張 濤,朱群志,李琦芬

(上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院,上海 200090)

PV-SAHP/HP復(fù)合系統(tǒng)不同運(yùn)行模式下系統(tǒng)性能的實(shí)驗(yàn)研究

張 濤,朱群志,李琦芬

(上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院,上海 200090)

為拓展太陽(yáng)能的利用方式,減少能源消耗,將光伏-太陽(yáng)能熱泵與熱管進(jìn)行有機(jī)結(jié)合,提出了光伏-太陽(yáng)能熱泵/熱管復(fù)合系統(tǒng)的思想；設(shè)計(jì)并搭建了光伏-太陽(yáng)能熱泵/熱管復(fù)合系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái),對(duì)熱管單獨(dú)運(yùn)行和熱泵單獨(dú)運(yùn)行模式下系統(tǒng)的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.結(jié)果表明,在熱管單獨(dú)運(yùn)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(dú)運(yùn)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(yáng)能熱泵；熱管；光電光熱綜合效率；效率

光伏-太陽(yáng)能熱泵(Photovoltaic Solar-Assisted Heat Pump,PV-SAHP)是以太陽(yáng)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(yáng)能以較高的溫度輸出,滿(mǎn)足用戶(hù)的熱水需求；同時(shí)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(jiàn)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(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)PV-SAHP系統(tǒng)的性能、傳熱特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了深入的研究.［4-6］但PV-SAHP系統(tǒng)的運(yùn)行需要消耗較多的電能來(lái)完成其壓縮機(jī)的壓縮過(guò)程；當(dāng)太陽(yáng)輻照較強(qiáng)、外界環(huán)境溫度較高時(shí),采用被動(dòng)式的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)也能滿(mǎn)足用戶(hù)的生活熱水需求,此時(shí)若仍采用PV-SAHP系統(tǒng)來(lái)制取生活熱水,將會(huì)造成不必要的能源浪費(fèi).

熱管(Heat Pipe)是一種很好的熱量傳輸工具,其工作過(guò)程不需要外加動(dòng)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(yáng)能集熱器在冬季結(jié)冰的問(wèn)題,在太陽(yáng)能傳熱上具有很好的應(yīng)用前景.其常見(jiàn)的結(jié)合方式是將熱管的蒸發(fā)段與太陽(yáng)能吸熱板焊接,冷凝段插入集管中,通過(guò)集管內(nèi)流動(dòng)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(yáng)能熱水系統(tǒng)或熱管式PV/T系統(tǒng)在太陽(yáng)輻照不足或是環(huán)溫較低時(shí)存在熱能輸出達(dá)不到使用要求的缺點(diǎn).

本文結(jié)合PV-SAHP系統(tǒng)及熱管傳熱特性的優(yōu)點(diǎn),將二者進(jìn)行有機(jī)結(jié)合,提出了光伏太陽(yáng)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(shí)設(shè)計(jì)并搭建了光伏-太陽(yáng)能熱泵/熱管復(fù)合系統(tǒng)室外測(cè)試平臺(tái).該復(fù)合系統(tǒng)具備兩種運(yùn)行模型,即熱管單獨(dú)運(yùn)行模式和熱泵單獨(dú)運(yùn)行模式.當(dāng)太陽(yáng)輻照強(qiáng)時(shí),采用熱管運(yùn)行模式,該運(yùn)行模式無(wú)能量消耗；當(dāng)太陽(yáng)輻照強(qiáng)度不強(qiáng)或水溫未達(dá)到使用要求時(shí),采取熱泵運(yùn)行模式.針對(duì)氣候條件的不同,對(duì)運(yùn)行模式進(jìn)行合理的切換,在滿(mǎn)足用戶(hù)熱水需求的同時(shí),可大幅度降低能源消耗.本文對(duì)熱管單獨(dú)運(yùn)行模式和熱泵單獨(dú)運(yùn)行模式下系統(tǒng)的性能進(jìn)行了室外實(shí)驗(yàn)研究,研究結(jié)果可為系統(tǒng)的優(yōu)化及后續(xù)運(yùn)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(jì)

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(gè)PV/T集熱器-蒸發(fā)器和儲(chǔ)水箱,系統(tǒng)原理如圖1所示.圖1中,外環(huán)路為熱泵運(yùn)行循環(huán)回路,內(nèi)環(huán)路為熱管運(yùn)行循環(huán)回路.

PV-SAHP/HP復(fù)合系統(tǒng)由壓縮機(jī)、節(jié)流閥、帶盤(pán)管的儲(chǔ)水箱(560 L)、4個(gè)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(mén)、實(shí)驗(yàn)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(pán)管為熱泵的冷凝器,光伏電池的電能通過(guò)控制逆變?cè)O(shè)備存儲(chǔ)到蓄電池中,之后通過(guò)逆變器實(shí)現(xiàn)交流輸出.本文設(shè)計(jì)并搭建了PVSAHP/HP復(fù)合系統(tǒng)的室外實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái),如圖3所示.從能量利用效率和效率的角度分別對(duì)PV-SAHP/HP復(fù)合系統(tǒng)在熱管單獨(dú)運(yùn)行模式和熱泵單獨(dú)運(yùn)行模式下系統(tǒng)的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究.

圖3 PV-SAHP/HP復(fù)合系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)

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(dú)運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)的光熱效率為：

式中：Mw——儲(chǔ)水箱內(nèi)水的總質(zhì)量,kg；

cw——水的比熱容,J/(kg·K)；

Ht——對(duì)應(yīng)時(shí)間間隔內(nèi)的集熱器表面接收的總太陽(yáng)輻照量,J.

熱泵單獨(dú)運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)的光熱效率為：［10］

式中：Wp——壓縮機(jī)的功率,W；

t——計(jì)算的時(shí)間間隔,s.

2.2 光電效率計(jì)算

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

式中：Epv——系統(tǒng)的瞬時(shí)光電效率,W；

N——對(duì)應(yīng)時(shí)間間隔內(nèi)實(shí)驗(yàn)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(píng)價(jià)參考普通的PV/T系統(tǒng),根據(jù)熱力學(xué)第一定律,其計(jì)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(duì)外做功能力.基于熱力學(xué)第二定律,效率可以從系統(tǒng)對(duì)外做功的角度更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)系統(tǒng)的綜合性能：［12］

2.5 熱泵性能系數(shù)計(jì)算

根據(jù)水箱的得熱量及壓縮機(jī)的耗功,即可計(jì)算熱泵的性能系數(shù)：

3 兩種運(yùn)行模式下系統(tǒng)性能的實(shí)驗(yàn)研究

3.1 熱管單獨(dú)運(yùn)行模式

根據(jù)GB/T 4271—2007,［13］實(shí)驗(yàn)從上午8：00開(kāi)始到下午16：00結(jié)束,共8 h.實(shí)驗(yàn)期間,單位面積的累積太陽(yáng)輻照量為21.06 M J/m2,平均太陽(yáng)輻照強(qiáng)度為730.56 W/m2,滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試要求；測(cè)試期間的平均環(huán)境溫度為27.18℃.

3.1.1 瞬時(shí)光熱效率及瞬時(shí)光電效率

熱管單獨(dú)運(yùn)行模式時(shí),系統(tǒng)的瞬時(shí)光熱效率和光電效率(每30 min)的波動(dòng)趨勢(shì)如圖4所示.

圖4 熱管單獨(dú)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)瞬時(shí)光熱效率和光電效率波動(dòng)

由圖4可以看出,系統(tǒng)的瞬時(shí)光熱效率呈先增大后減小的變化趨勢(shì),最小值為13.17%,出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)?zāi)┢冢蛔畲笾禐?7.90%,出現(xiàn)在正午.系統(tǒng)的光熱效率在實(shí)驗(yàn)初期和實(shí)驗(yàn)?zāi)┢诰霈F(xiàn)較大的波動(dòng)：在實(shí)驗(yàn)初期,環(huán)境溫度和儲(chǔ)水箱內(nèi)的水溫相差不大,系統(tǒng)熱損小,但隨著太陽(yáng)輻照強(qiáng)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(shí)驗(yàn)?zāi)┢?儲(chǔ)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(yáng)輻照強(qiáng)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(shì)與光熱相同,也呈先增大后減小的趨勢(shì),最大瞬時(shí)光電效率為11.21%,最小瞬時(shí)光電效率為8.64%.實(shí)驗(yàn)初期和末期系統(tǒng)光電效率較低的原因是因?yàn)樘?yáng)入射角較大,導(dǎo)致玻璃蓋板的透過(guò)率偏低,同時(shí)反射率偏高.經(jīng)計(jì)算可得,熱管單獨(dú)運(yùn)行時(shí),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(dú)運(yùn)行時(shí),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?yàn)闊峁艿睦淠闻c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(dú)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)綜合效率和效率波動(dòng)

從圖5中可以看出,系統(tǒng)的光電光熱綜合效率與瞬時(shí)光熱效率具有較相近的波動(dòng)趨勢(shì),而系統(tǒng)的效率與瞬時(shí)光電效率也具有較相近的波動(dòng)趨勢(shì).這是因?yàn)樵谙到y(tǒng)綜合效率的計(jì)算中,光熱效率起主導(dǎo)作用,系統(tǒng)瞬時(shí)光電效率和光熱效率相比偏小,同時(shí)還受電池覆蓋率的影響.而在效率的計(jì)算中,由于光熱效率偏低,同時(shí)光熱效率低導(dǎo)致水箱水溫不高(實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)為38.51℃),所以光熱效率很低,光電起主導(dǎo)作用.由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得,系統(tǒng)的最大瞬時(shí)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(dú)運(yùn)行模式

與熱管單獨(dú)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)相同,熱泵實(shí)驗(yàn)也從上午8：00開(kāi)始到下午16：00結(jié)束,共8 h.實(shí)驗(yàn)期間,單位面積的累積太陽(yáng)輻照量為22.03 MJ/m2,平均太陽(yáng)輻照為764.00 W/m2,平均環(huán)境溫度為26.33℃.

3.2.1 瞬時(shí)光熱效率及瞬時(shí)光電效率

熱泵單獨(dú)運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)的瞬時(shí)光熱效率和光電效率(每30 min)的波動(dòng)趨勢(shì)如圖6所示.

圖6 熱泵單獨(dú)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)瞬時(shí)光熱效率和光電效率波動(dòng)

由圖6可知,與熱管單獨(dú)運(yùn)行時(shí)相反,系統(tǒng)的瞬時(shí)光熱效率呈先減小后增大的變化趨勢(shì),最大值為54.74%,出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)初期,最小值為41.51%,出現(xiàn)在中午12：00～12：30.與熱管運(yùn)行時(shí)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(shí)光熱效率明顯大于熱管單獨(dú)運(yùn)行時(shí).在本實(shí)驗(yàn)中,受熱泵傳熱性能的限制,太陽(yáng)輻照強(qiáng)時(shí),照射到集熱器表面的太陽(yáng)輻照能超過(guò)了熱泵的傳熱上限,因此隨著太陽(yáng)輻照的增強(qiáng),系統(tǒng)的瞬時(shí)光熱效率逐漸下降.通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可知,熱泵單獨(dú)運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)的日平均光熱效率可達(dá)46.27%,遠(yuǎn)大于熱管單獨(dú)運(yùn)行模式.

熱泵單獨(dú)運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)的瞬時(shí)光電效率具有與熱管單獨(dú)運(yùn)行時(shí)相同的變化趨勢(shì),都為先增大后減小,其波動(dòng)原因也與熱管單獨(dú)運(yùn)行時(shí)相同.通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可知,系統(tǒng)的最大瞬時(shí)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(dú)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的光電效率略高于熱管單獨(dú)運(yùn)行時(shí),除兩天的氣候因素外,另一個(gè)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(dú)運(yùn)行時(shí)相同,系統(tǒng)的光電光熱綜合效率與瞬時(shí)光熱效率具有較相近的波動(dòng)趨勢(shì),而系統(tǒng)的效率與瞬時(shí)光電效率也具有較相近的波動(dòng)趨勢(shì).不同的是,光電效率在綜合效率中占的比重更小,這是因?yàn)闊岜脝为?dú)運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)的瞬時(shí)光熱效率更高；而在效率的計(jì)算中,光熱的比重變大,這是因?yàn)橄到y(tǒng)的水溫更高(實(shí)驗(yàn)?zāi)┢跒?4.15℃).由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得,系統(tǒng)的最大瞬時(shí)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(dú)運(yùn)行模式.

圖7 熱泵單獨(dú)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)綜合效率和效率波動(dòng)

3.2.3 熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)

熱泵單獨(dú)運(yùn)行時(shí),水箱水溫、壓縮機(jī)瞬時(shí)功率及熱泵性能系數(shù)εCOP(每30 m in)的變化趨勢(shì)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(xiàn)性增長(zhǎng)的趨勢(shì),實(shí)驗(yàn)?zāi)┢谒鋬?nèi)的水溫可達(dá)54.1℃,完全滿(mǎn)足生活需求；壓縮機(jī)的功耗在絕大部分時(shí)間里也呈線(xiàn)性增長(zhǎng)的趨勢(shì),實(shí)驗(yàn)初期最小功耗為443.39W,最大可達(dá)665.55 W.這是因?yàn)殡S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(jī)的功耗也逐漸增大；在實(shí)驗(yàn)?zāi)┢?15：00以后),由于太陽(yáng)輻照強(qiáng)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(jī)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(shí)間總體上呈先增大后減小的變化趨勢(shì).在實(shí)驗(yàn)初期,太陽(yáng)輻照強(qiáng)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(yáng)輻照強(qiáng)度的增大及太陽(yáng)入射角的減小而逐漸增大；在實(shí)驗(yàn)中期,隨著太陽(yáng)輻照強(qiáng)度的增大,系統(tǒng)的得熱量增大,同時(shí)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(guò)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(shí)驗(yàn)?zāi)┢?儲(chǔ)水箱內(nèi)的水溫溫度較高,系統(tǒng)的熱損較大,同時(shí)太陽(yáng)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(shí)驗(yàn)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(dú)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)水溫、壓縮機(jī)耗功及性能系數(shù)波動(dòng)

4 結(jié) 論

(1)熱管運(yùn)行模式下,PV-SAHP/HP復(fù)合系數(shù)的瞬時(shí)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(yáng)能集熱器；系統(tǒng)的瞬時(shí)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(yùn)行模式下,復(fù)合系統(tǒng)的瞬時(shí)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(shí)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(shì)與瞬時(shí)光熱效率的變化趨勢(shì)相近,而效率的變化趨勢(shì)與瞬時(shí)光電效率的波動(dòng)趨勢(shì)相近.在熱管單獨(dú)運(yùn)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(dú)運(yùn)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(dú)運(yùn)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?yàn)樘?yáng)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).