《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[1,2,3,4,5,6]

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。

《图1》

图1PV/T-SAHP系统原理

图1PV/T-SAHP系统原理  

Fig.1 PV/T solar-assisted heat pump system

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。

《图2》

图2PV/T蒸发器结构图[1]

图2PV/T蒸发器结构图[1]  

Fig.2 Diagram of PV/T evaporator

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:

{Τt=kρC2Τx2+[Ul(Τa-Τ)+Ι(τα)]k(ΤX)x=L0/2=0k(ΤX)x=0=πDh2δ(Τr-Τp)Ττ=0=Τa(1)

《图3》

图3PV/T蒸发器局部放大图

图3PV/T蒸发器局部放大图  

Fig.3 Part diagram of PV/T evaporator

上式中, PV/T蒸发器与环境的换热系数Ul主要包括两部分:

Ul=Ut+Ub(2)

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[7]:

hc=2.8+3.0Vw(3)hr=εσ(Τp4-Τsky4)(1+cosβ)2(Τp-Τa)+εσ(Τp4-Τa4)(1-cosβ)2(Τp-Τa)(4)Τsky=0.0552Τa15(5)

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[8]:

单相区:

Νu=0.023Re0.8Ρr0.3(6)Νu=hdk,Re=Gdμ(7)

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) 。

hlp=h[(1-x)0.8+3.8x0.76(1-x)0.04Ρr0.38](8)

光伏组件的发电功率E与电池温度相关, 其表达式为[9]:

E=Ι[a+b(Τp-298.15)]ΙeAe(9)

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η¯由下式表示:

η¯=η¯t+η¯e(10)

其中, η¯tη¯e分别表示PV/T蒸发器热效率和PV/T蒸发器电效率:

η¯t=τ1τ2mact(hout-hin)dτAcτ2τ1Ιdτ(11)η¯e=τ1τ2EdτAcτ1τ2Ιdτ(12)

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。

《图4》

图4热泵系统的热力学循环过程

图4热泵系统的热力学循环过程  

Fig.4 Thermodynamics cycle of heat pump

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[10]

表1R22的热物性计算方程

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
p=10RΤcΤrρ[1+i=19(j=03bij/Τrj)ρi]

气相区焓
h=-[Τr(pΤr)ρ-p]ρ-2dρ+pρ+cv0dΤ+492.348

气象区熵
s=-Τc-1(pΤr)ρ-2dρ+cv0ΤdΤ+4.1745

饱和液体焓
h=h-0.1ΤrΤc(1ρ-1ρ)dρsdΤ

饱和液体熵
s=s-0.1(1ρ-1ρ)dpsdΤ

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[11]中提出的压缩机修正模型, 对大范围变工况下工作的压缩机具有较好的计算精度。具体形式如下:

mact=mthF1(Τk,Τe)(13)Νact=ΝinF2(Τk,Τe)(14)mthνsuc=60λvλpλΤλDnπR2Lε(2-ε)(15)Νth=VthλΡevmm-1[(ΡcdΡev)m-1m-1](16)Νin=(Νthηi+Νm)/ηmo(17)

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[12]给出的关联式:

m=C1DC2LkC3ΤC410C5×DSC(18)

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[13]。全天逐时气象数据如图5所示。

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5》

图5合肥市5月份典型晴天气象数据

图5合肥市5月份典型晴天气象数据  

Fig.5 Sunshine meteorological data on may in Hefei

《图6》

图6不同蒸发器面积时冷凝加热功率随时间的变化

图6不同蒸发器面积时冷凝加热功率随时间的变化  

Fig.6 Effect of module area on heat power with time

《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

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η¯e为14.3%。发电功率中午最高时可达1.1 kW, 全天的平均发电功率约为0.864 kW。与普通光伏系统的发电效率12.3%相比[9], PV/T-SAHP系统的提高了16.3%。

《图8》

图8不同PV/T蒸发器面积时光伏电池发电功率随时间的变化

图8不同PV/T蒸发器面积时光伏电池发电功率随时间的变化  

Fig.8 Variation of electrical time for different area of module

《图9》

图9系统发电特性和耗电特性随时间的变化

图9系统发电特性和耗电特性随时间的变化  

Fig.9 Variation of electrical power output and electrical input with time

《图10》

图10不同PV/T蒸发器面积时COP随时间的变化

图10不同PV/T蒸发器面积时COP随时间的变化  

Fig.10 Variation of COP for different module area with time

《图11》

图11不同时间系统发电效率随管间距的变化

图11不同时间系统发电效率随管间距的变化  

Fig.11 Effect of space of tube on electrical efficiency with time

《图12》

图12不同管间距时冷凝加热功率随时间的变化

图12不同管间距时冷凝加热功率随时间的变化  

Fig.12 Effect of space of tube on the condenser heat output with time

《图13》

图13不同管间距系统的光伏发电效率随X的变化

图13不同管间距系统的光伏发电效率随X的变化  

Fig.13 Effect of space of tube on electrical efficiency with X

注:X为PV电池微元距管间中心线的距离

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14》

图14不同管间距系统的光伏电池温度随X的变化

图14不同管间距系统的光伏电池温度随X的变化  

Fig.14 Effect of space of tube on temperature of PV/T module with X

注:X为PV电池微元距管间中心线的距离

《图15》

图15不同时间冷凝加热功率随倾斜角的变化

图15不同时间冷凝加热功率随倾斜角的变化  

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

图16不同时间发电功率随倾斜角的变化  

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η¯t为70.4%, 全天的平均电效率η¯e为14.3%, 与目前效率较高的热管真空管装置 (一般热效率60.0%) 相比, PV/T-SAHP系统对太阳能的实际利用效率高出了41.2%。

《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℃) [14], 相似条件下热泵COP提高了43.0%。

《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》

《图18》