張 濤,朱群志,李琦芬

(上海電力學(xué)院能源與機械工程學(xué)院,上海 200090)

PV-SAHP/HP復(fù)合系統(tǒng)不同運行模式下系統(tǒng)性能的實驗研究

張 濤,朱群志,李琦芬

(上海電力學(xué)院能源與機械工程學(xué)院,上海 200090)

為拓展太陽能的利用方式,減少能源消耗,將光伏-太陽能熱泵與熱管進(jìn)行有機結(jié)合,提出了光伏-太陽能熱泵/熱管復(fù)合系統(tǒng)的思想；設(shè)計并搭建了光伏-太陽能熱泵/熱管復(fù)合系統(tǒng)實驗測試平臺,對熱管單獨運行和熱泵單獨運行模式下系統(tǒng)的性能進(jìn)行了實驗研究.結(jié)果表明,在熱管單獨運行模式下,系統(tǒng)的日平均光熱效率低于普通的PV/T系統(tǒng)；而熱泵單獨運行模式下,系統(tǒng)具有較高的日平均光熱效率及熱泵的性能系數(shù).

光伏-太陽能熱泵；熱管；光電光熱綜合效率；效率

光伏-太陽能熱泵(Photovoltaic Solar-Assisted Heat Pump,PV-SAHP)是以太陽輻射能作為熱泵的蒸發(fā)熱源,可將集熱器吸收的低品位太陽能以較高的溫度輸出,滿足用戶的熱水需求；同時熱泵的低溫蒸發(fā)吸熱可以有效降低光伏電池的工作溫度,提高系統(tǒng)的光電效率.與常見的空氣源熱泵相比,PV-SAHP系統(tǒng)具有更高的性能系數(shù).［1-3］近年來,國內(nèi)外學(xué)者對PV-SAHP系統(tǒng)的性能、傳熱特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面進(jìn)行了深入的研究.［4-6］但PV-SAHP系統(tǒng)的運行需要消耗較多的電能來完成其壓縮機的壓縮過程；當(dāng)太陽輻照較強、外界環(huán)境溫度較高時,采用被動式的太陽能熱水系統(tǒng)也能滿足用戶的生活熱水需求,此時若仍采用PV-SAHP系統(tǒng)來制取生活熱水,將會造成不必要的能源浪費.

熱管(Heat Pipe)是一種很好的熱量傳輸工具,其工作過程不需要外加動力.［7-8］.熱管的傳熱性能穩(wěn)定,并且可以解決普通平板太陽能集熱器在冬季結(jié)冰的問題,在太陽能傳熱上具有很好的應(yīng)用前景.其常見的結(jié)合方式是將熱管的蒸發(fā)段與太陽能吸熱板焊接,冷凝段插入集管中,通過集管內(nèi)流動的工質(zhì)帶走吸收的熱量并加以利用.［9］但單純的熱管式太陽能熱水系統(tǒng)或熱管式PV/T系統(tǒng)在太陽輻照不足或是環(huán)溫較低時存在熱能輸出達(dá)不到使用要求的缺點.

本文結(jié)合PV-SAHP系統(tǒng)及熱管傳熱特性的優(yōu)點,將二者進(jìn)行有機結(jié)合,提出了光伏太陽能熱泵/熱管(Photovoltaic Solar-Assisted Heat Pump/ Heat Pipe,PV-SAHP/HP,)復(fù)合系統(tǒng)的思想,同時設(shè)計并搭建了光伏-太陽能熱泵/熱管復(fù)合系統(tǒng)室外測試平臺.該復(fù)合系統(tǒng)具備兩種運行模型,即熱管單獨運行模式和熱泵單獨運行模式.當(dāng)太陽輻照強時,采用熱管運行模式,該運行模式無能量消耗；當(dāng)太陽輻照強度不強或水溫未達(dá)到使用要求時,采取熱泵運行模式.針對氣候條件的不同,對運行模式進(jìn)行合理的切換,在滿足用戶熱水需求的同時,可大幅度降低能源消耗.本文對熱管單獨運行模式和熱泵單獨運行模式下系統(tǒng)的性能進(jìn)行了室外實驗研究,研究結(jié)果可為系統(tǒng)的優(yōu)化及后續(xù)運行模式的切換提供數(shù)據(jù)支持.

1 復(fù)合系統(tǒng)的設(shè)計

PV-SAHP/HP復(fù)合系統(tǒng)包括熱管式PV/T (Photovoltaic/Thermal)子系統(tǒng)、PV-SAHP子系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)3部分.采用R600a作為熱泵的循環(huán)工質(zhì).其中,熱管式PV/T子系統(tǒng)和PVSAHP子系統(tǒng)共用一個PV/T集熱器-蒸發(fā)器和儲水箱,系統(tǒng)原理如圖1所示.圖1中,外環(huán)路為熱泵運行循環(huán)回路,內(nèi)環(huán)路為熱管運行循環(huán)回路.

PV-SAHP/HP復(fù)合系統(tǒng)由壓縮機、節(jié)流閥、帶盤管的儲水箱(560 L)、4個熱管式PV/T集熱器-蒸發(fā)器(總集熱面積為4.84m2,光伏電池面積為1.50 m2)、光伏控制逆變器、蓄電池,以及相應(yīng)的管道、閥門、實驗數(shù)據(jù)采集設(shè)備等組成.熱管式PV/T集熱器-蒸發(fā)器是該復(fù)合系統(tǒng)的核心部件,其結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖1 PV-SAHP/HP系統(tǒng)原理

圖2 熱管式PV/T集熱器-蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)示意

水箱內(nèi)的盤管為熱泵的冷凝器,光伏電池的電能通過控制逆變設(shè)備存儲到蓄電池中,之后通過逆變器實現(xiàn)交流輸出.本文設(shè)計并搭建了PVSAHP/HP復(fù)合系統(tǒng)的室外實驗測試平臺,如圖3所示.從能量利用效率和效率的角度分別對PV-SAHP/HP復(fù)合系統(tǒng)在熱管單獨運行模式和熱泵單獨運行模式下系統(tǒng)的性能進(jìn)行實驗研究.

圖3 PV-SAHP/HP復(fù)合系統(tǒng)實驗測試平臺

2 復(fù)合系統(tǒng)的性能分析

2.1 系統(tǒng)的光熱效率

熱管單獨運行時,系統(tǒng)的光熱效率為：

式中：Mw——儲水箱內(nèi)水的總質(zhì)量,kg；

cw——水的比熱容,J/(kg·K)；

Ht——對應(yīng)時間間隔內(nèi)的集熱器表面接收的總太陽輻照量,J.

熱泵單獨運行時,系統(tǒng)的光熱效率為：［10］

式中：Wp——壓縮機的功率,W；

t——計算的時間間隔,s.

2.2 光電效率計算

根據(jù)測得的系統(tǒng)發(fā)電功率,即可計算系統(tǒng)的光電效率：

式中：Epv——系統(tǒng)的瞬時光電效率,W；

N——對應(yīng)時間間隔內(nèi)實驗數(shù)據(jù)總采集數(shù)；

ζ——光伏電池的覆蓋因子,為光伏電池面積與集熱器面積的比值.

2.3 光電光熱綜合效率

復(fù)合系統(tǒng)光電光熱綜合性能的評價參考普通的PV/T系統(tǒng),根據(jù)熱力學(xué)第一定律,其計算公式為：［11］

2.4效率

熱能和電能屬于不同品質(zhì)的能量,二者具有不同的對外做功能力.基于熱力學(xué)第二定律,效率可以從系統(tǒng)對外做功的角度更準(zhǔn)確地評價系統(tǒng)的綜合性能：［12］

2.5 熱泵性能系數(shù)計算

根據(jù)水箱的得熱量及壓縮機的耗功,即可計算熱泵的性能系數(shù)：

3 兩種運行模式下系統(tǒng)性能的實驗研究

3.1 熱管單獨運行模式

根據(jù)GB/T 4271—2007,［13］實驗從上午8：00開始到下午16：00結(jié)束,共8 h.實驗期間,單位面積的累積太陽輻照量為21.06 M J/m2,平均太陽輻照強度為730.56 W/m2,滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的測試要求；測試期間的平均環(huán)境溫度為27.18℃.

3.1.1 瞬時光熱效率及瞬時光電效率

熱管單獨運行模式時,系統(tǒng)的瞬時光熱效率和光電效率(每30 min)的波動趨勢如圖4所示.

圖4 熱管單獨運行時系統(tǒng)瞬時光熱效率和光電效率波動

由圖4可以看出,系統(tǒng)的瞬時光熱效率呈先增大后減小的變化趨勢,最小值為13.17%,出現(xiàn)在實驗?zāi)┢冢蛔畲笾禐?7.90%,出現(xiàn)在正午.系統(tǒng)的光熱效率在實驗初期和實驗?zāi)┢诰霈F(xiàn)較大的波動：在實驗初期,環(huán)境溫度和儲水箱內(nèi)的水溫相差不大,系統(tǒng)熱損小,但隨著太陽輻照強度的增加及入射角的減小,系統(tǒng)的得熱量增加,光熱效率迅速上升；在實驗?zāi)┢?儲水箱內(nèi)的水溫與環(huán)境溫度之間具有較大的溫差,系統(tǒng)熱損大,隨著太陽輻照強度的減小及入射角的增大,系統(tǒng)的得熱量迅速減小,光熱效率則迅速下降.

系統(tǒng)光電效率的整體變化趨勢與光熱相同,也呈先增大后減小的趨勢,最大瞬時光電效率為11.21%,最小瞬時光電效率為8.64%.實驗初期和末期系統(tǒng)光電效率較低的原因是因為太陽入射角較大,導(dǎo)致玻璃蓋板的透過率偏低,同時反射率偏高.經(jīng)計算可得,熱管單獨運行時,系統(tǒng)的日平均光熱效率為30.90%,日平均光電效率10.57%.

熱管單獨運行時,系統(tǒng)的光熱效率低于普通PV/T系統(tǒng)的光熱效率,這是因為熱管的冷凝段與集管、集管與水之間存在較大的傳熱熱阻.因此,優(yōu)化集管的結(jié)構(gòu)及有效減小熱管冷凝段與水之間的傳熱熱阻是下一階段亟須改進(jìn)的工作.

圖5 熱管單獨運行時系統(tǒng)綜合效率和效率波動

從圖5中可以看出,系統(tǒng)的光電光熱綜合效率與瞬時光熱效率具有較相近的波動趨勢,而系統(tǒng)的效率與瞬時光電效率也具有較相近的波動趨勢.這是因為在系統(tǒng)綜合效率的計算中,光熱效率起主導(dǎo)作用,系統(tǒng)瞬時光電效率和光熱效率相比偏小,同時還受電池覆蓋率的影響.而在效率的計算中,由于光熱效率偏低,同時光熱效率低導(dǎo)致水箱水溫不高(實驗結(jié)束時為38.51℃),所以光熱效率很低,光電起主導(dǎo)作用.由實驗數(shù)據(jù)分析可得,系統(tǒng)的最大瞬時光電光熱綜合效率為44.82%,最大效率為7.47%；日平均光電光熱綜合效率為35.33%,日平均效率為6.77%.

3.2 熱泵單獨運行模式

與熱管單獨運行實驗相同,熱泵實驗也從上午8：00開始到下午16：00結(jié)束,共8 h.實驗期間,單位面積的累積太陽輻照量為22.03 MJ/m2,平均太陽輻照為764.00 W/m2,平均環(huán)境溫度為26.33℃.

3.2.1 瞬時光熱效率及瞬時光電效率

熱泵單獨運行時,系統(tǒng)的瞬時光熱效率和光電效率(每30 min)的波動趨勢如圖6所示.

圖6 熱泵單獨運行時系統(tǒng)瞬時光熱效率和光電效率波動

由圖6可知,與熱管單獨運行時相反,系統(tǒng)的瞬時光熱效率呈先減小后增大的變化趨勢,最大值為54.74%,出現(xiàn)在實驗初期,最小值為41.51%,出現(xiàn)在中午12：00～12：30.與熱管運行時相比,熱泵由于氟利昂工質(zhì)的低溫蒸發(fā)吸熱及冷凝段傳熱熱阻較小,因此系統(tǒng)的瞬時光熱效率明顯大于熱管單獨運行時.在本實驗中,受熱泵傳熱性能的限制,太陽輻照強時,照射到集熱器表面的太陽輻照能超過了熱泵的傳熱上限,因此隨著太陽輻照的增強,系統(tǒng)的瞬時光熱效率逐漸下降.通過對實驗數(shù)據(jù)的分析可知,熱泵單獨運行時,系統(tǒng)的日平均光熱效率可達(dá)46.27%,遠(yuǎn)大于熱管單獨運行模式.

熱泵單獨運行時,系統(tǒng)的瞬時光電效率具有與熱管單獨運行時相同的變化趨勢,都為先增大后減小,其波動原因也與熱管單獨運行時相同.通過對實驗數(shù)據(jù)的分析可知,系統(tǒng)的最大瞬時光電效率為11.39%,最小為8.63%,日平均光電效率為10.68%.熱泵單獨運行時系統(tǒng)的光電效率略高于熱管單獨運行時,除兩天的氣候因素外,另一個原因在于熱泵的低溫蒸發(fā)使得光伏電池的工作溫度偏低.

由圖7可知,與熱管單獨運行時相同,系統(tǒng)的光電光熱綜合效率與瞬時光熱效率具有較相近的波動趨勢,而系統(tǒng)的效率與瞬時光電效率也具有較相近的波動趨勢.不同的是,光電效率在綜合效率中占的比重更小,這是因為熱泵單獨運行時,系統(tǒng)的瞬時光熱效率更高；而在效率的計算中,光熱的比重變大,這是因為系統(tǒng)的水溫更高(實驗?zāi)┢跒?4.15℃).由實驗數(shù)據(jù)分析可得,系統(tǒng)的最大瞬時光電光熱綜合效率為60.42%,最大效率為10.26%；日平均光電光熱綜合效率為53.77%,日平均效率為8.81%.以上數(shù)值均明顯高于熱管單獨運行模式.

圖7 熱泵單獨運行時系統(tǒng)綜合效率和效率波動

3.2.3 熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)

熱泵單獨運行時,水箱水溫、壓縮機瞬時功率及熱泵性能系數(shù)εCOP(每30 m in)的變化趨勢如圖8所示.

從圖8可以看出,在熱泵工作模式下,水箱內(nèi)的水溫呈線性增長的趨勢,實驗?zāi)┢谒鋬?nèi)的水溫可達(dá)54.1℃,完全滿足生活需求；壓縮機的功耗在絕大部分時間里也呈線性增長的趨勢,實驗初期最小功耗為443.39W,最大可達(dá)665.55 W.這是因為隨著水溫的逐漸升高,熱泵的冷凝溫度逐漸升高,冷凝壓力逐漸增大,因此壓縮機的功耗也逐漸增大；在實驗?zāi)┢?15：00以后),由于太陽輻照強度較弱,系統(tǒng)蒸發(fā)器內(nèi)氟利昂工質(zhì)獲得的熱能大幅減小,導(dǎo)致蒸發(fā)壓力下降,壓縮機的功率也隨之出現(xiàn)了小幅下降.

此外,熱泵的性能系數(shù)隨時間總體上呈先增大后減小的變化趨勢.在實驗初期,太陽輻照強度弱,集熱器得熱量低,水箱內(nèi)水溫低,系統(tǒng)的熱損小,系統(tǒng)的性能系數(shù)隨著太陽輻照強度的增大及太陽入射角的減小而逐漸增大；在實驗中期,隨著太陽輻照強度的增大,系統(tǒng)的得熱量增大,同時由于氟利昂工質(zhì)的吸熱性能有限,導(dǎo)致PV/T集熱器-蒸發(fā)器出口處工質(zhì)過熱度較高,集熱器熱損較大,系統(tǒng)的性能系數(shù)逐漸降低；在實驗?zāi)┢?儲水箱內(nèi)的水溫溫度較高,系統(tǒng)的熱損較大,同時太陽入射角逐漸增大,因此系統(tǒng)的性能系數(shù)逐漸減小.但與普通的空氣源熱泵相比,該系統(tǒng)具有較高的性能系數(shù).在實驗期間,系統(tǒng)的最大性能系數(shù)εCOP可達(dá)4.87,最小性能系數(shù)εCOP為2.39,日平均性能系數(shù)εCOP為4.05.

圖8 熱泵單獨運行時系統(tǒng)水溫、壓縮機耗功及性能系數(shù)波動

4 結(jié) 論

(1)熱管運行模式下,PV-SAHP/HP復(fù)合系數(shù)的瞬時光熱效率最大值為37.90%,日平均光熱效率為30.90%,低于普通的太陽能集熱器；系統(tǒng)的瞬時光電效率最大可達(dá)11.21%,日平均光電效率為10.57%,系統(tǒng)具有較好的光電性能.

(2)熱泵運行模式下,復(fù)合系統(tǒng)的瞬時光熱效率最大可達(dá)54.74%,日平均光熱效率為46.27%；系統(tǒng)瞬時光電效率最大可達(dá)11.39%,日平均光電效率為10.68%.

(3)復(fù)合系統(tǒng)的光電光熱綜合性能的變化趨勢與瞬時光熱效率的變化趨勢相近,而效率的變化趨勢與瞬時光電效率的波動趨勢相近.在熱管單獨運行模式下,系統(tǒng)的日平均光電光熱綜合效率為35.33%,效率為6.77%；在熱泵單獨運行模式下,系統(tǒng)的日平均光電光熱綜合效率可達(dá)53.77%,效率為8.81%.

(4)熱泵單獨運行模式下,具有較高的性能系數(shù),最大可達(dá)4.87,日平均性能系數(shù)為4.05.

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(編輯 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

張濤(1986-),男,博士,山東臨沂人.主要研究方向為太陽能光電光熱綜合利用,熱泵節(jié)能,傳熱傳質(zhì)等.E-mail：zhtyn86@163.com.

上海電力學(xué)院人才引進(jìn)基金(K2015-007).