基于太阳能全光谱利用的大温差储能供热系统及供热方法

本发明涉及太阳能供热，具体而言，涉及一种基于太阳能全光谱利用的大温差储能供热系统及供热方法。

背景技术：

1、随着我国民用建筑及公共建筑的规模不断扩大，冬季对供热需求持续增大，而大量利用煤、石油、天然气等含碳物质作为燃料，造成了严重的环境问题和化石能源短缺的问题。

2、太阳能作为一种储量丰富、分布广泛的可再生能源，同时又是一种不产生温室气体和空气污染的清洁能源，已经成为目前具有巨大潜力的能源选择。但基于太阳能本身的不稳定性和能流密度低的问题，要实现太阳能的高效利用，就要考虑能源本身的特点，结合聚光技术、热电分频、大温差储能、热泵等技术，分高、中、低温三级联合供热，以实现太阳能的梯级高效利用的同时提高供热的保障性。

3、现有槽式聚光集热系统利用导热油储能，导热油储能系统简单、成本较低、热稳定性好、抗腐蚀性好，但基于导热油储能属于显热储能，是一种将热能以温度变化的形式储存在物质中的过程，这种储能形式不像潜热储能，不涉及相变过程，仅依靠温度的变化实现热能的储存与释放，因此受温度差的限制较大，储热量q＝cmδt，对于同一储热介质，质量m一定的条件下，温差δt越大，储热量q越大。例如集热后导热油的上限温度取150度，但是如果导热量只作用于喷射式热泵的驱动，经换热后，导热油的出口温度必然会很高，例如不低于100度，此时温差δt仅有50度，比较小，对于整个导热油系统来讲不利于储热，也会存在资源浪费的问题，因此如何实现大温差储能，提高导热油储能密度，减少能源消耗是可探究的问题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：

2、为了解决由于太阳能本身的不稳定性和能流密度低，导致太阳能利用率低，且储热介质温差小导致储能量少和资源浪费，难以保障供热的问题。

3、本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案：

4、本发明提供了一种基于太阳能全光谱利用的大温差储能供热系统，包括槽式集热器、光伏电池板、分频器、集热管、第一油循环泵、发生器、第一储热罐、第二油循环泵、换热器、第二储热罐、第三油循环泵、第三储热罐、储能变流器、喷射器、压缩机、冷凝器、储液罐、节流阀、蒸发器、制冷剂循环泵、第一调节阀、第二调节阀、第三调节阀、第四调节阀、第五调节阀和第六调节阀，

5、集热管出油口与第一油循环泵进油口连接，第一油循环泵的出油口与发生器的进油口连接，发生器的出油口与第一储热罐的进油口连接，第一储热罐的出油口与第二油循环泵的进油口连接，第一储热罐的出油管路上设有第六调节阀，第二油循环泵的出油口与换热器的进油口连接，换热器的出油口与第二储热罐的进油口连接，换热器的出油管路上设有第五调节阀，第二储热罐的出油口与第三油循环泵的进油口连接，第三油循环泵的出油口与蒸发器的进油口连接，蒸发器的出油口与第三储热罐的进油口连接，第三储热罐的出油口与集热管的进油口连接，

6、发生器的出液口与喷射器的高压进液口连接，蒸发器的出液口分别与喷射器的低压进液口和压缩机进液口连接，喷射器的低压进液管道上设有第二调节阀，压缩机的进液管道上设有第四调节阀，压缩机出液口和喷射器的出液口汇合后与冷凝器的进液口连接，压缩机的出液管道上设有第三调节阀，喷射器的出液管道上设有第一调节阀，冷凝器的出液口与储液罐的进液口连接，储液罐出液口分别与节流阀进液口和制冷剂循环泵的进液口连接，节流阀出液口与蒸发器的进液口连接，制冷剂循环泵的出液口与发生器的进液口连接，

7、换热器和冷凝器均设有另一侧进液口和出液口，

8、槽式集热器的数量为至少一个，当槽式集热器的数量为至少2个时，槽式集热器均匀布设，每个槽式集热器均设有集热管，多个集热管依次串联，至少一个槽式集热器与光伏电池板连接，光伏电池板与储能变流器连接，储能变流器与压缩机、第一油循环泵、第二油循环泵、第三油循环泵和制冷剂循环泵连接。

9、一种基于太阳能全光谱利用的大温差储能供热系统的供热方法，包括两级供热和三级供热。

10、进一步地，二级供热时，在初始状态，第一储热罐为0份导热油、第二储热罐为2份导热油、第三储热罐为1份导热油，

11、白天时，开启第一调节阀和第二调节阀，关闭第三调节阀、第四调节阀、第五调节阀和第六调节阀，

12、槽式集热器对太阳光进行聚光再反射至分频器，经分频器分频，短波反射作用于光伏电池板，产生电能而后储存于储能变流器中，储能变流器中的电能直接驱动第一油循环泵、第三油循环泵和制冷剂循环泵工作；长波透射作用于集热管加热导热油，其热量作用于发生器作为喷射式热泵的驱动热源，同时以第二储热罐中的低温导热油作为低位热源，驱动喷射式热泵循环，保证白天供热工况，

13、经过喷射式热泵循环，在终态，第一储热罐为2份导热油、第二储热罐为0份导热油、第三储热罐为1份导热油；

14、夜间时，开启第五调节阀和第六调节阀，关闭第一调节阀、第二调节阀、第三调节阀和第四调节阀；

15、夜间使用储能变流器中的储存电能，作为第二油循环泵的电力来源，驱动第一储热罐中的高温导热油经换热器直接对外供热，换热后的低温导热油流回第二储热罐，保证夜间供热工况；

16、经过直接换热供热，在终态，第一储热罐为0份导热油、第二储热罐为2份导热油、第三储热罐为1份导热油，返回初始状态油量，形成循环；

17、极端天气情况时，直接使用储能变流器中的储存电能，作为压缩机的电力来源，驱动以空气作为低位热源的压缩式热泵循环，保证供热工况。

18、进一步地，三级供热时，在初始状态，第一储热罐为0份导热油、第二储热罐为2份导热油、第三储热罐为1份导热油；

19、第一阶段，开启第一调节阀和第二调节阀，关闭第三调节阀、第四调节阀、第五调节阀和第六调节阀，

20、槽式集热器对太阳光进行聚光再反射至分频器，经分频器分频，短波反射作用于光伏电池板，产生电能而后储存于储能变流器中，储能变流器中的电能直接驱动第一油循环泵、第三油循环泵和制冷剂循环泵工作；长波透射作用于集热管加热导热油，其热量作用于发生器作为喷射式热泵的驱动热源，同时以第二储热罐中的低温导热油作为低位热源，驱动喷射式热泵循环，保证供热工况，

21、经过喷射式热泵循环，在终态，第一储热罐为2份导热油、第二储热罐为0份导热油、第三储热罐为1份导热油；

22、第二阶段，开启第五调节阀和第六调节阀，关闭第一调节阀、第二调节阀、第三调节阀和第四调节阀，

23、使用储能变流器中的储存电能，作为第二油循环泵的电力来源，驱动第一储热罐中的高温导热油经换热器直接对外供热，换热后的低温导热油流回第二储热罐，保证供热工况，

24、经过直接换热供热，在终态，第一储热罐为0份导热油、第二储热罐为2份导热油、第三储热罐为1份导热油；

25、第三阶段，开启第三调节阀和第四调节阀，关闭第一调节阀、第二调节阀、第五调节阀和第六调节阀，

26、使用储能变流器中的储存电能，作为压缩机的电力来源，驱动以第二储热罐中的低温导热油作为低位热源的压缩式热泵循环，保证供热工况，

27、经过压缩式热泵供热，在终态，第一储热罐为0份导热油、第二储热罐为1份导热油、第三储热罐为2份导热油；

28、下一次采用喷射式热泵供热时，采用不同转速的泵工作使得各油罐油量返回换热器供热的初始阶段，形成循环。

29、本发明提供了一种基于太阳能全光谱利用的大温差储能供热系统，第一油循环泵、发生器、第一储热罐、第二油循环泵、换热器、第二储热罐、第三油循环泵、第三储热罐、储能变流器、喷射器、压缩机、冷凝器、储液罐、节流阀、蒸发器、制冷剂循环泵、第一调节阀、第二调节阀、第三调节阀、第四调节阀、第五调节阀和第六调节阀，

30、集热管出油口与第一油循环泵进油口连接，第一油循环泵的出油口与发生器的进油口连接，发生器的出油口与第一储热罐的进油口连接，第一储热罐的出油口与第二油循环泵的进油口连接，第一储热罐的出油管路上设有第六调节阀，第二油循环泵的出油口与换热器的进油口连接，换热器的出油口与第二储热罐的进油口连接，换热器的出油管路上设有第五调节阀，第二储热罐的出油口与第三油循环泵的进油口连接，第三油循环泵的出油口与蒸发器的进油口连接，蒸发器的出油口与第三储热罐的进油口连接，第三储热罐的出油口与集热管的进油口连接，

31、发生器的出液口与喷射器的高压进液口连接，压缩机出液口分别与第二引射制冷剂管路的进液口和第四气态制冷剂管路的进液口连接，第二引射制冷剂管路上设有第二调节阀，第四气态制冷剂管路上设有第三调节阀，喷射器的出液口和第四气态制冷剂管路出液口汇合后与冷凝器的进液口连接，喷射器的出液管道上设有第一调节阀30，冷凝器的出液口与储液罐的进液口连接，储液罐出液口与节流阀进液口连接，节流阀出液口与蒸发器的进液口连接，蒸发器的出液管道上设有第四调节阀，蒸发器的出液口与压缩机的进液口连接，储液罐的另一侧出液口与制冷剂循环泵的进液口连接，制冷剂循环泵的出液口与发生器的进液口连接，

32、换热器和冷凝器均设有另一侧进液口和出液口，

33、槽式集热器的数量为至少一个，当槽式集热器的数量为至少2个时，槽式集热器均匀布设，每个槽式集热器均设有集热管，多个集热管依次串联，至少一个槽式集热器与光伏电池板连接，光伏电池板与储能变流器连接，储能变流器与压缩机、第一油循环泵、第二油循环泵、第三油循环泵和制冷剂循环泵连接。

34、一种基于太阳能全光谱利用的大温差储能供热系统的供热方法，包括两级供热和三级供热。

35、进一步地，二级供热时，在初始状态，第一储热罐为0份导热油、第二储热罐为2份导热油、第三储热罐为1份导热油，

36、白天时，开启第一调节阀、第二调节阀和第四调节阀，关闭第三调节阀、第五调节阀和第六调节阀，

37、槽式集热器对太阳光进行聚光再反射至分频器，经分频器分频，短波反射作用于光伏电池板，产生电能而后储存于储能变流器中，储能变流器中的电能直接驱动第一油循环泵、第三油循环泵和制冷剂循环泵工作；长波透射作用于集热管加热导热油，其热量作用于发生器作为喷射式热泵的驱动热源，同时以第二储热罐中的低温导热油作为低位热源，压缩机作为喷射式辅助设备对引射流体加压，驱动压缩-喷射式热泵循环，保证白天供热工况，

38、经过压缩-喷射式热泵循环，在终态，第一储热罐为2份导热油、第二储热罐为0份导热油、第三储热罐为1份导热油；

39、夜间时，开启第五调节阀和第六调节阀，关闭第一调节阀、第二调节阀、第三调节阀和第四调节阀，

40、夜间使用储能变流器中的储存电能，作为第二油循环泵的电力来源，驱动第一储热罐中的高温导热油经换热器直接对外供热，换热后的低温导热油流回第二储热罐，保证夜间供热工况，

41、经过直接换热供热，在终态，第一储热罐为0份导热油、第二储热罐为2份导热油、第三储热罐为1份导热油，返回初始状态油量，形成循环；

42、极端天气情况时，直接使用储能变流器中的储存电能，作为压缩机的电力来源，驱动以空气作为低位热源的压缩式热泵循环，保证供热工况。

43、进一步地，三级供热时，在初始状态，第一储热罐为0份导热油、第二储热罐为2份导热油、第三储热罐为1份导热油，

44、第一阶段，开启第一调节阀和第二调节阀，关闭第三调节阀、第四调节阀、第五调节阀和第六调节阀，

45、槽式集热器对太阳光进行聚光再反射至分频器，经分频器分频，短波反射作用于光伏电池板，产生电能而后储存于储能变流器中，储能变流器中的电能直接驱动第一油循环泵、第三油循环泵和制冷剂循环泵工作；长波透射作用于集热管加热导热油，其热量作用于发生器作为喷射式热泵的驱动热源，同时以第二储热罐中的低温导热油作为低位热源，压缩机作为喷射式辅助设备对引射流体加压，驱动压缩-喷射式热泵循环，保证供热工况，

46、经过压缩-喷射式热泵循环，在终态，第一储热罐为2份导热油、第二储热罐为0份导热油、第三储热罐为1份导热油；

47、第二阶段，开启第五调节阀和第六调节阀，关闭第一调节阀、第二调节阀、第三调节阀和第四调节阀，

48、使用储能变流器中的储存电能，作为第二油循环泵的电力来源，驱动第一储热罐中的高温导热油经换热器直接对外供热，换热后的低温导热油流回第二储热罐，保证供热工况，

49、经过直接换热供热，在终态，第一储热罐为0份导热油、第二储热罐为2份导热油、第三储热罐为1份导热油；

50、第三阶段，开启第三调节阀和第四调节阀，关闭第一调节阀、第二调节阀、第五调节阀和第六调节阀，

51、使用储能变流器中的储存电能，作为压缩机的电力来源，驱动以第二储热罐中的低温导热油作为低位热源的压缩式热泵循环，保证供热工况，

52、经过压缩式热泵供热，在终态，第一储热罐为0份导热油、第二储热罐为1份导热油、第三储热罐为2份导热油；

53、下一次采用喷射式热泵供热时，采用不同转速的泵工作使得各油罐油量返回换热器供热的初始阶段，形成循环。

54、进一步地，所述槽式集热器包括圆弧形二次反射镜、抛物面一次反射镜和集热管，所述集热管的中心轴线与抛物面一次反射镜的焦点线重合，所述抛物面一次反射镜和圆弧形二次反射镜的截面均为圆弧形，所述圆弧形二次反射镜位于集热管的上方，且抛物面一次反射镜和抛物面二次反射镜的开口朝向相对设置。

55、进一步地，所述圆弧二次反射镜半径r为，

56、

57、式中，a为ob的长度；b1为oo′与半径r的系数；为抛物面一次反射镜边缘角；

58、所述圆弧二次反射镜宽度w为，

59、

60、式中，α为跟踪误差角；ob为抛物面一次反射镜的最发散光线与另一侧边缘线交点b至抛物面一次反射镜面交点o的距离；

61、所述圆弧二次反射镜位置d为，

62、

63、所述圆弧二次反射镜位置以位于集热管中垂线上的o′点为圆心，以r为半径，距集热管中心相对位置d，宽度为w的圆弧形结构。

64、相较于现有技术，本发明的有益效果是：

65、本发明一种基于太阳能全光谱利用的大温差储能供热系统及供热方法，包括太阳能聚光分频利用光伏发电子及集热系统、大温差储能子系统和压缩-喷射耦合热泵子系统，太阳能聚光分频利用光伏发电及集热子系统产生电能并使集热管内循环介质升温，同时对富余的电能进行储存；大温差储能子系统对导热介质的热量进行梯级分段利用，包括二级供热和三级供热；

66、本发明一种基于太阳能全光谱利用的大温差储能供热系统及供热方法，采用先聚光再分频的技术，提高总太阳光束的能流密度进而提高太阳能利用率，同时减少了太阳能光伏板和分频膜的铺设面积，跟踪控制简单；通过设置满足聚光后一次反射与集热器同焦点的抛物线且离散的分频技术，减少了分频之后的太阳光线发散和光伏板发热问题，有效提高了光伏组件的发电效率，最大限度实现全光谱光热、光电梯级利用，提高全波段太阳能的利用率；

67、本发明一种基于太阳能全光谱利用的大温差储能供热系统及供热方法，太阳能通过导热介质实现梯级高效利用，高温段驱动喷射式热泵、中温段直接换热和低温段光伏储电热泵联合供热，提高供热保障；

68、本发明一种基于太阳能全光谱利用的大温差储能供热系统及供热方法，由于对导热介质的分级利用，最大限度拉开了导热介质的温差，在相同储热量下，极大减少了导热介质的充注量，提升储能密度，高效节能；

69、本发明一种基于太阳能全光谱利用的大温差储能供热系统及供热方法，二级供热工况适用于不适宜使用变频泵的场景中，此时仅采用高温(150-100度)、中温(100-60度)两级供热，油温可降至60度，但对比于仅采用喷射式热泵的供热系统，导热油温差增大，有一定的储能效果提升，同时经历二级供热循环后，导热油量恢复到初始状态，满足再循环条件；三级供热工况能最大限度拉开导热油温差，实现导热油等储热介质的质量最小化、储能密度最大化，三级供热工况利用高温(150-100度)、中温(100-60度)、低温(60-15度)三段热量梯级利用，此时油温已经降至15度，导热油温差显著提升，储能效果最优；但此种工况必须配合变频泵使用，才能满足油量再循环条件。