[發明專利]無蓄電池的太陽能光伏熱泵熱水器

在審

• 申請號: 201310642574.4
• 申請日: 2013-12-03
• 公開（公告）號: CN104676889A
• 公開（公告）日: 2015-06-03
• 發明（設計）人: 袁衛星;楊宇飛;任柯先;何瀟寒;楊波
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: F24H4/04
• 分類號: F24H4/04;F25B41/06;H02S10/20
• 代理公司: 北京金恒聯合知識產權代理事務所 11324
• 代理人: 李強

技術領域

本發明涉及一種太陽能熱泵熱水器，具體是一種太陽能光伏直接驅動的蒸氣壓縮式熱泵熱水器。

背景技術

目前的家用熱水器形式包括電熱水器、燃氣熱水器、太陽能真空管集熱器、熱泵熱水器等。電熱水器的效率小于1，即每消耗1kW電能，僅能得到不到1kW的熱量。燃氣熱水器使用方便，但是在沒有燃氣管道的地方不能使用。太陽能真空管熱水器是利用收集的太陽光來加熱水的裝置，節能環保，但是目前的太陽能熱水器產品在規格和尺寸上不夠統一，在建筑上安裝的位置也比較隨意，破壞了建筑的整體美感，給建筑景觀、建筑的安全性帶來不利影響，因安裝和防凍問題突出，多用于低層建筑中，不適合在高層建筑和城市中使用。

熱泵熱水器是一種利用制冷循環來加熱水的新型熱水器，其節能效果顯著，其每消耗1kW的電量，可以得到3-4kW的熱水量。但是熱泵熱水器同樣需要消耗高品位的電能，在無電網的地區不能使用，而且無法利用太陽能。

太陽能光伏熱泵熱水器是太陽能光伏發電技術和熱泵技術相結合的產物，其利用取之不盡、用之不竭的太陽能電力來驅動具有節能優勢的熱泵熱水器，在制取熱水的同時也可以制冷，其產生的熱水可作采暖、生活熱水之用，一機多用，且節省能源，可以替代常規的化石燃料的消耗，對于節能減排、保護環境、提高居民的生活質量以及促進光伏產業的發展，都具有重大的經濟意義和社會意義，并且對有很重要的意義。

目前已有的太陽能光伏發電系統中大都使用了鉛酸蓄電池。這是因為鉛酸蓄電池是到目前為止，唯一成本可接受的大容量電能儲存裝置。如在關于光伏熱泵空調的專利文獻200510032980.4中即配備了蓄電池。在有蓄電池的系統中，蓄電池通過充電控制器接在光伏母線上，太陽能電池板發的電先儲存在蓄電池中，然后由逆變器逆變后驅動交流壓縮機運行。所使用的壓縮機大都是定頻壓縮機，通過逆變器將直流電逆變成交流電后驅動交流壓縮機運行。

在光伏熱泵系統中如果存在鉛酸蓄電池，從長期使用來看，將會帶來許多潛在問題。首先是壽命問題。由于蓄電池的容量隨時間縮水，蓄存能力在2-3年后大打折扣。為了保證穩定性，許多光伏發電用戶不得不每隔2年就更換全套蓄電池，這樣無疑大大增加了維護成本。即使在維護很好的情況下，鉛酸蓄電池的最大壽命也只有7.5年，遠低于商用光伏組件20～30年的生命周期，以及制冷系統15～20年的生命周期，蓄電池組將不可避免地成為PVHP系統中最先報廢的一個環節。

其次是環保問題。鉛酸蓄電池主要由鉛極板和硫酸溶液組成，但鉛是一種劇毒的重金屬，硫酸則有強烈的腐蝕性，兩種材料在生產和報廢過程中都易對環境產生很大的污染。如媒體曾經報道過的“血鉛事件”中，污染物的主要來源就是環保不達標的鉛酸蓄電池廠以及鉛鋅冶煉廠。

第三，鉛酸蓄電池的性能受環境溫度的影響很大。低溫會使得蓄電池容量降低，充電接受能力下降，充放電循環次數減少。蓄電池的標準工作溫度為25℃，在此溫度下性能最佳，壽命最長。當低于25℃時，溫度每下降10℃，蓄電池的容量會減少一半；當高于25℃時，溫度每升高10℃，在恒定的浮充電壓下，蓄電池的壽命會縮短50%。對于冬夏均需要工作，且經常是室外放置的光伏熱泵來說，室外環境溫度的變化將嚴重影響蓄電池的性能，從而大大降低PVHP系統的長期可靠性。

第四，由于蓄電池的能量全部存儲在內部，其續航能力與體積、質量成正比。當PVHP系統的容量較大時，采用蓄電池后的體積和質量將是難以承受的。鉛酸蓄電池的體積能量密度約為90Wh/L，質量能量密度約為35Wh/kg，若要驅動1個6HP的制冷壓縮機以恒定功率運行8小時，則所需的蓄電池的體積將會達到390L，而質量將會超過1噸。可見在大型光伏熱泵系統中大量使用蓄電池是不現實的。

第五，在有蓄電池的光伏發電系統中還必須配備DC-DC變換器(充電控制器)，它在太陽能電池板和負載之間起緩沖的作用，以調節光伏板的輸出功率，并按照一定的充電控制策略向蓄電池充電。DC-DC變換器的存在可提高光伏效率，但是DC-DC變換器本身也存在一定的效率損失，并且增加了系統的成本和復雜度。

從系統結構上分析，現有的帶蓄電池的光伏熱泵系統中，所使用的壓縮機大都是定頻壓縮機，通過逆變器將直流電逆變成交流電后驅動交流壓縮機運行。在這種方案中，逆變器是連接在蓄電池上的，逆變器的直流母線的電壓就是蓄電池電壓。由于蓄電池的穩壓作用，逆變器的母線電壓也基本是穩定的(實際上有一個很小的浮動范圍)。因此即使負載是不可變速的定頻壓縮機，它也能夠平穩運行。