平板型太阳能光伏_光热一体化热泵热水系统特性

1、檭檭檭檭檭殐研究论文平板型太阳能光伏光热一体化热泵热水系统特性徐国英， ， 张小松 ， 赵善国（ 东南大学能源与环境学院， 江苏 南京 ； 常熟市东南应用技术研究院， 江苏 常熟 ）摘 要： 研究了一种平板型太 阳 能 光 伏光热一体化热泵 （） 系 统， 制 冷 剂 直 接在太阳能光伏 板背面盘管内吸热而蒸发， 以降低光伏电池工作温度， 保证其高效稳定地输出电能； 集热器同时作为蒸发器， 所收集的热量经热泵循环进行温度提升， 为建筑提供生活热水、 供暖和驱动制冷空调。 对平板型 热水 系统在南京室外的一个夏季晴天工况下循环加热 水至 进行了实验研究， 探讨了太阳总辐照度、 光伏 集热器工作温

2、度以及光电输出控制方式对系统光 电、 光热综合输出特性的影响规律； 对比实验得出了在热电联 供模式下， 系统发电量比无冷却的单一光电输出模式下相对高出 。关键词： 太阳能热泵； 光伏光热一体化； 集热蒸发器 ； 光电特性：中图分类号：文献标志码：文章编号： （）， ， ，（ ，；，）： （） ， ， ， ， ， ， ， ， ：； 收到初稿， 收到修改稿。联系人及第一作者： 徐国英 （）， 女， 博士， 讲师。基金项目： 国家自然科学基金青年科学基金项目 （）；国际科技合作计划课题项目 （）。： ，： （） （）檭檭殐檭檭殐高效稳定地输出电能； 吸收的热能经热泵循环实现热源温度提升， 用来加热热

3、水， 获取的热水可为建 筑提供全年生活热水、 冬季采暖或夏季作为驱动制 冷空调系统的辅助热源。 热力循环压焓图见图。引 言由于只有一定光谱范围内的太阳能可以产生光 电效应， 实际投射到光伏电池板上的太阳能只有不 到 左右转化为电能输出， 而剩下近 都 转 化为热能排放 到 环 境 中。 光 伏光 热 一 体 化 （ ） 系统使用循环流体直接将光伏电池组件产生的 热量移走并有效利用起来。 一方面， 系统提 供电能同时为光伏系统增加了极具吸引力的 “热能 附加值”； 另 一 方 面， 系 统 降 低 了 光 伏 电 池 的工作温度， 每降低 ， 晶体硅电池的光电转换 效率 平 均 可 提 高 。

4、因 而 在 低 温 热 水 加热系 统 （如 泳 池 加 热 ）、 建 筑 一 体 化 光 伏 系 统（） 热回收辅助建筑供暖通风， 以及农作物干 燥、 温房加热等应用领域具有优势和发展潜力， 吸 引了国内外学者进行研究。用于建 筑 能 源 供 应 的 系 统， 现 有 研 究 大多是采用空气回收热的 通风系统和采用水 循环集热的热水系统。 由于晶体硅电池的负温度效 应和热需求之间的矛盾， 热输出温度升高， 光电效 率随之下降， 考虑当前光伏电池的高昂成本， 直接集热系统并不适宜在较高温度下工作， 用于 提供生活热 水 和 供 暖 还 需 辅 助 加热或设置蓄热系 统。 与热 泵 有 机 结

5、合 的 光 伏光 热 一 体 化 热 泵（） 可实现高 效 率 的 热、 电 联 供， 太 阳能光伏集热蒸发器的结构设计及优化是研究重 点之一， 如等设计了一种吹胀式铝板结构， 等改进管板式光伏集热蒸发器为带 形铝 槽结构，等开展了多孔扁管 集 热 结 构、 低倍聚光型 的理论与实验研究。 另一方 面， 目前为数不多的 研究中， 重点大多 是系统集热性能和热泵热力性能， 对系统光电特性 的研究局限于简单的理论计算和对发电效率的实验 结果分析， 本文将分析外界环境工况和内部运行参 数对系统光电、 光热特性的影响， 并结合 光电 输出控 制 方 式， 对 系 统 的 热 力 特 性 与 输出特性进

6、行耦合分析。图基于 的建筑热电联供系统 图系统热力循环压焓图 实验系统介绍 热水系统本文研究的平板型 热水实验系统采用 为热泵循环工质。平板型光伏集热蒸发器（）尺寸为××，集 热面积 ， 其中光伏电池面积为 ， 见图。 光伏组件各断层从上至下依次为： 超白钢化玻璃（ ） （ ） 光 伏 电 池片 （） （ ）（ ）铝板（ ）。 × 圆 铜 管 作 为集热蒸发管通过导热胶紧密粘贴于铝板下方，同 厚度的保温层一起装入铝合金边框，完成封装。 制冷剂分四路进入集热蒸发管，分别以蛇形方式流 动，管间距 ，总管长，在出口 处汇集后进入压缩机吸入口。系统采用的压缩机汽缸 工作容

7、积为，套管冷凝器总管长 。光系统工作原理基于太阳能光伏光热一体化热泵的建 筑 热 电 联供系统如图 所示。 制冷剂直接在太阳能光伏板 背面的集热管道内吸收太阳辐射热能 （或同时包括 空气热能） 而蒸发， 光伏电池在制冷剂相变冷却下的比值 （） 实验运行特性分析 循环热水系统制热性能在南京地区一个晴天对 系统将储水箱中 水循环加热至 过程进行性能测试。自： 至： 的测试期间， 太阳总辐照度 随时间波动变 化 如 图 所 示， 平 均 值 为 · ； 环境温 度 从 上 升 至 ： 时 最 高 值 ， 之后 逐 渐 下 降， 平 均 值 为 ； 环 境 空气平均相对湿度为；平均风速为 &

8、#183; ； 水箱初始 水 温 为 ， 循 环 水 流 量 维图平板型太阳能光伏集热蒸发器 伏组件 输出直流电通过光伏 控 制 器 对 规格的液体电解蓄电池组进行充电。持在（±） · 。实验测试方案采用小型自动气象站对平面太阳辐射强度、 空 气温度、 湿度、 风速等气象参数进行采集， 并在光 伏集热器所在倾斜面上放置 太阳总辐射表 以测量该倾斜面太阳总辐照度 。测 量 参 数 包 括：热 泵 性 能 参 数 的 测 试 集热蒸发器进口处 制 冷 剂 温 度 和 压 力 ， 压缩机进气温度 和压力 ， 压缩机排气温度 和 压力 ， 冷凝器出口处制冷剂温度 和压力 ；循环水体

9、积流量 ， 冷凝器进、 出口水温，和 ，； 光伏集热蒸发器沿长度方向 个位置的温 度 、 、 ； 压 缩 机 耗 功 和 水 泵 耗 功。 下文中热泵冷 凝 温 度 是 根据 制冷剂热物性由压 力 换算得到。热泵制热量， 即冷 凝 器 放 热 量 ， 通 过 直 接 测量冷凝器进、 出口水温和水流量计算图倾斜面太阳总辐照度 随时间的变化 系统循环加热热水过程各运行温度特性参数如 图 所示。 实验中热 泵 开 启 后 内， 由 于 光 伏集热蒸发器的初始板温较高， 压缩机吸气温度 过高， 压缩机排气温度 迅 速 上 升 至 ； 随 光 伏集热蒸发器板不断被冷却， 在 ： 之 后 测 试 时间内，

10、 热泵进入相对稳定运行阶段。 随着加热时 间的推进， 循 环 水 温 度 不 断 升 高， 冷 凝 温 度 从 不断升至 加 热 终 止 时 的 ， 排 气 温 度 则 不 断升至 。 系统运行至： 之前， 由于太阳辐照度和环境温度整体上呈升高趋势， 在水温持续升高过程中蒸发温度 具有相对较快的增长速率， 从 升高至 ， 而单一的太阳辐射波动仅 引起 和 产生很小的波动； 在： 时， 太阳 辐照度出现下降趋势， 蒸发器的热量减少， 实验 值的变化曲线趋于平缓并开始下降， 出水温度和冷 凝温度的增加速率也开始减慢。 ， （，）（）热泵性 能 系 数 为 热 泵 输 出 热 量 和 压缩机耗功 的

11、比值光伏组件电输出参数的测量（）本实验光伏控制器采用 的是恒电压跟踪 （） 控 制 方 式，通过直接测量光伏组件输出电压和输出电流而获得实时输出功率（）考虑光伏电池的工作点常常不在最大功率点附近， 即实 际 输 出 效 率 要 低 于 光 电 转 换 效 率 ， ， 定义系统的光电输出效率 为 单 位 面 积 光 伏 电 池 实际输出电功率与电池所在平面入射太阳总辐照度图基于蒸发温度归一化温差的瞬时热量收益系数 图系统运行温度参数随时间的变化 （）化温差的集热器瞬时 曲线。 根据理论计算公式 进行线性拟合， 该曲线方程为热泵 受到环境工况（太 阳 辐 射、 空 气 温湿度、 风速等） 和循环水

12、温度的综合影响。 由图可见， 在： 之前， 循环水温度持续升 高 的 同 时太阳辐 照 度 呈 波 动 状 整 体 升 高， 在 之间波动， 之后由于水温不断升高和太阳辐照 度的逐渐 降 低， 开 始 明 显 下 降， 将 水 加 热 至 的整个过程平均 为。（）（）可以 得 出： 系 统 运 行 在 的 工 况 下，在 之 间， 这 表 示 光 伏集 热 器 同 时 吸 收太阳辐射能和空气中热量； 反之， 若运行在 工 况， 将 降 至 以 下， 并 随 着 蒸 发 温 度和环境温度之间温差的增大而降低。 循环热水系统光电输出特性分析图 为该天气工况下光伏电池每 间隔内 平均输出功率和效率随

13、时间的变化。 单位面积光伏 电池输出功率与太阳总辐照度 的波动同 步， 随 的增加而增加， 且变化幅度略微大于 变化幅度， 光电输出效率 保持在 之 间， 但随时间推进整体上有逐渐增加的趋势。为了更好地解释上述的变化规律，将光伏电图 系统热泵 随时间的变化 光伏集热蒸发器的集热性能集热效率是太阳能集热器最重要的一个性能参池的工作状态在对应工作温度的功率电压（）数，由于光伏集热蒸发器低于环境温度工况时，可能出现 集 热 效 率 集 热 器 表 面 吸 收 率， 甚 至 大 于的情况。 为了避免与一般意义上理解的集热效 率 （定义在流体温度高于环境温度工况下） 产生混 淆，本文实验结果分析中统一定

14、义 为光伏 集热蒸发器的热量收益系数，而不是集热效率。实验中随 着 热 水 不 断 升 温， 板 温 在 范围 与 变 化 趋 势 一 致， 制 冷 剂 与 光 伏 板之间存在 传 热 温 差。 图 所 示 为 实 验 得到的基于集热流体进口温度 （即蒸发温度） 归一图光伏电池输出功率和输出效率随时间的变化 曲线图上进行描述并分析， 如图 所示。 本实验系统光伏输出采用恒电压控制方法，循环加热热水过 程中光伏集热器工作温度不超过 ， 在此温度范围内光伏电池始终工作在最大功率点（） 左侧区域，也就是说， 当输出电压 一定时， 与 基本呈正比， 将不受 影响而保持不变。 但 本实验期间随时间升高的

15、原因在于实验系统的蓄 电池容量很小，充电过程蓄电池电压逐步升高， 而 对于充电控制系统， 升高时充电电压也相应被小 幅度拉高，从而引起随之而升高。如果采用较大 的蓄电容量，短期的充电过程中变化并不明显， 将不会对产生明显的影响。图 两种工作模式下 板温的变化 图 为两种工作模式下光电输出效率的对 比： 在 热电联供模式下， 光电输出效率 基本保持在 左右， 受太阳总辐照度 变 化的影响 很 小； 而 在 单 一 光 电 输 出 模 式 下， 则在： 时 由 最 初 的 左右明显开始 下 降，直至测量结束时的 左右。图系统光伏电池工作状态在 特性曲线上的描述 系统热电联供与单一光电输出模式 的光

16、电性能对比在南京 夏 季 的 两 个 天 气 情 况接近的晴天工况 下， 通过开启或关闭系统压缩机分别对 系统热电联供模式和单一光电输出模式的运行特性 进行测 试： 热 电 联 供 模 式 （ 模 式 ）， 测试期间， 热泵压缩机开启， 环境空气温度逐渐从 上升到 ， 太阳总辐照度稳定在图两种工作模式下光电输出效率随时间的变化 将两种工作模式下光伏电池的工作状态在如图 所示的对应工作温度的 曲线图上进行描述并 分析。 热电联供模式实验过程中， 蓄电 池充电电压为， 光伏电池在 · 之 间； 单 一 光 电 输 出 模 式（ 模式）， 系统热泵压缩机 关 闭， 系 统 仅 有 光 伏

17、电 池 输出电能， 而无热量输出， 测试期间环境空气温度逐 渐从 上升到 ， 倾 面 上 太 阳 总 辐 照 度 稳定在 · 之间。如 图 所 示， 热 电 联 供 模 式 下，制冷剂 流 过 板 背 部 的 蒸 发 管， 使 得 板温稳定在 ； 而 在单 一光电输出模式工 作时， 板 温 度 分 布 均 匀， 并 在 上 午 ： 时达到 ， 之后最高升至 。· ， 工况下工作在点 附 近，点 处于最大功率点 （） 左 侧 较 远 位 置， 此时在 范 围内温度变化时 并 不 会 引 起 实 际 输出功率的变化； 单一光电输出模式实验过程中， 蓄电 池 电 压 由 最 初

18、的 升 高 至 ， 在 · ， 工况下光伏电池工作在 过程线附近， 最初工作点 已经接近 位置， 输出电压（） 高于点 的（） ，因此其输出效 率 （） 也 略 高 于）， 但 之 后下角标 进口状态 出口状态， 热泵循环制冷剂的各状态点（ 板温持续升高和工作点电压的升高， 光伏电池进入 右侧工作区域， 在此区 域 光电输出对温度和 电压的变化 非 常 敏 感， 因 而 从 点 之 后， 输 出 电 流和功率都急剧下降，也随之有明显降低。需要说明的是， 尽管图 是示意 · 特定工况 下 的 运 行 特 性， 但 在 稳 定 较 强 情 况下， 输出电流和功率基本随 呈比例变化， 且 最大功率点电压 基 本 不 变， 对 的 直 接 影 响很小， 因而整个测试过程不同 工况下的变 化特性可通过图 来反映。 ， （）： ， ， （）： ： ， （）： ， （）： （季 杰 ）， （陆 剑 平 ）， （何 伟 ）， （周 天 泰 ）， （裴 刚