光伏太陽能熱泵的動態(tài)分布參數(shù)模擬與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著常規(guī)能源的日益枯竭和環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，太陽能因其清潔、無污染、可再生等顯著優(yōu)點(diǎn)，受到人們的日益重視和青睞。光伏發(fā)電技術(shù)和太陽能熱泵技術(shù)作為太陽能利用的兩種不同方式，近幾十年來得到了迅速發(fā)展。 商用光伏電池組件的光電轉(zhuǎn)換效率約為6～15％，照射到光伏電池表面的太陽能，超過85％的份額被反射或者轉(zhuǎn)換成熱能，其中一部分轉(zhuǎn)化成電池內(nèi)能，導(dǎo)致其工作溫度升高、光電轉(zhuǎn)換效率的下降。為了解決這一缺陷，在光伏電池背面鋪設(shè)流道，利用流體對光伏

2、電池進(jìn)行降溫，改善其光電轉(zhuǎn)換效率，并將流體所吸收的熱量加以利用，即光伏光熱綜合利用(PV/T)技術(shù)。現(xiàn)有的相關(guān)研究主要是針對以水和空氣為冷卻介質(zhì)的PV/T系統(tǒng)進(jìn)行的，相關(guān)研究結(jié)果顯示，以水為冷卻介質(zhì)能夠獲得比空氣更好的冷卻效果，但是水一般要上升到較高溫度(40℃以上)才能有效利用，這不可避免會降低對電池的冷卻效果。熱泵系統(tǒng)的制冷工質(zhì)在蒸發(fā)器中溫度較低而且波動較小，如果采用制冷工質(zhì)對光伏電池進(jìn)行冷卻，既可以使光伏電池維持較低而且穩(wěn)定的工作

3、溫度，提高其光電轉(zhuǎn)換效率，而且可以利用熱泵系統(tǒng)優(yōu)越的熱輸運(yùn)性能，得到遠(yuǎn)高于系統(tǒng)功耗的有效的熱能。 基于上述思想，我們提出了一種新型的光伏太陽能熱泵系統(tǒng)(PhotovoltaicSolar Assisted Heat Pump，PV-SAHP)。該系統(tǒng)將光伏發(fā)電技術(shù)與直膨式太陽能熱泵有機(jī)結(jié)合，在直膨式蒸發(fā)器的吸熱表面層壓光伏電池制成光伏蒸發(fā)器kkex，使系統(tǒng)能夠同時(shí)輸出電能和熱能，提高了對太陽能的綜合利用效率。 本文采用分

4、布參數(shù)法建立光伏蒸發(fā)器的動態(tài)模型，在模型中考慮由于摩擦所導(dǎo)致的工質(zhì)的沿程壓降及其對氣、液兩相工質(zhì)的密度、飽和溫度、比焓等物性參數(shù)的影響。以此基礎(chǔ)，對光伏蒸發(fā)器在給定進(jìn)口參數(shù)和外界環(huán)境參數(shù)下全天的動態(tài)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，并通過相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。研究發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)器的光電、光熱性能和工質(zhì)的壓力、溫度等相關(guān)參數(shù)的變化主要取決于太陽輻照強(qiáng)度：環(huán)境溫度對蒸發(fā)器得熱量和光熱效率會產(chǎn)生一定的影響，隨著環(huán)境溫度的升高，有效減小了蒸發(fā)器的熱損，提高了蒸發(fā)器

5、的得熱量和熱效率。數(shù)值模擬所給出的蒸發(fā)器的光電、光熱性能和光伏電池、集熱板的溫度分布與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果基本吻合，但是計(jì)算得到的制冷工質(zhì)壓降比實(shí)測的壓降偏小。 以蒸發(fā)器模型為基礎(chǔ)，建立PV-SAHP系統(tǒng)的動態(tài)分布參數(shù)模型，為了提高壓力的模擬計(jì)算精度，在蒸發(fā)器模型中引入制冷工質(zhì)摩擦壓降校正系數(shù)。對PV-SAHP系統(tǒng)在恒定冷凝水溫和變冷凝水溫工況下的動態(tài)性能進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果顯示，PV-SAHP系統(tǒng)具備優(yōu)越的光電、光熱性能：在恒

6、定冷凝水溫工況下，系統(tǒng)的平均光電轉(zhuǎn)換效率、光電功率和COP分別為13.11％、371.82W和4.3；變冷凝水溫工況下，系統(tǒng)的平均光電轉(zhuǎn)換效率、光電功率和COP分別為13.02％、455W和3.41。兩種工況下，系統(tǒng)的光電功率分別占壓縮機(jī)輸入功率的88.1％和85.5％，這意味著系統(tǒng)所輸出的電能能夠滿足自身大部分的電能需求。對比數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的動態(tài)模型具備較高的數(shù)值計(jì)算精度，能夠?qū)ο到y(tǒng)性能參數(shù)和工質(zhì)的動態(tài)遷移情況進(jìn)行準(zhǔn)

7、確的預(yù)測。 以系統(tǒng)動態(tài)模型為基礎(chǔ)，根據(jù)熱力學(xué)第一定律和第二定律，采用能量效率和<火,用>效率為性能評價(jià)指標(biāo)，對PV-SAHP系統(tǒng)與獨(dú)立商用PV組件和。DX-SAHP系統(tǒng)以及兩者的簡單疊加系統(tǒng)“PV+SAHP”系統(tǒng)的綜合性能進(jìn)行對比分析和研究。研究結(jié)果顯示，無論是從能量數(shù)量的角度，還是從能量品質(zhì)的角度來考慮，PV-SAHP系統(tǒng)的性能均高于獨(dú)立的商用PV組件、DX-SAHP系統(tǒng)和“PV+SAHP”系統(tǒng)，這說明以制冷工質(zhì)為冷卻介質(zhì)，將

8、光伏發(fā)電系統(tǒng)與太陽能熱泵系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的方式，能夠有效提高系統(tǒng)對太陽能的綜合利用效率。本文還從理論上研究了光伏咆池覆蓋率和蒸發(fā)器玻璃蓋板對系統(tǒng)性能的影響情況。研究結(jié)果表明，電池覆蓋率的增大使得系統(tǒng)的綜合性能得到了改善；而玻璃蓋板的存在，能夠提高系統(tǒng)的能量效率，但是卻會導(dǎo)致系統(tǒng)<火,用>效率的降低。 為了研究熱泵系統(tǒng)在濕工況中以空氣為熱源的性能，建立了風(fēng)冷蒸發(fā)器和沉浸式水冷冷凝器的動態(tài)分布參數(shù)模型，以空氣源熱泵(ASHP)系統(tǒng)為基礎(chǔ)