储水箱2-1中的部分为盘管结构，高温储能装置和低温储热装置7-2中的换热器为盘管结构，中深层地热能取热装置5为中深层地埋管或中深层地埋管管群。
72.本发明实施例进一步优选的，光伏热水集热模块的热流管路连接有第一高位水箱11-1(或是，第一定压补水装置)，所述中深层地热能取热装置5连接有第二高位水箱11-2(或是，第二定压补水装置)，所述低温储热装置7-2于用户地板辐射末端9之间的管路连接有第三高位水箱11-3(或是，第三定压补水装置)，所述高温储热装置7-1与第二储水箱2-2之间的管路连接有第四高位水箱11-4(或是，第四定压补水装置)。
73.本发明实施例提供的技术方案中，将光伏光热一体化技术、中深层地热能供热技术与储热技术相耦合，分别较单一的光伏光热系统、中深层地热能供热系统具有显著的优
势。考虑中深层地热能供热技术供水长期运行存在热衰减，供水温度相比太阳能光热技术供水温度较低，因此利用相变储热装置将太阳能与中深层地热能分别形成高温和低温储热热源，高温储热热源为建筑侧提供生活热水，低温储热热源为建筑侧供暖，实现对太阳能和中深层地热能的分级利用和优势互补，与传统中深层地热能供热技术同时为建筑侧供暖及供生活热水所不同，本发明有助于提高可再生能源的综合利用效率，减缓中深层地热能由于取热负荷过大导致的热衰减问题。同时中深层地热集地上和地下储热于一体，提高中深层地热的长期运行性能，实现太阳能与地热能的相互耦合；并对电网负荷进行“削峰填谷”，不仅能够实现对中深层地热能和太阳能的独立储存与高效利用，提高能源利用率，还能够促进电力供需平衡，维护电力系统的可靠性。该技术可为解决能源消纳问题以及提高建筑供热系统能效提供新思路，具有广阔的发展潜力。
74.本发明实施例还包括自动控制系统；所述自动控制系统的控制步骤包括：
75.获取第一储水箱2-1出水温度t1和电压p1值，根据温度t1和电压p1值对系统的运行模式进行调节；
76.当白天太阳能资源充足时，pv/t系统的发电量较大，电压p1值大于电网额定值时，储电装置4将电网负荷多余的电量进行储存；当高温热泵机组6-1、低温热泵机组6-2、集热侧循环水泵、地源侧循环水泵、循环水泵、循环水泵或循环水泵运行时，消耗储电装置4中的电能，从而保证电网负荷的稳定输出；当阴天太阳能资源短缺时，p1值小于额定值，储电装置4中储存的电能输出到电网中。
77.当第一储水箱2-1出水温度t1小于45℃时，热泵开启，将第一储水箱2-1的出水温度通过热泵机组提升到65℃，然后通入高温储热装置7-1；当t1大于等于50℃时，热泵关闭，第一储水箱2-1中的水不经过热泵，直接通入高温储热装置7-1。
78.本发明实施例提供的一种耦合光伏光热、地热及储热的供能装置的控制方法，包括以下步骤：
79.模式1(光伏光热耦合储热模式)：启动平板型光伏热水集热模块1，制取的热能首先储存在第一储水箱2-1中；当第一储水箱2-1出水温度t1小于45℃(或者48℃，又或者取50℃) 时，高温热泵机组6-1开启，将第一储水箱2-1的出水温度通过高温热泵机组6-1提升到65℃，然后通入高温储热装置7-1，此时热泵机组消耗的电能由储电装置4提供。当t1大于等于50℃时，高温热泵机组6-1关闭，第一储水箱2-1中的水不经过高温热泵机组6-1，直接通入高温储热装置7-1；
80.模式2(中深层地热能耦合储热模式)：在冬季对用户地板辐射供暖时，启动中深层地热能取热装置5，循环水首先经过第二循环水泵10-2，经过低温热泵机组6-2提升温度后，经由第五循环水泵10-5，进入低温储热装置7-2进行储热。此时低温热泵机组6-2所耗的电能由储电装置4提供。
81.模式3(光伏光热耦合地下储热模式)：在夏季停止对用户地板辐射供暖，此时启动平板型光伏热水集热模块1、第一循环水泵10-1、第一储水箱2-1、中深层地热能取热装置5和第二循环水泵10-2，低温热泵机组6-2和低温储热装置7-2关闭。平板型光伏热水集热模块1制取的热水首先经由第一储水箱2-1，然后通入中深层地热能取热装置5，将热量储存到地下岩土中，出水经过循环水泵，回到第一储水箱2-1中。
82.模式4(光伏光热供热模式)：打开高温储热装置7-1和第二储水箱2-2之间的阀门，
第二储水箱2-2中的热水进入高温储热装置7-1后被加热，进入用户生活热水使用设备8，为用户提供50℃～60℃范围的热水。
83.模式5(中深层地热能供热模式)：打开低温储热装置7-2和用户地板辐射末端9之间的阀门和第六循环水泵10-6，循环水经过低温储热装置7-2的加热后流回用户地板辐射末端9。
84.模式6(光伏光热储电模式)：当白天太阳能资源充足时，pv/t系统的发电量较大，电压 p1值大于电网额定值时，储电装置4将电网负荷多余的电量进行储存。当高温热泵机组6-1、低温热泵机组6-2、循环水泵运行时，消耗储电装置4中的电能，从而保证电网负荷的稳定输出；当阴天太阳能资源短缺时，p1值小于额定值，储电装置4中储存的电能输出到电网中。
85.本发明将光伏光热一体化技术、中深层地热能供热技术与储热技术相耦合，利用相变储热装置将太阳能与中深层地热能分别形成高温和低温储热热源，高温储热热源为建筑侧供生活热水，低温储热热源为建筑侧供暖，从而实现对太阳能和中深层地热能的分级利用和优势互补，与传统中深层地热能供热技术同时为建筑侧供暖及供生活热水所不同，本发明有助于提高可再生能源的综合利用效率，缓解中深层地热能由于取热负荷过大导致的热衰减问题。传统太阳能光热技术中制得的热水先通过电加热提升能量后再进行储存，本发明采用更加节能的热泵机组取代电加热方式，通过判断光伏光热系统中的出水温度来决定热泵的启停控制，并在太阳能光伏发电能充足的情况下，消耗多余的电量维持太阳能热泵的运行，使得优化后的系统相比现有系统更加经济节能。本发明将系统运行策略与电网负荷调峰相结合，在太阳能光伏发电能充足且有余电产生的情况下，多余的电量通过储电装置进行储存，在太阳能热泵、中深层地源热泵及循环水泵等设备开启后消耗；当太阳能光伏发电能不足的情况下，储电装置中的电能输送到电网，从而对电网负荷起到“削峰填谷”作用，能够有效提高电网的供电效率。综上所述，现有技术虽然已有技术将太阳能与中深层地热能相结合用于建筑供热，然而太阳能与中深层地热能并未与储热技术充分耦合。本发明实施例的系统将光伏光热一体化技术、中深层地热能供热技术与储热技术相耦合，利用相变储热装置将太阳能与中深层地热能分别形成高温和低温储热热源，分别为建筑供生活热水和供暖，实现对太阳能和中深层地热能的分级利用，提高可再生能源的综合利用效率。同时根据光伏发电能力调节热泵机组的运行，从而对电网负荷起到“削峰填谷”作用，提高电网的供电效率。
86.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。