一种太阳能聚光分频-结晶储能的热电联合热泵空调系统及控制方法

本发明涉及清洁能源利用，具体而言，涉及一种太阳能聚光分频-结晶储能的热电联合热泵空调系统及控制方法。

背景技术：

1、为平衡能源供给与能源需求，清洁能源替代传统能源、建立可持续的能源结构已成为大势所趋。

2、太阳能作为储量最丰富的清洁能源，发展潜力巨大。现有的太阳能利用方式主要分为光热利用与光电利用，与建筑供能相结合就是太阳能热水器或光伏发电供建筑设备使用，但存在能量利用率低、供能波动性大的问题，这是因为在光热利用时由于落到集热器表面的太阳能热流密度低，又易受天气的影响，导致太阳能转换为低温热且集热温度也不稳定，造成对太阳能能量利用程度较低，光电利用时由于光伏电池的光谱响应特性导致很大一部分太阳光均不能被有效利用而被转换成热能散失到空气中或使电池温度升高，引起很大的能量损失并且影响发电效率。

3、现有专利如一种太阳能室内冷热一体化系统(申请号：cn201410200781.9)，有机结合太阳能溴化锂吸收式制冷机组、空气源热泵以及太阳能集热器，通过阀门切换不同工作方式以满足建筑物制冷、制热需求。主要利用太阳能做为驱动热源，通过太阳能热管集热器将太阳能转换成热能，产生热水驱动整个系统工作。但上述专利中制冷或供热的能量来源全部是太阳能集热器，由于太阳能的分散性导致太阳能集热器接收到的太阳能能量密度很低，对太阳能的利用率仍较低，而且溴化锂吸收式制冷运行时全天都需要从热水中吸热，太阳能不足时制冷会受到影响，具有不稳定性。

4、现有专利如冷热量储存式太阳能空调装置(申请号：cn201310183854.3)，包括太阳能光伏电池板组、电源逆变器、电制冷单元、电制热单元、热量储存媒质循环箱单元、冷量储存媒质循环箱单元、智能集中控制单元、空调工作媒质循环泵和调节控制管系单元、室内空气温度调节器单元，电制冷单元、电制热单元与对应的冷、热量储存媒质循环箱单元管路相连，或置其中。虽然该专利可以根据室内负荷需求通过智能控制切换供热或空调功能，但是该功能的实现仅利用了光伏发电量，仍然属于单独的光电利用系统，会造成很大一部分太阳能量损失并对光伏板正常发电产生了影响。

5、因此，如何合理规划太阳能光热光电应用于建筑供暖或空调时的耦合方式，提高太阳能利用率、实现建筑稳定清洁供能成为目前所广泛探讨的研究内容。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：

2、为了解决常规的太阳能光热系统和太阳能光电系统应用于建筑供能时能量利用率低、供能波动性大，且运行成本较高的问题。

3、本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案：

4、本发明提供了一种太阳能聚光分频-结晶储能的热电联合热泵空调系统，包括太阳能聚光分频子系统、溴化锂结晶储能子系统、吸收式循环、机械压缩循环和预热循环，

5、所述太阳能聚光分频子系统用于对太阳能分频后集热和转化为电能；

6、所述溴化锂结晶储能子系统包括结晶蓄热罐、溶液腔、凝结水腔、第一喷淋装置、第二喷淋装置、第一热水盘管、第二热水盘管、隔板、第二循环泵、第三循环泵和第五截止阀，

7、通过隔板将结晶蓄热罐分为溶液腔和凝结水腔，溶液腔中用于充注溴化锂溶液，凝结水腔中用于充注凝结水，第一热水盘管和第二热水盘管分别设置在溶液腔和凝结水腔内，溶液腔的上端通过第五截止阀与凝结水腔的上端连通；第一热水盘管的进口端和出口端均延伸出溶液腔，第二热水盘管的进口端和出口端均延伸出凝结水腔，溶液腔底部与第二循环泵进口端连接，第二循环泵的出口端与溶液腔内的第一喷淋装置连接，凝结水腔底部与第三循环泵进口端连接，第三循环泵的出口端与凝结水腔内的第二喷淋装置连接；

8、所述吸收式循环包括源侧换热器、用户侧换热器、第四循环泵、第五循环泵、第一高位热水管路、第一低位热水管路、第三截止阀、第四截止阀、第六截止阀、第七截止阀、第八截止阀和第九截止阀，

9、第四截止阀的进口端与第一高位热水管路的出口端连接，第六截止阀的出口管道与第四截止阀的出口管道汇合后与用户侧换热器的进口端连接，用户侧换热器与用户侧空气连通，用户侧换热器的出口端与第五循环泵的进口端连接，第五循环泵的出口端分别与第三截止阀的进口端和第七截止阀的进口端连接；

10、第九截止阀的进口端与第一低位热水管路的出口端连接，第九截止阀的出口端与源侧换热器的进口端连接，源侧换热器的出口端与第四循环泵的进口端连接，第四循环泵的出口端与第八截止阀的进口端连接；

11、所述机械压缩循环包括蒸发器、压缩机、冷凝器和节流阀，

12、蒸发器的出口与压缩机的进口端连接，压缩机的出口端与冷凝器的进口端连接，冷凝器的出口端与节流阀的进口端连接，节流阀的出口端与蒸发器的进口端连接，蒸发器与室外空气连通；

13、所述预热循环包括源侧换热器、冷凝器和第六循环泵，

14、冷凝器的出口端与源侧换热器的进口端连接，源侧换热器的出口端与第六循环泵的进口端连接，第六循环泵的出口端与冷凝器的进口端连接；

15、所述太阳能聚光分频子系统、结晶储能子系统及吸收式循环间相互连接，包括第一热水盘管的出口端分别与第一截止阀的进口端和第一高位热水管路的进口端连接，第一截止阀的出口端与太阳能聚光分频子系统内的集热管的进口端连接，集热管的出口端与水箱的进口端连接，水箱的出口端与第一循环泵的进口端连接，第一循环泵的出口端与第二截止阀的进口端连接，第二截止阀的出口端和第三截止阀的出口端汇合后与第一热水盘管的进口端连接；

16、第三热水总管的出口端分别与第一低位热水管路的进口端和第六截止阀的进口端连接，第七截止阀的出口端和第八截止阀的出口端汇合后与第二热水盘管的进口端连接；

17、所述太阳能聚光分频子系统与蓄电池的进口端连接，蓄电池的出口端与逆变器的进口端连接，逆变器的出口端分别与市电接点和压缩机连接。

18、一种太阳能聚光分频-结晶储能的热电联合热泵空调系统的控制方法，

19、白天时，第一截止阀、第二截止阀、第六截止阀和第七截止阀处于开启状态，第三截止阀、第四截止阀、第八截止阀和第九截止阀处于关闭状态，

20、第一热水盘管出口的低位热水经第一截止阀进入集热管被加热为高位热水，第一循环泵抽引高位热水经水箱和第二截止阀后充满第一热水盘管，第二循环泵抽引溴化锂溶液经第一喷淋装置喷淋到第一热水盘管表面，溴化锂溶液吸热不断蒸发浓缩结晶，部分太阳能高位能量通过结晶方式储存，第五截止阀处于开启状态，溶液浓缩产生的水蒸汽经第五截止阀从溶液腔进入凝结水腔，水蒸汽与温度较低的第二热水盘管表面接触，冷凝放热，第二热水盘管中的水经第六截止阀进入用户侧换热器加热用户侧空气，第五循环泵抽引温度降低后的水经第七截止阀充满第二热水盘管；

21、夜间时，第一截止阀、第二截止阀、第六截止阀和第七截止阀处于关闭状态，第三截止阀、第四截止阀、第八截止阀和第九截止阀处于开启状态，

22、太阳能聚光分频子系统产电经蓄电池、逆变器转为交流电后驱动压缩机运行，电量不足时从市电接点接入市电补充，此时机械压缩循环启动，制冷剂经蒸发器从室外空气吸热后变为低温低压制冷剂蒸气，经压缩机压缩变为高温高压的制冷剂蒸气，再经冷凝器向预热循环水环路放热变为高温高压制冷剂液体，最后经节流阀变为低温低压的制冷剂液体后再回到蒸发器；预热热水经冷凝器被加热后，进入源侧换热器放热，温度降低后经第六循环泵抽引回到冷凝器，

23、第二热水盘管中的水经第九截止阀进入源侧换热器中从预热循环水管路吸热后温度升高，第四循环泵抽引温度升高的水经第八截止阀充满第二热水盘管；第三循环泵抽引凝结水腔底部的凝结水经第二喷淋装置喷淋到第二热水盘管表面，凝结水汽化，第五截止阀处于开启状态，汽化产生的水蒸汽经第五截止阀进入溶液腔，被喷淋在第一热水盘管上的浓溶液吸收，溶液浓度降低，结晶溶解保持浓度动态平衡状态，吸收过程放热加热第一热水盘管中的热水，被加热的热水经第四截止阀进入用户侧换热器加热用户侧空气，第五循环泵抽引降温后的水经第三截止阀回到第一热水盘管中。

24、一种太阳能聚光分频-结晶储能的热电联合热泵空调系统，包括太阳能聚光分频子系统、溴化锂结晶储能子系统、吸收式循环、机械压缩循环和冷却水循环，

25、所述太阳能聚光分频子系统用于对太阳能分频后集热和转化为电能；

26、所述溴化锂结晶储能子系统包括结晶蓄热罐、溶液腔、凝结水腔、第一喷淋装置、第二喷淋装置、第一热水盘管、第二热水盘管、隔板、第二循环泵、第三循环泵和第五截止阀，

27、通过隔板将结晶蓄热罐分为溶液腔和凝结水腔，溶液腔中用于充注溴化锂溶液，凝结水腔中用于充注凝结水，第一热水盘管和第二热水盘管分别设置在溶液腔和凝结水腔内，溶液腔的上端通过第五截止阀与凝结水腔的上端连通；第一热水盘管的进口端和出口端均延伸出溶液腔，第二热水盘管的进口端和出口端均延伸出凝结水腔，溶液腔底部与第二循环泵进口端连接，第二循环泵的出口端与溶液腔内的第一喷淋装置连接，凝结水腔底部与第三循环泵进口端连接，第三循环泵的出口端与凝结水腔内的第二喷淋装置连接；

28、所述吸收式循环包括源侧换热器、用户侧换热器、第四循环泵、第五循环泵、第一高位热水管路、第一低位热水管路、第三截止阀、第四截止阀、第六截止阀、第七截止阀、第八截止阀和第九截止阀；

29、第四截止阀的进口端与第一高位热水管路的出口端连接，第四截止阀的出口端与第九截止阀的出口端汇合后与源侧换热器的进口端连接，源侧换热器的出口端与第四循环泵的进口端连接，第四循环泵的出口端分别与第三截止阀的进口端和第八截止阀的进口端连接，

30、第六截止阀的进口端与第一低位热水管路的出口端连接，第六截止阀的出口端与用户侧换热器的进口端连接，用户侧换热器的出口端与第五循环泵的进口端连接，用户侧换热器与用户侧空气连通，第五循环泵的出口端与第七截止阀的进口端连接；

31、所述机械压缩循环包括蒸发器、压缩机、冷凝器和节流阀，

32、蒸发器的出口与压缩机的进口端连接，压缩机的出口端与冷凝器的进口端连接，冷凝器的出口端与节流阀的进口端连接，节流阀的出口端与蒸发器的进口端连接，蒸发器与用户侧空气连通；

33、所述冷却水循环包括源侧换热器、冷凝器和冷却塔，

34、冷凝器的进口端与冷却塔的出口端连接，冷凝器的出口端与源侧换热器的进口端连接，源侧换热器的出口端与冷却塔的进口端连接；

35、所述太阳能聚光分频子系统、所述结晶储能子系统及所述吸收式循环间相互连接，包括第一热水盘管的出口端分别与第一截止阀的进口端和第一高位热水管路的进口端连接，第一截止阀的出口端与太阳能聚光分频子系统内的集热管的进口端连接，集热管的出口端与水箱的进口端连接，水箱的出口端与第一循环泵的进口端连接，第一循环泵的出口端与第二截止阀的进口端连接，第二截止阀的出口端和第三截止阀的出口端汇合后与第一热水盘管的进口端连接；

36、第三热水总管的出口端分别与第一低位热水管路的进口端和第九截止阀的进口端连接，第七截止阀的出口端和第八截止阀的出口端汇合后与第二热水盘管的进口端连接；

37、所述太阳能聚光分频子系统与蓄电池的进口端连接，蓄电池的出口端与逆变器的进口端连接，逆变器的出口端分别与市电接点和压缩机连接。

38、一种太阳能聚光分频-结晶储能的热电联合热泵空调系统的控制方法，

39、白天时，第一截止阀、第二截止阀、第八截止阀和第九截止阀处于开启状态，第三截止阀、第四截止阀、第六截止阀和第七截止阀处于关闭状态，

40、第一热水盘管出口的低位热水经第一截止阀进入集热管被加热为高位热水，第一循环泵抽引高位热水经水箱和第二截止阀后充满第一热水盘管，第二循环泵抽引溴化锂溶液经第一喷淋装置喷淋到第一热水盘管表面，溴化锂溶液吸热不断蒸发浓缩结晶，部分太阳能高位能量通过结晶方式储存，第五截止阀处于开启状态，溶液浓缩产生的水蒸汽经第五截止阀从溶液腔进入凝结水腔，水蒸汽与温度较低的第二热水盘管表面接触，冷凝放热，第二热水盘管中的水经第九截止阀进入源侧换热器向冷却水环路释放热量，第四循环泵抽引温度降低后的水经第八截止阀充满第二热水盘管，

41、太阳能聚光分频子系统产电经蓄电池、逆变器转为交流电后驱动压缩机运行，电量不足时从市电接点接入市电补充，此时机械压缩循环启动，制冷剂经蒸发器向用户侧空气释放冷量后变为低温低压制冷剂蒸气，经压缩机压缩变为高温高压的制冷剂蒸气，再经冷凝器向冷却水环路放热变为高温高压制冷剂液体，最后经节流阀变为低温低压的制冷剂液体后再回到蒸发器，持续循环实现制冷；

42、夜间时，第一截止阀、第二截止阀第八截止阀和第九截止阀处于关闭状态，第三截止阀、第四截止阀、第六截止阀和第七截止阀处于开启状态，

43、第二热水盘管中的水经第六截止阀进入用户侧换热器中向用户侧空气释放冷量后温度升高，第五循环泵抽引温度升高的水经第七截止阀充满第二热水盘管；第三循环泵抽引凝结水腔底部的凝结水经第二喷淋装置喷淋到第二热水盘管表面，凝结水汽化，同时打开第五截止阀，汽化产生的水蒸汽经第五截止阀进入溶液腔，被喷淋在第一热水盘管上的浓溶液吸收，溶液浓度降低，结晶溶解保证浓度动态平衡状态，吸收过程放热加热第一热水盘管中的热水，被加热的热水经第四截止阀进入源侧换热器向冷却水环路释放热量，第四循环泵抽引降温后的水经第三截止阀回到第一热水盘管中。

44、进一步地，所述太阳能聚光分频子系统包括槽式聚光器、光伏电池板、槽式干涉薄膜分频器和集热管，

45、所述槽式聚光器的中轴处上方设有光伏电池板，所述光伏电池板用于与蓄电池连接，槽式聚光器的焦线处设有集热管，所述集热管通过集热管支架固定在槽式聚光器上，所述集热管的下方设有槽式干涉薄膜分频器。

46、进一步地，所述太阳能聚光分频子系统为聚光分频装置，所述聚光分频装置包括镀膜聚光发电槽、集热吸收管、玻璃盖板、封闭腔、聚能光热光电子单元、聚能光热光电单元和保护支撑结构，

47、所述聚能光热光电单元设置在上方开口的保护支撑结构内，所述聚能光热光电单元包括若干个均匀布设的聚能光热光电子单元，所述聚能光热光电子单元包括镀膜聚光发电槽和集热吸收管，相邻两个镀膜聚光发电槽的端部相连，位于四周边缘处的镀膜聚光发电槽与保护支撑结构的四周内壁紧密连接，所述镀膜聚光发电槽由下至上依次包括玻璃基材、下封装胶膜、光伏电池片、上封装胶膜和分频膜，所述玻璃基材为槽状结构且横截面为抛物线形状，所述下封装胶膜、光伏电池片、上封装胶膜和分频膜依次柔性贴合在玻璃基材上；每个聚能光热光电子单元的集热吸收管均设置在镀膜聚光发电槽的焦线上，所述聚能光热光电单元的上方设有玻璃盖板且二者之间的空腔为封闭腔，所述封闭腔内抽真空设置。

48、进一步地，还包括多镜面聚光跟踪系统，该系统安装在聚光分频装置上方，包括平面反射镜、横杆、框架支柱、主框架、滚轮、第一铰接构件、第二铰接构件、第三铰接构件、伸缩短杆和框架伸缩支柱，

49、所述主框架沿横杆布设方向的一侧的两个角与伸缩短杆的一端连接，伸缩短杆的伸缩端与框架伸缩支柱通过第三铰接构件连接，主框架另一侧的两个角与框架支柱通过第二铰接构件连接；

50、所述主框架包括若干个横杆，所述横杆的两端均设有滚轮，所述滚轮卡接在主框架侧壁上开设的滑槽内且可沿滑槽的延伸方向滑动，每个横杆均通过第一铰接构件连接有平面反射镜，主框架下方设有聚光分频装置，所述聚光分频装置的玻璃盖板或保护支撑结构的四个角分别与框架支柱和框架伸缩支柱连接且四个角位于与主框架平行的同一平面上。

51、进一步地，所述玻璃盖板可为高透玻璃；所述玻璃盖板的外表面上设有减反射膜。

52、进一步地，每个横杆一侧的滚轮上均设有滚轮电机，所述第一铰接构件上设有用于驱动平面反射镜转动的第一铰接电机，所述框架伸缩支柱为电驱动或液压驱动；还包括中央控制器和传感器，所述中央控制器的输入端与传感器连接，中央控制器的输出端分别与滚轮电机、第一铰接电机和框架伸缩支柱连接。

53、进一步地，所述传感器包括用于监测平面反射镜旋转角度的旋转角度传感器和用于监测横杆间距离的红外线传感器，用于将平面反射镜的旋转角度信号及横杆间距信号经上述两种传感器反馈到中央控制器，与实时获取的平面反射镜的旋转角度及横杆间距进行比较，若有偏差，根据实时信号获取结果对平面反射镜旋转角度及横杆间距进行调整，使得平面反射镜的接受面主方向保持上午朝东、中午水平及下午朝西。

54、相较于现有技术，本发明的有益效果是：

55、本发明一种太阳能聚光分频-结晶储能的热电联合热泵空调系统及控制方法，包括太阳能聚光分频子系统、溴化锂结晶储能子系统、吸收式循环、机械压缩循环、预热循环，利用太阳能集热量驱动结晶储能子系统和吸收式循环联合运行实现白天供热，利用太阳能蓄电量驱动机械压缩循环，将机械压缩循环与吸收式循环进行热力耦合，保证溴化锂结晶储能子系统释能实现夜间供热；或者利用太阳能蓄电量驱动机械压缩循环制冷，电量不足时补以市电，与溴化锂结晶储能子系统仅在夜间制冷进行了互补，实现全天稳定制冷；

56、本发明一种太阳能聚光分频-结晶储能的热电联合热泵空调系统及控制方法，太阳光经分频后，仅在光伏电池光谱响应区间内的波段落入光伏电池表面用于发电，其余波段落到集热管表面集热，相比于单独的光热利用系统和光电利用系统，提升了太阳能的能量利用率，进而减少了外用电的使用量，节省了运行成本；

57、本发明一种太阳能聚光分频-结晶储能的热电联合热泵空调系统及控制方法，太阳光经聚光后，集热管或集热吸收管能流密度增加，可减少其铺设面积，既降低了成本又节约了土地资源；集热温度的提升为溴化锂结晶储能子系统提供了能量品级更为匹配的高位热源，聚光后集热温度升高，如果将热量用于常规吸收式制冷时需要考虑集热温度过高导致的结晶问题，但本系统就是利用溴化锂结晶过程储能，因此聚光后产生的高位热源与溴化锂结晶储能子系统间匹配度较好；

58、本发明一种太阳能聚光分频-结晶储能的热电联合热泵空调系统及控制方法，用于建筑供热时，白天溴化锂结晶储能子系统利用太阳能集热量储能，并在用户侧换热器处释放热量给用户侧供热，夜间利用太阳能蓄电量驱动机械压缩循环，机械压缩循环与吸收式循环经热力耦合，保证溴化锂结晶储能子系统释能给用户侧供热，各个子系统有效耦合运行，充分利用太阳能产热量与产电量实现了建筑全天稳定供热，且机械压缩循环的提升目标温度与室外空气温差较小，可以直接从室外空气取热，不需要额外热源，进一步节省了运行成本；

59、本发明一种太阳能聚光分频-结晶储能的热电联合热泵空调系统及控制方法，用于建筑供冷时，白天利用太阳能蓄电量驱动机械压缩循环制冷，电量不足时补以市电，与溴化锂结晶储能子系统仅在夜间制冷进行了互补，充分利用太阳能实现了全天稳定供冷。