适用于高原高寒地区的光伏蓄热供热系统的制作方法

本实用新型涉及一种适用于高原高寒地区的光伏蓄热供热系统。

背景技术：

在高原地区，由于气候条件恶劣，冬季周期较长，生产、生活对供热都存在较其它地区更大的需求。目前，这些地区冬季采暖大多利用传统的燃煤锅炉供热，但由于自然环境恶劣，经济发展滞后，交通不便，导致电力设施普遍不够完善，很多地方供电不稳定，使锅炉设备的正常运行带受到很大影响。好多供热单位不得不采用柴油发电机给锅炉设备供电，不仅影响到供热系统的稳定性，同时还加大了供热系统的运行费用，提高了取热成本。部分地区使用燃煤锅炉采暖的成本甚至高达120元/平方/年以上，对当地社会经济发展和人民生活水平的提高带来一定制约。而且，燃煤锅炉也使得本就脆弱的环境变得更差。

高原地区的气候具有少云，光照时间长，紫外线强的特点，对利用太阳能资源改善供热系统效率提供了十分有利的条件。不仅可以大幅降低供热系统的运行成本，也有利环境保护。目前，还未见与此相关的实用技术和有效的解决方案。

技术实现要素：

本实用新型目的在于，针对目前高原高寒地区供热存在的问题，本实用新型提供了一种适用于高原高寒地区的光伏蓄热供热系统。该系统由光伏供电系统和蓄热供热系统组成，包括小型的独立式光伏电站、蓄电池、逆变器、配电系统、固体蓄热电锅炉、循环水泵和循环风机；固体蓄热电锅炉由蓄热部分和换热部分两部分组成。由独立式光伏电站发电给固体蓄热式电锅炉供电，固体蓄热式电锅炉将光伏电站发出的电能转换成热能向用户供热，同时将多余的热能储存于固体蓄热材料中，在晚上光伏电站不工作或因天气原因造成的光伏电站工作不稳定时可以稳定持续地给用户供热。同时，蓄电池可将光伏发电站发出的电能储存一部分供系统中的辅机（如水泵、循环风机等）在光伏发电站不工作时使用。储存的电能如有余量还可用来供建筑照明等其它用电设备使用。该供热系统克服了高原高寒地区现有供热系统的缺陷，利用太阳能这一新能源，提高了供热系统运行的稳定性，大幅降低了供热系统的运行费用，减少了热用户的使用成本。降低了碳排放，有利于环境保护。

本实用新型所述的一种适用于高原高寒地区的光伏蓄热供热系统，该系统由光伏供电系统和蓄热供热系统组成，所述的光伏供电系统由光伏发电组件（31）、逆变器（32）、电压与充电控制器（33）、蓄电池（34）和配电系统（35）组成；光伏发电组件（31）通过电缆连接到电压与充电控制器（33），电压与充电控制器（33）通过电缆分别与逆变器（32）和蓄电池（34）连接，逆变器（32）通过电缆连接到配电系统（35），将光伏发电组件（31）输送的直流电能转换为蓄热供热系统所需的工频电能；所述的蓄热供热系统由固体蓄热电锅炉（37）、循环泵组（38）、循环风机（36）、热水管（39）和回水管（40）组成，固体蓄热电锅炉（37）、循环泵组（38）和循环风机（36）通过电缆连接到配电系统（35）；固体蓄热电锅炉（37）通过热水管（39）连通到热用户（41）供热，热用户（41）的回水通过回水管（40）连通到固体蓄热电锅炉（37），在回水管（40）上设置有循环泵组（38）；循环风机（36）分别通过回风管（22）和进风管（23）连通到固体蓄热电锅炉（37）。

固体蓄热电锅炉（37）由蓄热部分和换热部分两部分组成；固体蓄热电锅炉（37）的四周炉墙（1）的主体由金属板（6）构成，金属板（6）与底座（7）固定为一体，金属板（6）外设置有绝热材料的保温层（8），炉墙（1）的上端与固体蓄热电锅炉（37）顶部的耐火水泥板（24）连接固定为一体；固体蓄热电锅炉（37）的内部形成一个相对密闭的空间，利用炉体隔墙（16）将炉体分隔成蓄热部分和换热部分两个部分。

所述的蓄热部分的炉体内壁为耐火层（3），耐火层（3）和金属板（6）之间设置有硅酸铝板（9）；在蓄热部分的下部固定有支撑架（14），支撑架（14）与底座（7）之间的一侧炉墙（1）上开有进风口（21）与进风管（23）连通，在支撑架（14）上水平固定有若干根用于设置耐火砖（10）的固定槽钢（13），固定槽钢（13）之间留有进风道（17）；耐火砖（10）沿固定槽钢（13）中的槽的方向纵向砌在槽内，在其上再横向砌多排耐火砖（10），每排之间留有空隙，电热丝（12）垂直于进风道（17）的方向横向铺设在空隙中，再纵向交错砌多排耐火砖（10），形成一个由耐火砖（10）组成的多层交错利于通风的网格状炉底（25）；电热丝（12）通过电源接口（15）与外部电源连接；在炉底（25）之上的炉体内部填充有固体蓄热材料（11），在固体蓄热材料（11）与炉体内的顶部之间留有空间做为热风道（18）。

所述的换热部分由肋片式换热管（4）、水平风道（19）和热风出口（20）组成；炉体隔墙（16）为半封闭隔墙，其上端与炉顶之间留有空间做为水平风道（19）；在换热部分下部一侧的炉墙（1）上开有热风出口（20）与回风管（22）连通；在换热部分的炉体内部盘设有多排相互连通的肋片式换热管（4），每排肋片式换热管（4）呈多道曲回的“S”型，肋片式换热管（4）的出水口（2）和进水口（5）穿过炉墙（1）固定，出水口（2）与热水管（39）连通固定，进水口（5）与回水管（40）连通固定；回风管（22）和进风管（23）分别与循环风机（36）的进风端和出风端连通。

炉体隔墙（16）靠换热部分一侧加装有保温层（8）。

附图说明

图1为本实用新型的光伏供电系统的原理图；

图2为本实用新型的蓄热供热系统结构示意图；

图3是本实用新型的固体蓄热电锅炉的正面剖视结构图；

图4是本实用新型的固体蓄热电锅炉的左视剖视结构图；

图5是本实用新型的固体蓄热电锅炉的俯视剖视结构图。

图例：

1、炉墙 ， 2、出水口， 3、耐火层，4、肋片式换热管，5、进水口，6、金属板，7、底座，8、保温层，9、硅酸铝板，10、耐火砖，11、固体蓄热材料，12、电热丝，13、固定槽钢，14、支撑架，15、电源接口，16、炉体隔墙，17、进风道，18、热风道，19、水平风道，20、热风出口，21、进风口，22、回风管，23、进风管，24、耐火水泥板，25、炉底，31、光伏发电组件，32、逆变器，33、电压与充电控制器，34、蓄电池，35、配电系统，36、循环风机，37、固体蓄热电锅炉，38、循环泵组，39、热水管，40、回水管，41、热用户。

具体实施方式

本实用新型结合附图进一步描述并给出实施例；本实用新型不受下述实施例的限制，可根据本实用新型的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

本实用新型所述的一种适用于高原高寒地区的光伏蓄热供热系统，该系统由光伏供电系统和蓄热供热系统组成，所述的光伏供电系统由光伏发电组件31、逆变器32、电压与充电控制器33、蓄电池34和配电系统35组成；光伏发电组件31通过电缆连接到电压与充电控制器33，电压与充电控制器33通过电缆分别与逆变器32和蓄电池34连接，逆变器32通过电缆连接到配电系统35，将光伏发电组件31输送的直流电能转换为蓄热供热系统所需的工频电能；所述的蓄热供热系统由固体蓄热电锅炉37、循环泵组38、循环风机36、热水管39和回水管40组成，固体蓄热电锅炉37、循环泵组38和循环风机36通过电缆连接到配电系统35；固体蓄热电锅炉37通过热水管39连通到热用户41供热，热用户41的回水通过回水管40连通到固体蓄热电锅炉37，在回水管40上设置有循环泵组38；循环风机36分别通过回风管22和进风管23连通到固体蓄热电锅炉37。

固体蓄热电锅炉37由蓄热部分和换热部分两部分组成；固体蓄热电锅炉37的四周炉墙1的主体由金属板6构成，金属板6与底座7固定为一体，金属板6外设置有绝热材料的保温层8，炉墙1的上端与固体蓄热电锅炉37顶部的耐火水泥板24连接固定为一体；固体蓄热电锅炉37的内部形成一个相对密闭的空间，利用炉体隔墙16将炉体分隔成蓄热部分和换热部分两个部分。

所述的蓄热部分的炉体内壁为耐火层3，耐火层3和金属板6之间设置有硅酸铝板9；在蓄热部分的下部固定有支撑架14，支撑架14与底座7之间的一侧炉墙1上开有进风口21与进风管23连通，在支撑架14上水平固定有若干根用于设置耐火砖10的固定槽钢13，固定槽钢13之间留有进风道17；耐火砖10沿固定槽钢13中的槽的方向纵向砌在槽内，在其上再横向砌多排耐火砖10，每排之间留有空隙，电热丝12垂直于进风道17的方向横向铺设在空隙中，再纵向交错砌多排耐火砖10，形成一个由耐火砖10组成的多层交错利于通风的网格状炉底25；电热丝12通过电源接口15与外部电源连接；在炉底25之上的炉体内部填充有固体蓄热材料11，在固体蓄热材料11与炉体内的顶部之间留有空间做为热风道18。

所述的换热部分由肋片式换热管4、水平风道19和热风出口20组成；炉体隔墙16为半封闭隔墙，其上端与炉顶之间留有空间做为水平风道19；在换热部分下部一侧的炉墙1上开有热风出口20与回风管22连通；在换热部分的炉体内部盘设有多排相互连通的肋片式换热管4，每排肋片式换热管4呈多道曲回的“S”型，肋片式换热管4的出水口2和进水口5穿过炉墙1固定，出水口2与热水管39连通固定，进水口5与回水管40连通固定；回风管22和进风管23分别与循环风机3的进风端和出风端连通。

炉体隔1靠换热部分一侧加装有保温层8。

如图1所示，光伏供电系统为独立的小型光伏电站，光伏发电组件31在有光照的时候将光能转换成电能，通过电压与充电控制器33将光伏组件发出的直流电能进行调节和控制，再经过逆变器32将直流电能转换成固体蓄热电锅炉37运行所需的工频电能；在白天光照充足的时候，由光伏发电组件31所转换的富余电量通过电压与充电控制器33给蓄电池34充电，将白天用不完的电能储存起来；在夜间没有光照的时候，蓄电池34通过电压与充电控制器33和逆变器32为蓄热供热系统中的电器设备提供运行需要的工频电能；同时，还可用来提供照明等生活用电设备使用；

电压与充电控制器33可采用西门子S7-300系列的中型PLC控制系统，将光伏供电系统和蓄热供热系统的数据采集到PLC中，通过上位机实现集中监控；这样便将整个系统的发电、供电、供热的有效联系起来，使系统工作在最优化的工况下，可实现发电、供电和供热的能量平衡；

如图2、3、4、5所示，因为考虑到高原地区的大气压低，水的沸点也低，故蓄热供热系统的锅炉采用固体蓄热，由光伏供电系统给固体蓄热电锅炉37提供运行所需要的电能，固体蓄热电锅炉37将光伏供电系统丰电期所产生的电能转换成热能储存起来，实现了全天候24小时供热；利用花岗岩石比热大、耐温高的特性，可采用经过纳米技术处理的花岗岩石做为固体蓄热材料11，其温度可以加热780℃-800℃的高温，能满足固体蓄热电锅炉37运行时换热对热源的需求；在光照充足时，加热锅炉内的固体蓄热材料11到温度650℃，当晚上没有光照时，利用空气为中间介质进行加热的热水循环系统供热，使得固体蓄热电锅炉37在整个运行过程中都处于无压状态，提高了安全性能。

固体蓄热电锅炉37由蓄热部分和换热部分两部分组成，分别实现加热、蓄热和换热功能；固体蓄热电锅炉37的炉墙1的主体结构为金属板6，可采用Q235B型钢板焊接制成；炉体下部的底座7采用角铁和钢板等金属材料加工，炉墙1的金属板6与底座7利用用焊接的工艺连接固定；炉体顶部采用耐高温的耐火水泥板24，与炉墙1利用紧固件连接固定；固体蓄热电锅炉37的内部形成一个相对密闭的空间；在炉体内部利用Q235B型钢板焊接炉体隔墙16，将炉体内部分隔成加热、蓄热和换热两个空间，炉体隔墙16为半封闭隔墙，其上端至炉体的顶部留有开放的空间做为水平风道19，在炉墙1四周的外面固定一层采用绝热材料制造的保温层8，通过加强炉体的保温来确保更好的蓄热效果；由于固体蓄热电锅炉37运行过程一直处于400℃-650℃高温条件下，因此在蓄热部分炉体的最内层利用耐火砖10砌装一层耐火层3，在金属板6和耐火层3之间夹装了一层硅酸铝板9，进一步提升炉墙1的保温性，还有利于克服热膨胀的影响。

在蓄热部分炉体内腔的下部安装有支撑架14，采用厚度为20mm的Q235B材质的钢板，切割成宽度为200mm的板条，将多根钢板板条间隔适当的距离平行地焊接在炉墙 1的金属板6上作为支撑架14 ，钢板板条的立面与底座7垂直。钢板板条的下边与底座7之间留有适当的距离用于进风的流通通道，与其对应，在炉墙1一侧的相应位置开一个进风口21，将其与循环风机36的进风管23连通，选择尺寸与耐火砖10的尺寸相应的固定槽钢13，将其利用焊接方式槽面向上平行固定于支撑架14 上，固定槽钢13之间留有缝隙做为进风道17，将耐火砖10沿着固定槽钢13的槽的方向纵向砌在槽内，在其上再横向砌多排耐火砖10，每排之间留有空隙，将弹簧式电热丝12垂直于进风道17的方向铺设在空隙中，再纵向交错砌多排耐火砖10，形成一个由耐火砖10组成的多层交错的网格状炉底25，不仅可承受较高的温度，保持了通风的顺畅，还不影响电热丝12的加热效率；在炉底25之上的炉体内腔中，填充花岗岩做为固体蓄热材料11，花岗岩的比热容相对较大，可达0.8kJ/㎏，可利用的温度差能达400℃-650℃，可以满足要求的热容量；另外，花岗岩在高原地区取材较为方便，可节约成本。

由于换热部分炉体对耐高温方面要求略低，从成本考虑，炉墙1仅由外层保温层8和内层金属板6构成，在炉体隔墙16一侧加装了一层保温层8，在换热部分炉体内部安装有多排相互连通的肋片式换热管4，每排肋片式换热管4之间通过接头焊接固定和连通，各排肋片式换热管4都加工成多道曲回的“S”型管，利用肋片式换热管4上的肋片，可以通过增加热风侧的受热面积提高传热效果，肋片式换热管4的出水口2和进水口5都穿过炉墙1，并通过焊接工艺与炉墙1的金属板6固定，从而也将换热管4整体固定，肋片式换热管4的出水口2与供热网的热水管39连通，肋片式换热管4的进水口5与供热网的回水管40连通，在换热部分炉体一侧炉墙1的下部开一个热风出口20，循环风机36的回风管22与热风出口20连通并固定。

适用于高原高寒地区的光伏蓄热供热系统运行原理：在光照充足时候开启固体蓄热电锅炉37的加热功能和换热功能，利用被加热的循环水向热用户41供热。与此同时，利用电热丝12将做为固体蓄热材料11的花岗岩加热到650℃左右。当晚上没有光照时关闭固体蓄热电锅炉37的加热功能，保持蓄热电锅炉37的换热部分处于工作状态，利用空气为中间介质将热量传递给热水循环系统。由循环风机36抽换热风出口20的热风，输送到进风口21，热风通过进风道17经由炉底25的空隙自下而上进入蓄热部分炉体内腔，热风通过高温的固体蓄热材料11进一步加热后，通过水平风道19进入到换热部分；高温的热风自上而下不断地对肋片式换热管4中的循环水进行加热，水由回水管40进入，自下而上循环，通过肋片式换热管4不断吸收热风传导的热量，然后经热水管39送给热用户41供热。在换热部分的炉体内部，热空气流与水流采用逆向流动的换热方式，有利于提高换热效率。

利用变频调节技术控制循环风机出风量和热水循环泵的流量，通过控制和调节热流量实现对热水温度的调控，使整个供热系统的供热量趋于平衡状态。

以上技术特征构成了本实用新型的最佳实施例，其具有较强的适应性和最佳实施效果。