一種基于微熱管陣列的太陽能PV/T熱泵系統(tǒng)能效實驗研究

陳紅兵，張曉坤，王聰聰，李思琦，姚華寧，龔雨桐

（北京建筑大學 北京市供熱供燃氣通風及空調(diào)工程重點實驗室，北京100044）

0 引言

提高PV/T裝置的太陽能利用效率是太陽能光電光熱綜合利用領(lǐng)域的研究重點。要提高PV/T裝置的太陽能利用效率，關(guān)鍵在于高效地管理和控制光伏板溫度，將熱量從光伏板上轉(zhuǎn)移出去并加以利用。

隨著熱管技術(shù)的發(fā)展，其超高的導熱性能受到廣泛的關(guān)注，一些學者開始嘗試將熱管技術(shù)應(yīng)用到PV/T裝置中，以提高PV/T裝置的太陽能利用效率。Gang P搭建了一種基于圓型熱管的PV/T收集器，通過實驗和模擬結(jié)果表明，該收集器的日平均熱效率和電效率分別為41.9%和9.4%[1]。然而，傳統(tǒng)熱管的圓柱形狀減小了光伏板與熱管的接觸面積，導致光伏板與熱管之間的換熱效率降低。為了進一步提高熱管的傳熱性能，趙耀華發(fā)明了微熱管陣列（MHPA）技術(shù)，實驗結(jié)果表明MHPA形狀平坦，易與傳熱表面結(jié)合，同時具有超強的導熱性能[2]?；贛HPA技術(shù)，Hou L搭建了一種微熱管陣列式太陽能PV/T熱水系統(tǒng)，通過實驗和模擬結(jié)果表明：全年，微熱管陣列式PV/T（MHPA-PV/T）收集器的電效率穩(wěn)定在13%左右，總效率為30%～50%；夏季，該收集器的熱效率可達到40%以上；冬季，該收集器的熱效率降低至20%以下[3]。此外，Hou L搭建的微熱管陣列式太陽能PV/T熱水系統(tǒng)中的MHPA-PV/T收集器與循環(huán)水系統(tǒng)之間采用了間接連接的連接方式，間接連接方式會增加整個系統(tǒng)的傳熱熱阻，在一定程度上降低了MHPA-PV/T收集器的集能效率。陳紅兵對相近實驗條件下的微熱管陣列式太陽能PV/T集熱系統(tǒng)和圓型熱管式太陽能PV/T集熱系統(tǒng)進行對比分析，實驗結(jié)果表明：與圓型熱管式太陽能PV/T集熱系統(tǒng)相比，微熱管陣列式太陽能PV/T集熱系統(tǒng)的日平均熱效率提高了16.8%，日平均電效率提高了3.5%[4]。另外，有學者提出在PV/T裝置中加裝熱泵，利用熱泵的工作特性來提高PV/T裝置的集能效率，保障和提升PV/T裝置的供熱品質(zhì)。熱泵與PV/T裝置的結(jié)合方式分為間接式和直膨式。張露搭建了一套間接式太陽能PV/T熱泵系統(tǒng)并測試了該系統(tǒng)的各項性能，分析結(jié)果表明：測試時間內(nèi)，該系統(tǒng)的熱效率為35%，電效率為15.0%，光電光熱綜合效率可達到74.4%；其中，相較于傳統(tǒng)PV組件，該系統(tǒng)的電效率提高了11%[5]。Zhou J搭建了基于新型微通道的直膨式太陽能PV/T熱泵系統(tǒng)，實驗結(jié)果表明，實驗運行條件下，新型PV/T微通道蒸發(fā)器模塊的平均熱效率、電效率和總效率分別為56.6%，15.4%，69.7%，該系統(tǒng)的平均COP為4.7[6]。加裝熱泵能夠進一步提高PV/T裝置的集能效率。其中，直膨式太陽能PV/T熱泵系統(tǒng)的集能效率優(yōu)于間接式，但直膨式太陽能PV/T熱泵系統(tǒng)存在制冷劑易泄露和工質(zhì)流動阻力高等問題，這些問題不容忽視。

利用MHPA技術(shù)和熱泵技術(shù)，能夠提升PV/T裝置的太陽能利用效率。但目前還未有在PV/T裝置中同時采用這兩種技術(shù)的相關(guān)研究。為了進一步探究利用上述兩種技術(shù)來提升PV/T裝置的太陽能利用效率，本文在文獻[7]，[8]的基礎(chǔ)上，同時利用這兩種技術(shù)搭建了基于微熱管陣列的太陽能PV/T熱泵系統(tǒng)（以下簡稱為微熱管陣列式PV/T熱泵系統(tǒng)），并對該系統(tǒng)進行了實驗研究。

1 實驗裝置

本實驗中微熱管陣列式PV/T熱泵系統(tǒng)主要由MHPA-PV/T收集器、熱泵蒸發(fā)側(cè)循環(huán)水系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)、恒溫水浴鍋、光伏發(fā)電系統(tǒng)和管路附件組成。其中，MHPA-PV/T收集器與熱泵蒸發(fā)側(cè)循環(huán)水系統(tǒng)之間采用直接連接方式進行連接；PV/T集熱系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)之間采用間接連接方式進行連接；熱泵系統(tǒng)為恒溫水浴供熱，用于模擬恒溫供熱需求的情況；光伏發(fā)電系統(tǒng)通過光伏逆控一體機將產(chǎn)生的電能收集到蓄電池中。

微熱管陣列式PV/T熱泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 微熱管陣列式PV/T熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The schematicdiagram of the structure of the Micro heat pipe array PV/T heat pump system

1.1 MHPA-PV/T收集器

MHPA是由多個鋁合金微熱管制成的新型導熱組件。相比于傳統(tǒng)熱管，MHPA具有以下優(yōu)勢：①傳熱能力較高，微槽增加了熱管的傳熱面積，并增加了蒸發(fā)部分和冷凝部分中的薄液膜的數(shù)量；②可靠性較高，各微熱管獨立工作，互不影響；③接觸熱阻較小，形狀平坦，易與傳熱表面結(jié)合[4]。

圖2為MHPA實物圖和橫截面示意圖。

圖2 MHPA實物圖和橫截面示意圖Fig.2 The physicalmap and schematic cross-section ofMHPA

MHPA-PV/T收集器由光伏板、MHPA、保溫材料和聯(lián)箱等部分構(gòu)成。其中，光伏板采用英利能源有限公司的YL200P-35b型多晶硅電池板，最大功率為200W，光伏電池覆蓋率為95%；以上述光伏板為基板，利用導熱硅膠將熱管的蒸發(fā)段粘接在光伏背板上，熱管冷凝端插入聯(lián)箱，與流經(jīng)聯(lián)箱的循環(huán)水直接接觸，其中熱管數(shù)量為10個，熱管間間距為75mm；最后在MHPA-PV/T收集器的背面和聯(lián)箱的周圍利用保溫材料進行封裝，以提升該收集器的保溫性能。

MHPA-PV/T收集器的實物圖和橫截面示意圖如圖3所示。

圖3 MHPA-PV/T收集器的實物圖和截面示意圖Fig.3 The physicalmap and schematic cross-section of MHPA-PV/T collector

MHPA-PV/T收集器各組成部分的型號尺寸如表1所示。

表1 MHPA-PV/T收集器各組成部分的型號與尺寸Table 1 Themodel and size of each componentof MHPA-PV/T collector

1.2 熱泵系統(tǒng)

熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器和冷凝器均為板式換熱器。熱泵蒸發(fā)端與MHPA-PV/T收集器相連接，熱泵冷凝端與恒溫水浴鍋相連接；熱泵壓縮機為丹弗斯SC10G型壓縮機；毛細管的長度為1.6m，內(nèi)徑為1mm；制冷劑為R134a型制冷劑。熱泵系統(tǒng)實物圖如圖4所示。恒溫水浴鍋用于模擬恒溫供熱，設(shè)定溫度為45±0.5℃。

圖4 熱泵系統(tǒng)實物圖Fig.4 The physicalmap of heat pump system

1.3 蓄電系統(tǒng)

蓄電系統(tǒng)主要由光伏逆變控制器和蓄電池組成。光伏逆變控制器能夠?qū)崿F(xiàn)交、直流電逆變轉(zhuǎn)換，并將光伏電能儲存于蓄電池中。光伏逆變控制器的型號為AT12220S，標準工況下其輸入直流電壓為12 V，輸出交流電壓為220 V，輸出頻率為50Hz。蓄電池由2塊密封式鉛酸蓄電池（12 V，100 A·h）串聯(lián)而成。

2 評價指標與測試內(nèi)容

2.1 評價指標

本文主要從熱、電性能和熱泵COP這3個方面對微熱管陣列式PV/T熱泵系統(tǒng)進行評價。因此，選取的評價指標有熱功率、熱效率、電功率、電效率、光電光熱綜合效率和COP等。

微熱管陣列式PV/T熱泵系統(tǒng)熱功率Qth和熱效率ηth的表達式分別為

式中：cw為循環(huán)水的比熱容，J/（kg·℃）；mw為循環(huán)水的質(zhì)量流量，kg/s；Tw，o，Tw，i分別為PV/T收集器的出口溫度和進口溫度，℃；G為太陽輻射強度，W/m2；APV/T為PV/T收集器的面積，m2。

微熱管陣列式PV/T熱泵系統(tǒng)電功率Qe和電效率ηe的表達式分別為

式中：U為光伏輸出電壓，V；I為光伏輸出電流，A；APV為光伏電池的凈面積，m2。

由于光伏板的電池覆蓋率為95%，因此，APV=0.95APV/T。

PV/T收集器可以同時收集電能和熱能，但由于熱能和電能的品位不同，因此須通過計算公式將其電效率進行轉(zhuǎn)化，從而獲得PV/T收集器在同一能源品位（熱能）基礎(chǔ)上的光電光熱綜合效率。光電光熱綜合效率η0的計算式為[9]

式中：ζ為常規(guī)火力發(fā)電廠的發(fā)電效率，為0.38。

熱泵的性能系數(shù)COP的表達式為

式中：Qcon為熱泵系統(tǒng)的冷凝換熱量，W；Ncom為熱泵壓縮機功率，W。

2.2 測量內(nèi)容

測量內(nèi)容主要根據(jù)評價指標的需求來確定，測量內(nèi)容包括微熱管陣列式PV/T熱泵系統(tǒng)的溫度、電壓、電流、功率，以及室外溫度和太陽輻射強度。微熱管陣列式PV/T熱泵系統(tǒng)中各測量點位置如圖5所示。

圖5 微熱管陣列式PV/T熱泵系統(tǒng)中各測量點位置Fig.5 Eachmeasurement point in themicro heat pipe array PV/T heat pump system

本文采用鉑電阻溫度傳感器測量溫度，該傳感器的設(shè)備型號為WZP-01，測量精度為A級。采用太陽能輻射傳感器測量太陽輻射強度，該傳感器的設(shè)備型號為TBQ-2B，測量精度為2.0%。采用電磁流量計測量循環(huán)工質(zhì)的流量，該流量計的設(shè)備型號為SE115MM，測量精度為0.5%。采用直流電流傳感器測量光伏板的輸出電流，該傳感器的設(shè)備型號為WBI1022F21，測量精度為1.0%。采用直流電壓傳感器測量光伏板的輸出電壓，該傳感器的設(shè)備型號為WBV342U01-S，測量精度為0.2%。采用功率傳感器（有用功率）測量熱泵壓縮機的功率，該傳感器的設(shè)備型號為WBP112S41，測量精度為0.5%。以上所有傳感器的數(shù)據(jù)均通過Agilent34972A型數(shù)據(jù)采集儀進行采集和記錄。

3 實驗結(jié)果與誤差分析

3.1 實驗測試結(jié)果

微熱管陣列式PV/T熱泵系統(tǒng)的試驗臺搭建于北京建筑大學實驗二號樓的樓頂，微熱管陣列式PV/T熱泵系統(tǒng)中的MHPA-PV/T收集器的安裝傾角為30°，熱泵蒸發(fā)側(cè)循環(huán)水系統(tǒng)與冷凝側(cè)循環(huán)水系統(tǒng)的循環(huán)水流量均為6 L/min，測試時間為2019年6月1號9：00-16：00，數(shù)據(jù)采集時間間隔為10min。測試時間段內(nèi)室外溫度和太陽輻射強度隨時間的變化情況如圖6所示。

圖6 測試時間段內(nèi)室外溫度和太陽輻射強度隨時間的變化情況Fig.6 The variation ofoutdoor temperature and solar radiation intensity with time during the test period

由圖6可知，測試時間段內(nèi)，室外溫度的最大值和平均值分別為36.6℃和30.9℃；太陽輻射強度的最大值和平均值分別為978W/m2和829 W/m2。

微熱管陣列式PV/T熱泵系統(tǒng)的熱量傳遞過程如下：①光伏板收集的熱量通過熱管傳遞給流經(jīng)聯(lián)箱的循環(huán)水；②循環(huán)水攜帶熱量流至熱泵蒸發(fā)側(cè)換熱器，并將熱量傳遞給熱泵蒸發(fā)端；③熱泵系統(tǒng)將熱泵蒸發(fā)端的熱量傳遞至熱泵冷凝端；④熱泵冷凝端向恒溫水浴鍋進行放熱。其中光伏板、熱泵蒸發(fā)端和熱泵冷凝端是影響微熱管陣列式PV/T熱泵系統(tǒng)換熱過程的主要換熱節(jié)點。

圖7為測試時間段內(nèi)微熱管陣列式PV/T熱泵系統(tǒng)主要換熱節(jié)點溫度隨時間的變化情況。

圖7 測試時間段內(nèi)微熱管陣列式PV/T熱泵系統(tǒng)主要換熱節(jié)點溫度隨時間的變化情況Fig.7 The temperature variation ofmain heatexchange nodes ofMHPA-PV/T heat pump system with time during the test period

由圖7可知，熱泵冷凝端冷凝溫度在測試時間段內(nèi)基本無變化，平均冷凝溫度為44.8℃，這是由于熱泵冷凝端與恒溫水浴鍋相連，而恒溫水浴鍋的溫度始終保持穩(wěn)定所導致的。MHPA-PV/T收集器表面溫度和熱泵蒸發(fā)端溫度均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，該變化趨勢與太陽輻射強度的相同，這是由于影響MHPA-PV/T收集器表面溫度的最主要因素為太陽輻射強度。由于MHPA-PV/T收集器本身具有一定的蓄熱性，因此，熱泵蒸發(fā)端溫度變化滯后于MHPA-PV/T收集器表面。由圖7還可以看出，MHPA-PV/T收集器表面溫度與熱泵蒸發(fā)端溫度相差較大，這是由于手工制作的MHPA-PV/T收集器在保溫和粘接等工藝存在瑕疵，導致MHPA-PV/T收集器換熱效果較差。

圖8為測試時間段內(nèi)MHPA-PV/T收集器熱功率和熱效率隨時間的變化情況。

由圖8可知，測試時間段內(nèi)，MHPA-PV/T收集器熱功率的平均值為444.8W，MHPA-PV/T收集器熱功率的變化趨勢為9：00-11：30時間段緩慢上升、12：30-16：00時間段快速下降，在11：30-12：30達到最大值。這是由于MHPA-PV/T收集器熱功率的大小主要取決于該集熱器與熱泵蒸發(fā)端之間的換熱效果，因此，MHPA-PV/T收集器熱功率的變化規(guī)律與MHPA-PV/T收集器和熱泵蒸發(fā)端之間溫差的變化規(guī)律相似（MHPA-PV/T收集器和熱泵蒸發(fā)端的溫度變化見圖7）。由圖8還可以看出，測試時間段內(nèi)，MHPA-PV/T收集器的熱效率呈現(xiàn)逐漸減小的變化趨勢，平均熱效率為38.7%。這是由于在9：00-12：30，MHPA-PV/T收集器熱功率的增幅小于太陽輻射強度，在12：30-16：00，MHPA-PV/T收集器熱功率的降幅大于太陽輻射強度導致的。

圖8 測試時間段內(nèi)MHPA-PV/T收集器熱功率和熱效率隨時間的變化情況Fig.8 The variation of thermal power and thermal efficiency of MHPA-PV/T collectorwith time during the test period

圖9為測試時間段內(nèi)熱泵壓縮機功率、冷凝換熱功率和COP隨時間的變化情況。

圖9 測試時間段內(nèi)熱泵壓縮機功率、冷凝換熱功率和COP隨時間的變化情況Fig.9 The variation of compressor power，condensation power and COP of heat pump with time during the test period

由圖9可知，測試時間段內(nèi)，熱泵冷凝換熱功率和熱泵COP均呈上升趨勢，熱泵壓縮機功率基本保持不變。熱泵冷凝換熱功率和熱泵COP呈現(xiàn)上升趨勢是由于熱泵壓縮機功率和熱泵冷凝溫度基本保持穩(wěn)定，但熱泵蒸發(fā)溫度整體呈上升趨勢所導致的。熱泵壓縮機的平均功率為478.8W；熱泵冷凝換熱功率的最大值和平均值分別為1 409.4W和1 313W；熱泵COP的最大值和平均值分別為2.9和2.7。導致熱泵COP較小的原因有兩個：①熱泵設(shè)備老化（使用時間超過4 a）；②熱泵選型偏大，即熱泵的額定制冷量遠高于MHPA-PV/T收集器的熱功率。

為體現(xiàn)微熱管陣列式PV/T熱泵系統(tǒng)與PV系統(tǒng)的電性能差異，本文搭建了一組PV系統(tǒng)，PV系統(tǒng)中的光伏板與MHPA-PV/T收集器中的光伏板相同。

測試時間段內(nèi)，微熱管陣列式PV/T熱泵系統(tǒng)和PV系統(tǒng)中，光伏板的溫度隨時間的變化情況如圖10所示。

圖10 測試時間段內(nèi)，微熱管陣列式PV/T熱泵系統(tǒng)和PV系統(tǒng)中，光伏板的溫度隨時間的變化情況Fig.10 The variation of photovoltaic panel temperature of micro heat pipe array PV/T heat pump system and PV system with time during the test period

由圖10可知，微熱管陣列式PV/T熱泵系統(tǒng)中光伏板的溫度低于PV系統(tǒng)。PV系統(tǒng)和微熱管陣列式PV/T熱泵系統(tǒng)的光伏板的最高溫度分別為56.2℃和33.9℃，平均溫度分別為50.2℃和31.5℃，平均溫度的差值為18.7℃。

測試時間段內(nèi)，微熱管陣列式PV/T熱泵系統(tǒng)和PV系統(tǒng)的電功率、電效率隨時間的變化情況如圖11所示。

圖11 測試時間段內(nèi)微熱管陣列式PV/T熱泵系統(tǒng)和PV系統(tǒng)的電功率、電效率隨時間的變化情況Fig.11 The variation of electric power and efficiency of PV/T systemmicro heat pipe array PV/T heat pump system and PV system with time during the test period

由圖11可知，測試時間段內(nèi)，PV系統(tǒng)的平均電功率和平均電效率分別為91.6W和9.4%。微熱管陣列式PV/T熱泵系統(tǒng)的平均電功率和平均電效率分別為118.5W和12.0%，與PV系統(tǒng)相比分別提高了29.4%和27.7%，這是由于微熱管陣列式PV/T熱泵系統(tǒng)對光伏板溫度的有效控制使得微熱管陣列式PV/T熱泵系統(tǒng)的電效率和電功率高于PV系統(tǒng)。由圖11還可以看出，2個系統(tǒng)的電功率均呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢，該變化趨勢與太陽輻射強度的相同，這是由于太陽輻射強度是影響光伏板發(fā)電功率的最主要因素。在15：30之后，由于微熱管陣列式PV/T熱泵系統(tǒng)的保溫和循環(huán)水溫度升高的作用，使得光伏板的散熱減弱，導致微熱管陣列式PV/T熱泵系統(tǒng)的電效率和電功率略低于PV系統(tǒng)。

根據(jù)式（5）計算得到微熱管陣列式PV/T熱泵系統(tǒng)在測試時間段內(nèi)的光電光熱綜合平均效率為70.3%。

3.2 實驗測量誤差分析

本文在實驗數(shù)據(jù)處理與分析過程中存在2類數(shù)據(jù)，一類是由測量儀器直接測量得到的獨立變量（如溫度、電流、功率等），另一類則是不可直接測量得出的非獨立變量（如熱功率、熱效率等）。對于獨立變量，其測量誤差的大小取決于測量儀器的測量精度；而對于非獨立變量，其測量誤差須由相關(guān)獨立變量的測量誤差計算得出。

例如某非獨立變量y=f（x1，x2…，xn），其相對誤差RE可由各個獨立變量xi（i=1，2，…，n）的誤差計算得出。

RE的計算式為[10]

非獨立變量y多次測量結(jié)果的平均相對誤差MRE的表達式為

式中：N為采集數(shù)據(jù)的個數(shù)。

根據(jù)式（7），（8）計算2019年6月1日的測試數(shù)據(jù)的測量誤差，計算結(jié)果如下：微熱管陣列式PV/T熱泵系統(tǒng)電功率的MRE為1.2%；電效率的MRE為3.2%；熱功率的MRE為19.5%；熱效率的MRE為21.5%；熱泵COP的MRE為7.4%。

4 結(jié)論

本文制作了一種基于MHPA技術(shù)的MHPAPV/T收集器，并加裝熱泵系統(tǒng)搭建了一種微熱管陣列式PV/T熱泵系統(tǒng)。在熱泵為恒溫水浴供熱的工況下，對微熱管陣列式PV/T熱泵系統(tǒng)性能進行實驗，測試與分析結(jié)果如下。

①測試時間段內(nèi)，MHPA-PV/T收集器的平均電效率和平均熱效率分別為12%和38.7%，光電光熱綜合平均效率為70.3%，熱泵的平均COP為2.7。

②MHPA-PV/T收集器的電性能優(yōu)于單一PV系統(tǒng)，MHPA-PV/T收集器的平均電功率和平均電效率分別提高了29.4%和27.7%。

③微熱管陣列式PV/T熱泵系統(tǒng)的熱泵的COP偏低，其主要原因在于熱泵設(shè)備老化和選型偏大。