[发明专利]一种光伏太阳能热泵复合系统

说明书

技术领域

本发明涉及天然气管道输运领域，尤其是涉及一种光伏太阳能热泵复合系统。

背景技术

天然气在长距离输运的过程中，需要较高的压力以提供运输动力(例如，西气东输二线一般在8～12MPa)，而当天然气到达分输站后，为满足下游用户的压力(一般在1.5～4MPa)需求，需要在分输站进行调压。高压天然气经调压阀调压后，压力降低，同时由于焦耳-汤姆逊效应会使温度骤降至冰点以下。低温天然气在运输工程中，尤其在冬季，会导致调压后的天然气埋地管道(8)周围土壤冻结，发生“冻胀”现象。

管道冻胀会造成部分地面、墙体出现裂痕，部分管道在冻胀载荷作用下会发生变形，甚至出现天然气管道阀体离开阀座，造成天然气泄露，对分输站的安全运行造成极大地影响。因此，必须采取有效的措施解决来冻胀问题，以确保分输站的安全运行。

目前已有的解决天然气冻胀问题的方法中，最常见的是换土、防水或排水的方法，这些方法都是通过减少土壤中的水分来降低发生冻胀的可能性，但这些方法不能彻底解决冻胀问题。还有管沟方法，此方法是将天然气管道周围砌成防水水泥管道，但这种方法没有对天然气管道进行换热，冷量未被带走，因此在分输站外与土壤接触的天然气管道依然会吸收土壤的热量，依然会造成管道冻胀；同时，目前最常用的方法是在天然气管道的调压阀前设置电加热器的方法，由于加热过程中最小量不确定，采用固定式加热方式造成大量一次能源浪费；此外，也有采用热管组件，将地下恒温层热量传输到冻胀位置的方法，该方法不消耗高品位电能且对天然气管道附近土壤加热相对均匀，但该方法实施过程中，由于土壤层热阻较大，与热管换热较慢，使得由于天然气管道没有得到及时地热补偿依然会造成管道冻胀。

而光伏太阳能热泵以太阳能作为吸热热源的节能制冷供热设备，与普通热泵相比，在同样的环境温度下，太阳能加热使循环工质的蒸发温度得以提高，机组的制热性能系数COP较普通热泵有了明显的提高。太阳能热泵在工质冷凝阶段会向高温环境释放大量热量，这部分热量冬季用于室内制热，而在夏季通常会直接排向大气，造成热能浪费。

综上所述，可以发现高压天然气在调压过程中会产生大量的冷能，并且由于天然气管道的冷量未被及时带走会产生管道冻胀现象，而光伏太阳能热泵在工质冷凝阶段会放出大量的热能。如何提供一种系统，基于冷热源相互充分利用原则将两个过程整合，通过合理的工艺流程设计不仅能够解决天然气埋地管线的冻胀问题，而且可以实现节能，减少高品位电能的使用，是节能减排的形势下需要迫切解决的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种防冻胀、效果好、经济性好、节能环保、发电效率高、减缓热岛效应、应用范围广的光伏太阳能热泵复合系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种光伏太阳能热泵复合系统，该系统包括：

太阳能热泵循环回路：通过接收太阳能并将其转化为热能，驱动循环工质与天然气埋地管道进行热交换；

太阳能发电支路：与太阳能热泵循环回路连接，将太阳能转化为电能，并回馈给太阳能热泵循环回路；

辅助工质支路：与太阳能热泵循环回路连接，在不同季节不同温度下通过不同的运行模式辅助太阳能热泵循环回路进行热量交换；

控制装置：包括温度检测器、控制器以及分别设置在太阳能热泵循环回路、太阳能发电支路和辅助工质支路上的截止阀，所述的控制器分别与截止阀和温度检测器连接。

所述的太阳能热泵循环回路包括依次通过热泵管道连接形成回路的太阳能光伏蒸发器、压缩机和天然气管道换热设备，所述的太阳能热泵循环回路的热泵管道设有循环工质，所述的热泵管道上还设有节流阀。

所述的太阳能光伏蒸发器包括聚集玻璃层、保温层和工质管道，所述的聚集玻璃层和保温层由外到内依次设置，所述的工质管道设置在保温层中，并且与热泵管道连通。

所述的循环工质为R290工质。

所述的天然气管道换热设备套设在天然气埋地管道外部，包括铜壁面和蛇形换热支管，所述的铜壁面的截面为正方形，且内表面与天然气埋地管道接触，所述的蛇形换热支管沿铜壁面的外表面依次分布，并且与热泵管道连通。

所述的太阳能发电支路包括光伏电池和蓄电池，所述的光伏电池、蓄电池和压缩机依次连接，所述的光伏电池设置在聚集玻璃层和保温层之间。

所述的辅助工质支路包括与光伏蒸发器并联的室内风冷蒸发器和室外风冷蒸发器，所述的室内风冷蒸发器和室外风冷蒸发器分别通过三通阀与热泵管道连接。