光热光伏一体化热泵系统设计与优化

论文总字数：27844字

摘 要

为了分析光热光伏一体化热泵系统在全年不同季节不同工况下的性能变化，寻求达到最佳能效比的结构参数，本文采用了数学模拟的方法，对光热光伏一体化热泵系统进行了研究，分别按照夏季、春秋季、冬季等三种不同季节的气候条件对光热光伏一体化热泵系统进行设计计算，建立了数学模型，然后以该模型为基础，对其他不同季节工况下的工作性能进行了模拟计算。结果表明：随着不同季节太阳辐射度的变化，热泵COP在夏季达到最高值，在冬季达到最低值。而以春秋季节工况设计出来的模型能达到全年PV/T HP系统运行性能最优能效比。本文对设计全年运行能效最优的光热光伏一体化太阳能热泵系统有重要意义。

关键词：光热光伏一体化，热泵，变工况，设计优化，COP

Design and optimization of thermal and photovoltaic integrated heat pump system

Abstract

In order to analyze the performance of PV/T HP system in the different seasons of the year and seek the structural parameters of optimal energy efficiency ratio, this paper uses a mathematical simulation method to studied the PV/T HP system, designed and calculated respectively according to climate conditions of the three different season-summer, spring and autumn, winter-and established the mathematical model. Then basing on the mathematical model, the working performance of the other different weather conditions were simulated. The results show that: with the change of solar radiation in different seasons, COP of the heat pump reached the highest value in the summer and the lowest in winter. The model designed in the condition of spring and autumn could reach the optimal energy efficiency ratio of the PV/T HP system. This paper is of great significance for the design of solar energy heat pump system with the best energy efficiency of the whole year.

Keywords: thermal /photovoltaic , heat pump, variable condition, design and optimization, COP

目录

摘要 ····························································Ⅰ

Abstract ························································Ⅱ

第一章 绪论 ····················································1

1.1 太阳能供热采暖应用·············································1

1.2 太阳能光热光伏一体化(PV/T)系统研究······························2

1.3 本章小结························································3

第二章 PV/T HP系统数学模型与设计计算 ····························4

2.1光热光伏一体化热泵系统模型 ····································4

2.2 光伏蒸发器模型 ···············································5

2.3 光热光伏一体化热泵系统设计计算 ·······························6

2.4 本章小结·······················································19

第三章 PV/T HP系统变工况下的性能分析 ···························20

3.1 变工况的模拟计算方法 ········································20

3.2 变工况时PV/T HP系统部分部件模型计算 ··························21

3.3 环境工况对PV/T HP系统性能的影响 ·······························22

3.4 本章小结·······················································25

总结与展望 ·······················································26

致谢 ····························································27

参考文献（References） ············································28

第一章 绪论

本章主要介绍了目前太阳能的利用状况，阐述了太阳能光热光伏一体化系统的研究与发展，交代了本文的研究背景与意义。

1.1 太阳能供热采暖应用

利用太阳能加热水是目前人类利用太阳能最普遍的形式。世界各国科学家和工程师经过百年的努力，使太阳能热水成为当前技术上最成熟、经济上最具竞争力、商品化程度最高的太阳能利用技术。在全世界的范围内，各种太阳能热水装置的生产已发展成为一个新兴的产业，并且正在生活和某些生产领域得到广泛发的应用。

由于太阳能热流密度低，不稳定，受季节和天气影响较大，太阳能热水器在阴雨天和冬季工作时常常需要电辅助加热，发达国家安装太阳能热水系统的住宅为了保证全天都有足够的热水供应，辅助电热器往往要承担30％~50％的热量负荷，由于我国很多家庭特别是农村家庭为了节省费用，还保持冬季“无热水则不洗澡"的生活习惯，所以目前我国家庭太阳能热水器的辅助电热的使用率还没这么高。但是随着人们对生活品质的要求越来越高，我国住宅生活热水用量也将逐渐达到发达国家水平，太阳能热水器的辅助电热量比例也会逐渐增加。对于太阳能采暖或制冷空调系统，则更是存在供热温度和供热量不足的问题，而单纯地扩大太阳能集热面积又使得系统成本和安装面积大幅增加，在我国太阳能资源较丰富的II类地区太阳能供热采暖系统的太阳能保证率一般设计在30％~50％之间，因此，需要设置储热装置和辅助热源以维持供暖的持续稳定。目前，普遍采用传统的电加热或燃料燃烧作为太阳能系统的辅助加热系统，但这种直接使用高品位能源产生低品位热能的能源利用方式是对优质能源的极大浪费。热泵技术可以将低位热源热量提供给中高温热水设备，效率是电热水器或燃气热水器的3倍以上，空气源热泵更是已被广泛接受的一项新技术，特别适合为我国夏热冬冷地区中高层民用建筑提供集中生活热水和供暖。　

太阳能辅助热泵(Solar．Assisted Heat Pump，以下简称太阳能热泵，缩写SAHP)是将太阳能热利用与热泵技术有机结合，按照太阳能集热循环与热泵循环组合型式的不同大致可分为以下几种：

1)并联式太阳能热泵，是由太阳能集热循环与空气源热泵循环并联连接组成，二者可以独立运行，向被加热对象传递热量，在一方供热量达不到负荷所需或效率很低时，另一方作为辅助热源对外提供热量； (集热介质既可以是水、防冻液等液体，也可以是空气，由于太阳能热水集热器相对体积小，更适宜应用在一般住宅建筑中的热水供应/供暖，因此本文综述将不涉及太阳能空气集热循环与热泵结合的系统研究。

2)串联式太阳能热泵，是指太阳能集热循环与热泵蒸发侧通过热交换器串联而成，太阳能集热循环所获得的热量作为热泵循环的低温热源，集热介质在热泵蒸发侧将热量传递给热泵工质，然后热泵工质在冷凝侧释放热量给被加热对象，这种系统通过提高热泵低温热源温度来提高热泵运行效率，可以解决空气源热泵系统冬季效率低的问题；

3)直接膨胀式太阳能热泵(Direct．expansion Solar．Assisted Heat Pump，缩写DX．SAHP)，是指热泵工质直接进入太阳能集热器吸收热量而蒸发，然后经过热泵循环将其提升到较高温度传递给被加热对象，这种结构型式最为紧凑。

实际应用中太阳能热泵系统除了以上三种最基本型式以外，还有将其中几种型式结合起来的复合系统，或称为：

4)太阳能与空气双热源太阳能热泵，例如在串联式太阳能热泵系统中增设一个空气源蒸发器，通过阀门切换使热泵系统的不同热源互补。该系统多用于多功能太阳能热泵系统，实现太阳能热泵制热水、空气源热泵制热水、制冷兼制热水等多种功能；此外，还有日本Fujita与Ito在采用R12为热泵工质的直膨式太阳能热泵系统中并联了一套空气源翅片管蒸发器，在太阳辐射不足时以并联的空气源蒸发器形式运行，热泵系统COP可提高50％。

1.2 太阳能光热光伏一体化(PV/T)系统研究

为增加太阳能集热器的能量利用效率,采用光伏/光热(PV/T)复合式的太阳能利用技术是个很好的选择。在PV/T集热器中空气和水用来作载热介质带走PV模块吸热板上的热量,经过加热后的流体被用作采暖或是供给热水系统。同时载热介质的冷却效应降低了光伏电池的工作温度、提升了光电转换效率，而这种利用方式也大大提高了PV/T集热器的综合利用效率。

根据可查阅到的文献报道，最早的PV/T系统是于1976年Martin Wolf提出的将硅电池设置于太阳集热器上为住宅供电和供热，分析了该系统的技术可行性以及经济性。随后的几年里，以美国MIT为代表的研究机构联合PV生产商，开始了采用水或空气作集热流体用于住宅供暖/供热水的多个PV/T系统样机的研制，获得了系统发电效率和集热效率等初步实验性能数据。Kern和Russell(1978年)通过将Pv/T系统与传统的太阳能直接供热系统、传统蒸汽压缩式热泵，以及太阳能集热与热泵联合运行系统对比，得出PV／T联合热泵系统所需提供的辅助热量最小，但是考虑系统初投资之后，太阳能直接供热系统却仍然是最经济的供能方式。美国亚利桑那州立大学将用于传统太阳集热器的Hottel．Whillier模型扩展到PV厂r集热器的数学模型中，这奠定了日后TRNSYS应用程序中PV厂r模块的基础。但进入上世纪80年代后由于世界石油价格的下跌，美国可再生能源项目资助受到严格控制，PV厂r同其他太阳能利用技术一样，发展的脚步也有所放慢。到了90年代末，加拿大Conserval Engineering公司和德国Grammer Solar公司开发了PV/T空气集热系列产品，以色列的Millennium Electric，德国SolarWerk和SolarWatt，瑞士ICEC AG，日本Sekisui Chemical等企业也曾陆续研制了PV/T热水系统样机，但都由于整体性能有待提高，缺乏统一的产品设计和使用标准，以及受到光伏电池的昂贵价格因素的影响，开发出的很少数PⅥT系统样机也还都是处于试验研究或小规模应用示范。进入2 1世纪后，能源与环境问题无可争议地成为制约全球经济发展的瓶颈。在各国政府的政策扶持下，全球太阳能光伏产业飞速发展，

同时太阳能热水/供热系统在世界多个国家已得到大规模地普及应用，太阳能产业成为名副其实的“阳光产业”。在这样的背景下，PV/T系统得到国际能源领域研究机构的重视，国际能源机构(IEA)、荷兰能源研究中心(ECN)等制定了专门针对PV/T系统的发展计划和路线，以推进该系统工程示范。

在国内,中国科学技术大学较早进行了光电光热PV/T综合利用的研究。季杰，何伟等利用数学模型，对香港地区的光电光热建筑一体化系统(BIPV/T)的年性能进行了数值模拟，结果显示单晶硅电池的年平均效率为10.3%，热效率为43.2%，总热效率为70.3%，明显高于普通的太阳能集热板。在季杰，程洪波，何伟等人的研究中将小型储能式光伏系统与家用平板型太阳热水器结合起来，把光伏电池组件层压在热水器的扁盒式铝合金集热板上,构成一套光伏光热一体化系统，并在合肥地区进行了自然循环模式下的光电光热性能测试"试验结果表明，实验系统日平均效率可达40%，日平均电效率约为9.5%，系统综合性能效率多在60%以上，比单独的光伏或热水系统效率有显著提高。季杰等人在PV新型Trombe墙光电光热性能数值模拟中把Trombe墙的热利用和光电利用结合起来,构件了新型的PV一Trombe墙体系，并用数值模拟和实验的方法研究了该种墙体结构的热电综合性能，并研究了对建筑热环境的影响等。葛新石和叶宏对PV/T热电联产在理想条件下的性能进行了简化分析，比较了有无玻璃盖板条件下系统可用能的大小，得出在一般风速和较大风速条件下，带玻璃盖板的PV/T系统可用能效率均高于不带玻璃盖板的pV/T系统。翟辉，代彦军等用数值模拟的方法研究了菲聂尔透镜聚焦条件下的光电、光热综合性能利用可用能(exergy)分析法比较了多种系统的效率。

目前国内外关于PV/T系统的理论与实验研究主要集中在：1)建立系统的数学模型，分析不同结构形式和不同运行参数对系统性能的影响；2)优化光伏/集热板结构和实现与建筑的一体化；3)针对不同气候地区和应用场合，各类PV/T系统的投资经济性分析。同时，采用非晶硅薄膜电池的PV/T系统因具成本优势也开始引起关注。

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