PV-SAHP/HP复合系统不同运行模式下系统性能的实验研究

张 涛,朱群志,李琦芬

(上海电力学院能源与机械工程学院,上海 200090)

PV-SAHP/HP复合系统不同运行模式下系统性能的实验研究

张 涛,朱群志,李琦芬

(上海电力学院能源与机械工程学院,上海 200090)

为拓展太阳能的利用方式,减少能源消耗,将光伏-太阳能热泵与热管进行有机结合,提出了光伏-太阳能热泵/热管复合系统的思想；设计并搭建了光伏-太阳能热泵/热管复合系统实验测试平台,对热管单独运行和热泵单独运行模式下系统的性能进行了实验研究.结果表明,在热管单独运行模式下,系统的日平均光热效率低于普通的PV/T系统；而热泵单独运行模式下,系统具有较高的日平均光热效率及热泵的性能系数.

光伏-太阳能热泵；热管；光电光热综合效率；效率

光伏-太阳能热泵(Photovoltaic Solar-Assisted Heat Pump,PV-SAHP)是以太阳辐射能作为热泵的蒸发热源,可将集热器吸收的低品位太阳能以较高的温度输出,满足用户的热水需求；同时热泵的低温蒸发吸热可以有效降低光伏电池的工作温度,提高系统的光电效率.与常见的空气源热泵相比,PV-SAHP系统具有更高的性能系数.［1-3］近年来,国内外学者对PV-SAHP系统的性能、传热特性、结构设计等方面进行了深入的研究.［4-6］但PV-SAHP系统的运行需要消耗较多的电能来完成其压缩机的压缩过程；当太阳辐照较强、外界环境温度较高时,采用被动式的太阳能热水系统也能满足用户的生活热水需求,此时若仍采用PV-SAHP系统来制取生活热水,将会造成不必要的能源浪费.

热管(Heat Pipe)是一种很好的热量传输工具,其工作过程不需要外加动力.［7-8］.热管的传热性能稳定,并且可以解决普通平板太阳能集热器在冬季结冰的问题,在太阳能传热上具有很好的应用前景.其常见的结合方式是将热管的蒸发段与太阳能吸热板焊接,冷凝段插入集管中,通过集管内流动的工质带走吸收的热量并加以利用.［9］但单纯的热管式太阳能热水系统或热管式PV/T系统在太阳辐照不足或是环温较低时存在热能输出达不到使用要求的缺点.

本文结合PV-SAHP系统及热管传热特性的优点,将二者进行有机结合,提出了光伏太阳能热泵/热管(Photovoltaic Solar-Assisted Heat Pump/ Heat Pipe,PV-SAHP/HP,)复合系统的思想,同时设计并搭建了光伏-太阳能热泵/热管复合系统室外测试平台.该复合系统具备两种运行模型,即热管单独运行模式和热泵单独运行模式.当太阳辐照强时,采用热管运行模式,该运行模式无能量消耗；当太阳辐照强度不强或水温未达到使用要求时,采取热泵运行模式.针对气候条件的不同,对运行模式进行合理的切换,在满足用户热水需求的同时,可大幅度降低能源消耗.本文对热管单独运行模式和热泵单独运行模式下系统的性能进行了室外实验研究,研究结果可为系统的优化及后续运行模式的切换提供数据支持.

1 复合系统的设计

PV-SAHP/HP复合系统包括热管式PV/T (Photovoltaic/Thermal)子系统、PV-SAHP子系统和光伏发电系统3部分.采用R600a作为热泵的循环工质.其中,热管式PV/T子系统和PVSAHP子系统共用一个PV/T集热器-蒸发器和储水箱,系统原理如图1所示.图1中,外环路为热泵运行循环回路,内环路为热管运行循环回路.

PV-SAHP/HP复合系统由压缩机、节流阀、带盘管的储水箱(560 L)、4个热管式PV/T集热器-蒸发器(总集热面积为4.84m2,光伏电池面积为1.50 m2)、光伏控制逆变器、蓄电池,以及相应的管道、阀门、实验数据采集设备等组成.热管式PV/T集热器-蒸发器是该复合系统的核心部件,其结构如图2所示.

图1 PV-SAHP/HP系统原理

图2 热管式PV/T集热器-蒸发器结构示意

水箱内的盘管为热泵的冷凝器,光伏电池的电能通过控制逆变设备存储到蓄电池中,之后通过逆变器实现交流输出.本文设计并搭建了PVSAHP/HP复合系统的室外实验测试平台,如图3所示.从能量利用效率和效率的角度分别对PV-SAHP/HP复合系统在热管单独运行模式和热泵单独运行模式下系统的性能进行实验研究.

图3 PV-SAHP/HP复合系统实验测试平台

2 复合系统的性能分析

2.1 系统的光热效率

热管单独运行时,系统的光热效率为：

式中：Mw——储水箱内水的总质量,kg；

cw——水的比热容,J/(kg·K)；

Ht——对应时间间隔内的集热器表面接收的总太阳辐照量,J.

热泵单独运行时,系统的光热效率为：［10］

式中：Wp——压缩机的功率,W；

t——计算的时间间隔,s.

2.2 光电效率计算

根据测得的系统发电功率,即可计算系统的光电效率：

式中：Epv——系统的瞬时光电效率,W；

N——对应时间间隔内实验数据总采集数；

ζ——光伏电池的覆盖因子,为光伏电池面积与集热器面积的比值.

2.3 光电光热综合效率

复合系统光电光热综合性能的评价参考普通的PV/T系统,根据热力学第一定律,其计算公式为：［11］

2.4效率

热能和电能属于不同品质的能量,二者具有不同的对外做功能力.基于热力学第二定律,效率可以从系统对外做功的角度更准确地评价系统的综合性能：［12］

2.5 热泵性能系数计算

根据水箱的得热量及压缩机的耗功,即可计算热泵的性能系数：

3 两种运行模式下系统性能的实验研究

3.1 热管单独运行模式

根据GB/T 4271—2007,［13］实验从上午8：00开始到下午16：00结束,共8 h.实验期间,单位面积的累积太阳辐照量为21.06 M J/m2,平均太阳辐照强度为730.56 W/m2,满足国家标准的测试要求；测试期间的平均环境温度为27.18℃.

3.1.1 瞬时光热效率及瞬时光电效率

热管单独运行模式时,系统的瞬时光热效率和光电效率(每30 min)的波动趋势如图4所示.

图4 热管单独运行时系统瞬时光热效率和光电效率波动

由图4可以看出,系统的瞬时光热效率呈先增大后减小的变化趋势,最小值为13.17%,出现在实验末期；最大值为37.90%,出现在正午.系统的光热效率在实验初期和实验末期均出现较大的波动：在实验初期,环境温度和储水箱内的水温相差不大,系统热损小,但随着太阳辐照强度的增加及入射角的减小,系统的得热量增加,光热效率迅速上升；在实验末期,储水箱内的水温与环境温度之间具有较大的温差,系统热损大,随着太阳辐照强度的减小及入射角的增大,系统的得热量迅速减小,光热效率则迅速下降.

系统光电效率的整体变化趋势与光热相同,也呈先增大后减小的趋势,最大瞬时光电效率为11.21%,最小瞬时光电效率为8.64%.实验初期和末期系统光电效率较低的原因是因为太阳入射角较大,导致玻璃盖板的透过率偏低,同时反射率偏高.经计算可得,热管单独运行时,系统的日平均光热效率为30.90%,日平均光电效率10.57%.

热管单独运行时,系统的光热效率低于普通PV/T系统的光热效率,这是因为热管的冷凝段与集管、集管与水之间存在较大的传热热阻.因此,优化集管的结构及有效减小热管冷凝段与水之间的传热热阻是下一阶段亟须改进的工作.

图5 热管单独运行时系统综合效率和效率波动

从图5中可以看出,系统的光电光热综合效率与瞬时光热效率具有较相近的波动趋势,而系统的效率与瞬时光电效率也具有较相近的波动趋势.这是因为在系统综合效率的计算中,光热效率起主导作用,系统瞬时光电效率和光热效率相比偏小,同时还受电池覆盖率的影响.而在效率的计算中,由于光热效率偏低,同时光热效率低导致水箱水温不高(实验结束时为38.51℃),所以光热效率很低,光电起主导作用.由实验数据分析可得,系统的最大瞬时光电光热综合效率为44.82%,最大效率为7.47%；日平均光电光热综合效率为35.33%,日平均效率为6.77%.

3.2 热泵单独运行模式

与热管单独运行实验相同,热泵实验也从上午8：00开始到下午16：00结束,共8 h.实验期间,单位面积的累积太阳辐照量为22.03 MJ/m2,平均太阳辐照为764.00 W/m2,平均环境温度为26.33℃.

3.2.1 瞬时光热效率及瞬时光电效率

热泵单独运行时,系统的瞬时光热效率和光电效率(每30 min)的波动趋势如图6所示.

图6 热泵单独运行时系统瞬时光热效率和光电效率波动

由图6可知,与热管单独运行时相反,系统的瞬时光热效率呈先减小后增大的变化趋势,最大值为54.74%,出现在实验初期,最小值为41.51%,出现在中午12：00～12：30.与热管运行时相比,热泵由于氟利昂工质的低温蒸发吸热及冷凝段传热热阻较小,因此系统的瞬时光热效率明显大于热管单独运行时.在本实验中,受热泵传热性能的限制,太阳辐照强时,照射到集热器表面的太阳辐照能超过了热泵的传热上限,因此随着太阳辐照的增强,系统的瞬时光热效率逐渐下降.通过对实验数据的分析可知,热泵单独运行时,系统的日平均光热效率可达46.27%,远大于热管单独运行模式.

热泵单独运行时,系统的瞬时光电效率具有与热管单独运行时相同的变化趋势,都为先增大后减小,其波动原因也与热管单独运行时相同.通过对实验数据的分析可知,系统的最大瞬时光电效率为11.39%,最小为8.63%,日平均光电效率为10.68%.热泵单独运行时系统的光电效率略高于热管单独运行时,除两天的气候因素外,另一个原因在于热泵的低温蒸发使得光伏电池的工作温度偏低.

由图7可知,与热管单独运行时相同,系统的光电光热综合效率与瞬时光热效率具有较相近的波动趋势,而系统的效率与瞬时光电效率也具有较相近的波动趋势.不同的是,光电效率在综合效率中占的比重更小,这是因为热泵单独运行时,系统的瞬时光热效率更高；而在效率的计算中,光热的比重变大,这是因为系统的水温更高(实验末期为54.15℃).由实验数据分析可得,系统的最大瞬时光电光热综合效率为60.42%,最大效率为10.26%；日平均光电光热综合效率为53.77%,日平均效率为8.81%.以上数值均明显高于热管单独运行模式.

图7 热泵单独运行时系统综合效率和效率波动

3.2.3 热泵系统性能系数

热泵单独运行时,水箱水温、压缩机瞬时功率及热泵性能系数εCOP(每30 m in)的变化趋势如图8所示.

从图8可以看出,在热泵工作模式下,水箱内的水温呈线性增长的趋势,实验末期水箱内的水温可达54.1℃,完全满足生活需求；压缩机的功耗在绝大部分时间里也呈线性增长的趋势,实验初期最小功耗为443.39W,最大可达665.55 W.这是因为随着水温的逐渐升高,热泵的冷凝温度逐渐升高,冷凝压力逐渐增大,因此压缩机的功耗也逐渐增大；在实验末期(15：00以后),由于太阳辐照强度较弱,系统蒸发器内氟利昂工质获得的热能大幅减小,导致蒸发压力下降,压缩机的功率也随之出现了小幅下降.

此外,热泵的性能系数随时间总体上呈先增大后减小的变化趋势.在实验初期,太阳辐照强度弱,集热器得热量低,水箱内水温低,系统的热损小,系统的性能系数随着太阳辐照强度的增大及太阳入射角的减小而逐渐增大；在实验中期,随着太阳辐照强度的增大,系统的得热量增大,同时由于氟利昂工质的吸热性能有限,导致PV/T集热器-蒸发器出口处工质过热度较高,集热器热损较大,系统的性能系数逐渐降低；在实验末期,储水箱内的水温温度较高,系统的热损较大,同时太阳入射角逐渐增大,因此系统的性能系数逐渐减小.但与普通的空气源热泵相比,该系统具有较高的性能系数.在实验期间,系统的最大性能系数εCOP可达4.87,最小性能系数εCOP为2.39,日平均性能系数εCOP为4.05.

图8 热泵单独运行时系统水温、压缩机耗功及性能系数波动

4 结 论

(1)热管运行模式下,PV-SAHP/HP复合系数的瞬时光热效率最大值为37.90%,日平均光热效率为30.90%,低于普通的太阳能集热器；系统的瞬时光电效率最大可达11.21%,日平均光电效率为10.57%,系统具有较好的光电性能.

(2)热泵运行模式下,复合系统的瞬时光热效率最大可达54.74%,日平均光热效率为46.27%；系统瞬时光电效率最大可达11.39%,日平均光电效率为10.68%.

(3)复合系统的光电光热综合性能的变化趋势与瞬时光热效率的变化趋势相近,而效率的变化趋势与瞬时光电效率的波动趋势相近.在热管单独运行模式下,系统的日平均光电光热综合效率为35.33%,效率为6.77%；在热泵单独运行模式下,系统的日平均光电光热综合效率可达53.77%,效率为8.81%.

(4)热泵单独运行模式下,具有较高的性能系数,最大可达4.87,日平均性能系数为4.05.

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(编辑 胡小萍)

Performance Study of PV-SAHP/HP Com pound System Under Different Operation M odes

ZHANG Tao,ZHU Qunzhi,LIQifen
(School of Energy and Mechanical Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghai200090,China)

In order to w iden the solar energy utilization ways and reduce the energy consumption,a photovoltaic solar-assisted heat pump/heat pipe(PV-SAHP/HP)compound system is proposed.An experiment platform is designed and constructed to study the system's performance under heat pump and heat pipe operation mode.The results show that under the heat pipe operation mode,the system's daily average photothermal efficiency is lower than the common solar water heating system.However,a higher daily average photothermal efficiency and COP are presented under heat pump operation mode.

solar-assisted heat pump；heat pipe；overall efficiency of photovolataic and solarassisted heat；exergy efficiency

TK519

A

1006-4729(2015)05-0492-06

10.3969/j.issn.1006-4729.2015.05.020

2015-03-15

张涛(1986-),男,博士,山东临沂人.主要研究方向为太阳能光电光热综合利用,热泵节能,传热传质等.E-mail：zhtyn86@163.com.

上海电力学院人才引进基金(K2015-007).