《1 系统概述》
1 系统概述
在世界范围内, 随着能源紧张和环境问题的日益凸显, 太阳能作为一种清洁的可再生能源, 日益受到人们的重视。太阳能热泵SAHP系统 (solar-assisted heat pump, SAHP) 是太阳能利用的一种方式, SAHP系统将具有热输运性能的热泵装置和太阳能集热结合在一起, 可以同时提高热泵的性能和太阳能的热利用效率。近年来, 美国、日本、墨西哥、中国等国家的一些学者, 对太阳能热泵SAHP系统从不同侧面进行了大量的探索
作者提出一种新型的太阳能热泵系统:光电/光热综合利用的太阳能热泵系统 (PV/T solar-assisted heat pump, PV/T-SAHP) 。在PV/T-SAHP系统中, 光伏组件与热泵装置的蒸发器结合成一体, 系统接收到的太阳辐照中, 短波部分被光伏电池转化为电流输出, 长波部分用作热泵蒸发器的热源, 使太阳能从光电、光热两个方面得到综合利用。
PV/T-SAHP系统原理如图1所示。系统主要包括压缩机、冷凝换热器、毛细管、PV/T蒸发器、风冷蒸发器、控制系统等部分。其中, PV/T蒸发器包含光伏组件, 提供电流输出, 以供系统热泵运行所需要的全部或者大部分电能需求。热泵循环通过PV/T蒸发器吸收太阳辐照, 在冷凝加热器处输出高温热能, 同时降低了光伏组件的温度, 提高其发电效率。风冷蒸发器是系统的辅助换热器, 在冬季或阴雨天等阳光辐照较弱时开启, 从环境中吸收热量来弥补PV/T蒸发器吸热量的不足, 保证热泵系统的正常运行。
PV/T-SAHP系统可以维持PV/T蒸发器在较低温度下工作, 同时提高了PV/T蒸发器电效率和热效率。由于辐照强度和热泵循环的综合作用, 光伏组件表面温度有时候会低于环境温度。在这种情况下, PV/T蒸发器不存在任何热损, 还可以从环境中吸收热量, 作为系统辐照的辅助热源。
《2 系统模型》
2 系统模型
PV/T-SAHP系统模型主要包括:PV/T光电光热模型和热泵热力循环模型两部分。系统模型可以模拟在全天过程中PV/T-SAHP系统性能参数的动态变化。通过系统模型还可以分析PV/T模块的面积、倾斜角、管间距等参数对系统性能的影响, 便于系统的优化配置。
《2.1PV/T蒸发器模型》
2.1PV/T蒸发器模型
PV/T蒸发器由光伏电池、导热铝板、工质盘管、绝热层和铝质框架构成, 具体结构如图2所示。光伏电池与导热铝板紧密贴合在一起, 工质盘管平行焊接在导热铝板的背面, 相邻两平行工质盘管之间的距离称为管间距L0。光伏电池、导热铝板、工质盘管三者之间导热良好, 铝板的背面有绝热层围护。
PV/T蒸发器的局部结构如图3所示, 由于热泵工质在两相区的温度变化很小, 因而可忽略PV/T模块在y方向的热传导, 则对于肋片微元, 建立如下方程:
上式中, PV/T蒸发器与环境的换热系数Ul主要包括两部分:
其中, PV/T蒸发器背部有绝热层围护, 其背部换热系数Ub可忽略;蒸发器上表面的换热系数Ut包括对流换热hc和辐射换热hr两部分, 分别按下式计算
热泵工质R22与PV/T蒸发器之间的换热, 通过导热铝板和工质盘管传递。盘管内壁与R22之间的换热系数按Dittus-boeler换热关联式计算
单相区:
其中h为换热系数 (W/ (cm2 k) ) ;G为流率 (kg/ (cm2·s) ) ;两相区:d为管径 (m) 。
光伏组件的发电功率E与电池温度相关, 其表达式为
式中, 标定辐照Ie为970 W/m2;标定面积Ae为0.485 m2;系数a为66.42 W;系数b为-0.244 W/K。
PV/T模块蒸发器的光电光热综合效率
其中,
式中Ac表示PV/T蒸发器的辐照面积, hin, hout表示热泵工质在PV/T蒸发器进、出口的焓值。
《2.2热泵系统模型》
2.2热泵系统模型
PV/T蒸发器接收到的太阳辐照, 部分转换成电流输出, 其余大部分转换成热能, 作为热泵系统的热源。辐照热能被PV/T蒸发器吸收后, 通过热泵装置提高其温度和品质, 在冷凝换热器输出。热泵循环同时还可以降低PV组件的温度, 提高其光电转换效率。热泵的热力学循环过程如图4所示。
在冷凝器中被冷凝后的工质R22, 首先经节流过程7-8在膨胀阀或毛细管中被节流降压;然后, R22工质进入PV/T蒸发器的工质盘管, 在PV/T蒸发器中经过程8-1-2逐步吸热气化, 充分换热后达到过热状态点2;过热气体经压缩机压缩升温后到达压缩机出口状态点3, 同时进入冷凝换热器入口;过程3-5-6-7为R22工质在冷凝换热器内的冷凝过程, 工质R22在冷凝器出口点7呈过冷状态;随后过冷工质又进入毛细管, 开始新的循环。在PV/T-SAHP的系统模拟中, 热泵工质R22热物性的计算主要采用表1中所列的方程
Table 1 Thermodynamics functions of R22
《表1》
R22物性函数 | 计 算 方 程 式 |
定容比热容 | cv0=0.041 35T4r-0.219 60T3r+0.290 43T2r+ 0.310 10Tr+0.204 28 |
气相区压力 | |
气相区焓 | |
气象区熵 | |
饱和液体焓 | |
饱和液体熵 | |
饱和液体密度 | ρ′=ρcexp{a1 (1-Tr) 1/3+ a2 (Tr-1) [0.2 (Tr+1) 2+0.5]} |
湿蒸汽焓 | hx=xh″+ (1-x) h′ |
湿蒸汽熵 | sx=xs″+ (1-x) s′ |
饱和蒸汽压 | ps=pcexp[RilnTr+ (Ri-4+Pα) φ (Tr) ] φ=4[ (Tr-1) /Tr]+ (Tr-1) [0.2 (Tr+1) 2+0.5]-5.3lnTr |
PV/T-SAHP系统在运行过程中, PV/T蒸发器被阳光直接照射, 蒸发温度随阳光辐照的强弱而变化, 热泵装置中的压缩机工况也随之明显波动。文献
其中:F1 (Tk, Te) 和F2 (Tk, Te) 是关于Tk, Te的拟和修正函数。
毛细管的流量计算用文献
其中, C1=0.249 029, C2=2.543 633, C3=-0.427 53, C4=0.746 108, C5=0.013 922
《3 PV/T-SAHP系统的性能模拟和结果分析》
3 PV/T-SAHP系统的性能模拟和结果分析
取合肥市 (东经117.23°, 北纬31.87°) 5月份典型晴天 (2004年5月9日) 的气象数据为计算基础, 当天的平均干球温度22.97℃, 平均直射辐照661.68 W/m2, 平均散射辐照32.38 W/m2, 环境风速取4.5 m/s。计算气象数据取自清华3E暖通空调网站
系统用单晶硅光电池特性如下:开路电压0.627 V, 短路电流5.115 A, 最大功率2.402 W, 最大功率点电压0.529 V, 最大功率点电流4.583 A, 单片电池效率15.4 %。测试辐照强度1 000 W/m2, 测试温度25 ℃, 测试电池面积156.250 cm2。
其他计算参数:压缩机为滚动转子式, 额定功率为1 200 W;热泵工质为R22;盘管直径12 mm;导热铝板传热系数为237 W/ (m·K) ;铜管导热系数401 W/ (m·K) ;PV模块上表面的发射率为0.9;吸收率为0.85;冷凝器进水温度为20℃;出水温度50℃。
为了分析PV/T-SAHP系统中不同的PV/T蒸发器面积Ac、倾斜角β和管间距L0对系统性能的影响, 计算中, Ac分别取6 m2, 9 m2, 12 m2, 15 m2;β分别取0°, 10°, 20°, 30°, 40°, 50°, 60°, 70°, 80°, 90°;L0分别取0.1 m, 0.2 m, 0.3 m, 0.4 m, 0.5 m。以下分析中, 如不特殊说明, 默认对象Ac 为9 m2、倾角30°, 管间距0.2 M的系统。计算结果参见图6~图15。
《图7》
![图7不同PV/T蒸发器面积时光伏电池平均温度、平均电效率随时间的变化](/views/uploadfiles/download/GCKX200609007_053.jpg)
图7不同PV/T蒸发器面积时光伏电池平均温度、平均电效率随时间的变化
Fig.7 Effect of module area on average temperature and average power output with E-efficiency with time
《3.1系统的太阳能综合利用效率》
3.1系统的太阳能综合利用效率
从图7和图8可以看出, PV/T-SAHP系统的电功率随着太阳辐照强度的增强而升高, 而电效率却随着阳光辐照强度的提高而呈降低趋势。早晨时, PV组件电效率最高可达15.4%, 中午降到13.7%, 下午又逐步回升, 全天平均发电效率
这主要是因为PV组件与热泵蒸发器结合成一体, 热泵工质的蒸发吸热使得PV组件的温度明显低于普通光伏PV组件的工作温度, 光电效率得以提高。
《图15》
![图15不同时间冷凝加热功率随倾斜角的变化](/views/uploadfiles/download/GCKX200609007_065.jpg)
Fig.15 Variation of condenser heat power with tilt angle for different time
《图16》
![图16不同时间发电功率随倾斜角的变化](/views/uploadfiles/download/GCKX200609007_066.jpg)
Fig.16 Variation electrical power output with tilt angle for different time
计算还显示, 全天平均PV/T蒸发器热效率
《3.2PV/T-SAHP系统的热性能》
3.2PV/T-SAHP系统的热性能
从图6和图10可以看出, 热泵系统的冷凝加热功率和COP都随着太阳辐照的升高而增大。冷凝加热功率由早晨时的3.5 kW提高到中午时的5.7 kW, 这种加热功率的大范围变化, 主要是因为PV/T蒸发器受阳光直接照射, 辐照热源的强弱对热泵加热功率有较大影响。光照增强时, 加热功率和COP都会加强, 反之下降。另外, 也是因为热泵蒸发器被阳光直接照射, PV/T-SAHP系统的蒸发温度要高于普通热泵, 性能系数COP也较普通热泵系统有明显提升。计算表明, PV/T-SAHP系统全天得到的能量收益为2.2×105 kJ。PV/T-SAHP系统的平均COP为4.66, 明显高于普通热泵的性能系数3.25 (环境温度25℃)
《3.3PV/T-SAHP系统的运行耗能》
3.3PV/T-SAHP系统的运行耗能
对整个系统来讲, 热泵装置的运行消耗电能, 光伏组件可以输出电能, 两者之差是系统的实际耗电量。从图9中可以看出, 从8:15到15:00这段时间内, 光伏组件的发电功率大于热泵耗电功率;在其余的4个多小时内, 发电功率低于耗电功率。从全天的总量来看, 全天累计耗电量为13.2 kW·h, 而发电量为12.7 kW·h。取光伏逆变、蓄放电装置的效率为0.75, 则系统的全天实际耗电量为3.8 kW·h。若由普通热泵 (COP取2.7) 来提供同样的热量收益, 则需耗费22.9 kW·h, 是PV/T-SAHP系统耗电量的6.0倍。
实际运行中, 如果热泵压缩机间断运行, 系统则可以得到一定的净电量输出。例如, 热泵压缩机仅在辐照较强的10:00~14:00运行, 其他时间停止。在这种运行情况下, PV/T-SAHP系统除了可以满足自身的热泵用电需求外, 每天可以输出近6 kW·h的电量。
《3.4PV/T模块结构参数对系统性能的影响》
3.4PV/T模块结构参数对系统性能的影响
管间距L0的变化不论对系统的整体性能, 还是对PV/T模块的温度分布、效率分布等局部参数, 都会产生明显的影响。图11和图12显示, 管间距的增大会降低系统的平均电效率和冷凝加热功率, 其中, 冷凝加热功率的下降更为明显。在管间距为10 cm和50 cm的两种系统中, 最大加热功率分别为5 kW和6.4 kW, 两者相差28%。
图13和图14给出了不同管间距L0时, 光伏电池的电效率和温度随相对距离 (2X/L0) 的变化。当管间距为10 cm时, 光伏电池温度在x方向上的最大温差约为1.3 ℃, 光伏效率最大差异为0.1%;而当管间距增大到50 cm时, 光伏电池在x方向上的最大温差和最大电效率差分别为22.2 ℃和1.5%。显然, 较小的温度差异和效率差异, 更有利于光伏电池的稳定运行。
从图6~图10可以看出, 辐照面积增大虽然会导致系统的发电效率的下降, 但会促进发电总量、COP、冷凝加热功率等重要参数的提高。
从图15、图16可以看出, 在合肥地区的5月份, 当倾斜角在0~30°之间变化时, 冷凝加热功率和PV发电功率波动很小, 倾斜角变动对系统性能影响不大。但当倾斜角超过了30°, 特别是增加到90°, 竖直放置时, 系统的加热功率和发电功率都有较大的下降, 分别只有最大值时的75% 和 23%, 其中电功率的下降更为明显。当倾斜角在10~15°之间时, 系统的加热功率和发电功率达到最大值。
《4 结论》
4 结论
由分析结果可以得知, PV/T-SAHP系统可以极大提高单位面积上太阳能的综合利用效率, 系统PV/T蒸发器的光电/光热综合效率高达84.7%, 系统的发电效率与普通光伏系统相比约提高了16.0%。PV/T-SAHP系统的性能系数COP与普通热泵相比, 提高了43.0%。在考虑系统的自身发电量后, 运行耗能只及普通风冷热泵的1/6。
系统中PV/T蒸发器的面积、管间距和倾斜角均对系统性能产生一定影响, 但系统结构参数的最优化选择, 要根据不同地区的气象参数, 综合考虑年均效率和经济分析后才能最后做出。
符号表
《图17》
![](/views/uploadfiles/download/GCKX200609007_12500.jpg)
《图18》
![](/views/uploadfiles/download/GCKX200609007_12501.jpg)