光伏一體化太陽能熱泵熱水器的實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂?/h1>
2018-03-05 00:39:14何宏宇李舒宏董科楓
中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) 2018年12期
何宏宇，李舒宏，董科楓
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光伏一體化太陽能熱泵熱水器的實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂?/p>
何宏宇，李舒宏，董科楓
(東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京，210096)
針對(duì)光伏一體化太陽能熱泵熱水器(PV-SAHPWH)的實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂崎_展模擬和試驗(yàn)研究，開發(fā)實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂葡到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)在預(yù)定時(shí)間內(nèi)完成制熱水任務(wù)、降低能耗和提高系統(tǒng)凈發(fā)電量的目的；建立光伏一體化太陽能熱泵系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并在南京搭建集熱面積為4.32 m2、含1匹R22工質(zhì)壓縮機(jī)和150 L保溫水箱的光伏一體化太陽能熱泵試驗(yàn)樣機(jī)，使用經(jīng)定頻運(yùn)行試驗(yàn)驗(yàn)證的仿真程序構(gòu)建系統(tǒng)全年運(yùn)行性能數(shù)據(jù)庫，并得出控制策略表；在實(shí)時(shí)變?nèi)萘吭囼?yàn)中，變頻壓縮機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)容量，同時(shí)電子膨脹閥控制蒸發(fā)器出口過熱度實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂?。研究結(jié)果表明：實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂品绞剿玫男阅芟禂?shù)和光伏發(fā)電量分別比其他控制方式高5.7%~9.4%和9.7%~12.4%，且能精確地在預(yù)定時(shí)間內(nèi)完成制熱水任務(wù)。
太陽能熱泵；實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂疲豢刂撇呗?/p>
光伏一體化的太陽能熱泵熱水器是太陽能光伏/光熱一體化利用的有效裝置[1]。一方面，其利用制冷劑從光伏組件背后吸收太陽能光熱，保證全年穩(wěn)定溫度的生活熱水供應(yīng)；另一方面，光伏組件被冷卻，光電轉(zhuǎn)化效率提高，增加了光伏發(fā)電量。自KERN等[2]于1978年提出光伏/光熱一體化利用概念以來，HAWLADER等[3?12]對(duì)太陽能光伏/光熱系統(tǒng)或光伏一體化的太陽能熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示光伏一體化太陽能熱泵的性能受太陽輻照度、環(huán)境溫度等環(huán)境工況參數(shù)的影響，且這些工況參數(shù)隨時(shí)間的變化而改變。GUPTA等[7?8]提出通過不同的環(huán)境工況調(diào)節(jié)系統(tǒng)的吸熱容量，以進(jìn)一步改善系統(tǒng)的性能。變頻壓縮機(jī)最早于20世紀(jì)80年代被提出，用于調(diào)節(jié)太陽能熱泵系統(tǒng)吸熱容量。CHATURVEDI等[9]制作了使用變頻器驅(qū)動(dòng)變頻壓縮機(jī)的直膨式太陽能熱泵，壓縮機(jī)運(yùn)行頻率為30~70 Hz，并根據(jù)模擬結(jié)果設(shè)定了太陽輻射和環(huán)境溫度組合下能確保系統(tǒng)性能系數(shù)高于3.0的運(yùn)行頻率，然而，其僅局限于理論分析，未對(duì)運(yùn)行策略進(jìn)行實(shí)用化定制。王海濤等[10]在光伏一體化太陽能熱泵系統(tǒng)中使用了變頻壓縮機(jī)和電子膨脹閥，提出用變頻壓縮機(jī)調(diào)節(jié)負(fù)荷，用電子膨脹閥開度保證蒸發(fā)器出口過熱度最佳。然而，該方法局限于電子膨脹閥的開度問題，沒有考慮過熱度PID控制的合理性。李郁武 等[11]開發(fā)了控制器，實(shí)現(xiàn)了直膨式太陽能熱泵熱水器過熱度的PI控制，并實(shí)現(xiàn)了變頻壓縮機(jī)和電子膨脹的聯(lián)合控制，以保證制熱水過程性能系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)確定各工況下的運(yùn)行頻率[12]，但其制定的控制策略也僅根據(jù)啟動(dòng)時(shí)的環(huán)境工況進(jìn)行定頻運(yùn)行，并沒有最大限度地提高系統(tǒng)性能系數(shù)，也無法適應(yīng)制熱水過程中變化的環(huán)境工況。因此，為了適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境工況，需研究光伏一體化太陽能熱泵熱水器的實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂圃瓌t和策略，以及變頻壓縮機(jī)和電子膨脹閥聯(lián)合控制實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂葡到y(tǒng)的實(shí)際工程應(yīng)用。本文作者將對(duì)光伏一體化的太陽能熱泵熱水器的變?nèi)萘靠刂撇呗哉归_模擬和試驗(yàn)研究，建立光伏太陽能熱泵熱水器的數(shù)學(xué)模型并搭建試驗(yàn)樣機(jī)，開發(fā)實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂葡到y(tǒng)，并驗(yàn)證實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂撇呗浴?/p>
1 控制策略原則
光伏一體化太陽能熱泵熱水器的控制目標(biāo)是在預(yù)定制熱水時(shí)間內(nèi)以較低的能耗完成制熱水，提高全天凈發(fā)電量。為此，控制策略應(yīng)遵循以下3個(gè)原則。
1) 對(duì)環(huán)境工況參數(shù)和系統(tǒng)運(yùn)行頻率分擋制定控制策略。
需要分擋的參數(shù)包括太陽輻照度、環(huán)境溫度、水箱初始水溫和壓縮機(jī)運(yùn)行頻率，分擋后可減輕策略制定的工作量。太陽輻照度按每100 W/m21擋，100~ 1 000 W/m2被分為10擋；環(huán)境溫度按每2.5℃ 1擋，2.5~32.5℃被分為12擋；水箱初始水溫認(rèn)為是當(dāng)天早晨的自來水溫度，由于自來水溫度和氣溫相關(guān)，因此，水箱初始水溫分為3擋，低于環(huán)境溫度2.5℃、等于環(huán)境溫度和高于環(huán)境溫度2.5℃；運(yùn)行頻率按 5 Hz 1擋，20~60 Hz被分為9擋。
2) 各月份預(yù)定最大制熱水時(shí)間按當(dāng)月理論太陽輻照度高于200 W/m2的時(shí)間計(jì)算。
光伏一體化太陽能熱泵是以太陽光熱和環(huán)境空氣為熱源的熱泵系統(tǒng)，太陽光熱是提升熱泵能效的重要熱源，因此，光伏一體化太陽能熱泵應(yīng)盡量運(yùn)行在有日照條件的白天。以南京[13]為例，選取各月份理論太陽輻照度大于200 W/m2的時(shí)間作為預(yù)定最大制熱水時(shí)間。南京地區(qū)各月份預(yù)定最大制熱水時(shí)間如表1 所示。
表1 南京地區(qū)各月份預(yù)定最大制熱水時(shí)長(zhǎng)
3) 系統(tǒng)運(yùn)行頻率實(shí)時(shí)設(shè)定為當(dāng)前環(huán)境工況下在預(yù)定最大制熱水時(shí)間內(nèi)完成制熱水任務(wù)的最低值。
研究表明，在相同的環(huán)境工況及熱水制取目標(biāo)下，系統(tǒng)壓縮機(jī)運(yùn)行頻率越低，耗時(shí)越長(zhǎng)，能耗越低[14]。因此，若能通過模擬得出能按時(shí)完成制熱水任務(wù)的最低頻率，則可盡可能降低能耗。
2 光伏一體化太陽能熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)
為了形成能用于獲得全年運(yùn)行數(shù)據(jù)的仿真程序，也為了開發(fā)檢驗(yàn)實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂葡到y(tǒng)，在南京搭建光伏一體化的太陽能熱泵熱水器裝置。
2.1 光伏一體化太陽能熱泵設(shè)計(jì)
在東南大學(xué)四牌樓校區(qū)制冷空調(diào)試驗(yàn)室樓頂搭建1套光伏一體化變頻太陽能熱泵熱水器樣機(jī)。系統(tǒng)包括面積為4.32 m2的光伏蒸發(fā)器陣列、1匹R22工質(zhì)交流變頻壓縮機(jī)、150 L保溫冷凝水箱和電子膨脹閥。光伏蒸發(fā)器陣列由6塊小光伏蒸發(fā)板組成，每塊小光伏蒸發(fā)板長(zhǎng)×寬×高為1 200 mm×600 mm×20 mm，由平板式單晶硅組件和下方緊密貼附的管板式集熱蒸發(fā)器組成，每塊小光伏蒸發(fā)板額定發(fā)電量為90 W。熱泵系統(tǒng)和變?nèi)萘靠刂葡到y(tǒng)原理圖如圖1所示，光伏蒸發(fā)板陣列和管板式集熱器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，光伏蒸發(fā)器的剖面結(jié)構(gòu)如圖3所示，各層參數(shù)如表2 所示。
光伏蒸發(fā)器進(jìn)出口和冷凝水箱進(jìn)出口的制冷劑溫度使用熱電偶測(cè)量，太陽輻照度使用太陽總輻射表測(cè)量；水箱水溫通過2個(gè)分別固定在水箱中心深度方向1/3和2/3深度的熱電偶測(cè)量，水箱溫度取2個(gè)熱電偶溫度的平均值。
圖1 光伏一體化太陽能熱泵熱水器和變?nèi)萘靠刂葡到y(tǒng)原理圖
數(shù)據(jù)單位：mm
圖3 光伏蒸發(fā)器剖面結(jié)構(gòu)圖
表2 光伏蒸發(fā)器各層參數(shù)
2.2 實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)由太陽總輻射表、熱電偶、PLC(可編程邏輯控制器)、變頻器、交流變頻壓縮機(jī)和電子膨脹閥組成。通過太陽總輻射表和熱電偶向PLC提供太陽輻照度和環(huán)境溫度。PLC采用西門子S7?200 SMART附加EM AI04和EMAT04模塊，變頻器型號(hào)為丹佛斯FC51。PLC可以輸出特定頻率的交流電，隨后變頻壓縮機(jī)將以該頻率運(yùn)行。電子膨脹閥采用愛默生的成套過熱度控制器、傳感器和閥體。通過該控制系統(tǒng)，變頻器可根據(jù)當(dāng)前環(huán)境工況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)吸熱容量，電子膨脹閥同時(shí)維持光伏蒸發(fā)器出口小而穩(wěn)定的過 熱度。
3 系統(tǒng)建模
對(duì)光伏一體化太陽能熱泵的主要部件進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。
3.1 光伏蒸發(fā)器
光伏蒸發(fā)器的熱量傳遞過程如圖4所示。
圖4 光伏蒸發(fā)器熱流熱阻圖
太陽光照射到光伏電池表面后，部分轉(zhuǎn)化為電能，其余轉(zhuǎn)化為熱能。其中，部分通過導(dǎo)熱被光伏組件后的制冷劑吸收，另一部分通過輻射和對(duì)流換熱的方式傳遞至環(huán)境空氣中。由于絕熱良好，光伏蒸發(fā)器背面和側(cè)面的熱量損失不計(jì)。光伏集熱板的熱平衡方 程[15]為
蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑吸收的熱量e可以用下式計(jì)算：
式中：s為太陽輻射能；c為光伏集熱器面積；g為鋼化玻璃透過率；為光伏集熱板平均吸收率；為電池覆蓋率；pv為當(dāng)前光伏組件溫度下的光電效率；L為光伏集熱器總熱損系數(shù)。
根據(jù)圖4所示的光伏蒸發(fā)器熱阻圖，定義L為以吸熱背板平均溫度p為參照的光伏集熱器總熱損 系數(shù)：
對(duì)流和輻射熱損量均表達(dá)為對(duì)流傳熱形式，對(duì)流和輻射換熱系數(shù)表達(dá)式[16]為：
式中：w為電池板表面風(fēng)速；g為表面玻璃發(fā)射率；為斯蒂芬?玻爾茲曼常數(shù)。
太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率計(jì)算式隨光伏電池溫度變化[17]：
式中：0為光伏組件標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試工況下的光電效率。
光伏蒸發(fā)器蒸發(fā)銅管內(nèi)制冷劑兩相區(qū)局部對(duì)流換熱系數(shù)tp()[18]如下：
式中：tt為Martinelii數(shù)；1為制冷劑純液相時(shí)的換熱系數(shù)。
3.2 保溫水箱模型
保溫冷凝水箱中浸沒全長(zhǎng)30 m的螺旋盤管作為系統(tǒng)冷凝器用于加熱熱水。認(rèn)為制冷劑在水箱中放出的熱量和水箱中循環(huán)水吸收的熱量相等，即
式中：k為制冷劑在水箱中放出的熱量；c,i為制冷劑在冷凝器入口的焓；c,o為制冷劑在冷凝器出口的焓；p為水的比熱容；w為水箱內(nèi)循環(huán)水質(zhì)量流量；w為水吸收的熱量；Δw為某時(shí)間段的水溫差。
制冷劑向水放出的熱量用下式計(jì)算：
式中：k為以冷凝管外表面面積為基準(zhǔn)的換熱系數(shù)；k冷凝管的外表面面積；Δr-w為制冷劑與水箱儲(chǔ)水間的對(duì)數(shù)傳熱溫差。
式(9)中的傳熱溫差采用對(duì)數(shù)傳熱溫差，其中傳熱系數(shù)是基于冷凝管外表面積計(jì)算的，表達(dá)式如下：
式中：out為冷凝管外半徑；in為冷凝管內(nèi)半徑；c為冷凝管管壁導(dǎo)熱系數(shù)；r為制冷劑側(cè)的換熱系數(shù)；w為水箱水側(cè)的換熱系數(shù)。
3.3 壓縮機(jī)模型
系統(tǒng)壓縮機(jī)使用的是交流變頻壓縮機(jī)，制冷劑流量由壓縮機(jī)的運(yùn)行頻率決定：
式中，Iup是上轉(zhuǎn)換熒光的積分強(qiáng)度，P是泵浦光的功率，n為發(fā)射可見光所需吸收的980nm紅外光光子的個(gè)數(shù)。對(duì)上兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，即可得光子數(shù)n為：
式中：為壓縮機(jī)輸氣系數(shù)；0為壓縮機(jī)的額定轉(zhuǎn)速；g為壓縮機(jī)氣缸容積；為壓縮機(jī)當(dāng)前運(yùn)行頻率；suc為壓縮機(jī)吸氣口制冷劑氣體比熱容；0為額定電源 頻率。
壓縮機(jī)功耗comp根據(jù)質(zhì)量流量和壓縮機(jī)進(jìn)出口狀態(tài)焓計(jì)算：
式中：r為制冷劑流量；dis0為等熵壓縮下冷凝壓力對(duì)應(yīng)的出口焓；suc為吸氣狀態(tài)對(duì)應(yīng)的制冷劑焓；i為指示效率，取0.85；m為機(jī)械效率；mt為電機(jī)效率，兩者乘積取0.55。
將COP系統(tǒng)值表示為COP，按下式計(jì)算：
COP=k/comp(13)
3.4 膨脹閥模型
認(rèn)為制冷劑經(jīng)過膨脹閥是理想的絕熱過程，因此，進(jìn)、出口焓相等，即
式中：e, i為蒸發(fā)器進(jìn)口焓。
3.5 模型驗(yàn)證
根據(jù)以上部件模型建立系統(tǒng)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)仿真模型，模擬使用的樣機(jī)參數(shù)如表3所示。
表3 試驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)
在2016?08?25—2017?02?27進(jìn)行了若干次系統(tǒng)定頻運(yùn)行試驗(yàn)，并與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表4所示。
定頻運(yùn)行試驗(yàn)和模擬結(jié)果的對(duì)比顯示仿真模擬程序具有較高的精度，可以用于全年性能的模擬和進(jìn)一步控制策略的制定。
4 控制策略
使用驗(yàn)證過的仿真程序模擬得到不同環(huán)境工況和運(yùn)行頻率下的樣機(jī)性能，經(jīng)篩選得到需要的控制策略表。
表4 定頻運(yùn)行試驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比
壓縮機(jī)運(yùn)行頻率設(shè)定為20~60 Hz，最低頻率設(shè)置為20 Hz，以避免樣機(jī)壓縮機(jī)處于低頻不穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，60 Hz為樣機(jī)壓縮機(jī)的額定最高運(yùn)行頻率。
水箱初始水溫將影響加熱時(shí)間。南京地區(qū)各月份典型水箱初始溫度見表5。
表5 南京地區(qū)各月份典型水箱初始溫度
雖然這里給出了典型的水初溫情況，但是水初溫可能在典型值附近上下浮動(dòng)。在各月份模擬中，可以多考慮提高和降低1擋水初溫來進(jìn)行模擬。
有一種特殊情況必須在模擬啟動(dòng)階段予以考慮，即在某些特定工況下，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，太陽輻照度很高，水箱初始水溫較低，則當(dāng)系統(tǒng)低頻啟動(dòng)時(shí)，蒸發(fā)壓力可能會(huì)比冷凝壓力高，使系統(tǒng)無法正常工作。因此，在啟動(dòng)階段應(yīng)當(dāng)提高系統(tǒng)的啟動(dòng)頻率，直到水箱水溫高到足夠支持系統(tǒng)在低頻率運(yùn)行。
本文根據(jù)系統(tǒng)模型建立另一個(gè)模擬程序，用于計(jì)算系統(tǒng)啟動(dòng)階段的最低啟動(dòng)頻率。在這個(gè)程序中，假設(shè)蒸發(fā)溫度等于水箱水溫。程序?qū)⒉粩嘤?jì)算啟動(dòng)過程中需要的最低頻率，直到達(dá)到在預(yù)定時(shí)間內(nèi)完成制熱水的最低值為止。恰好到達(dá)頻率最低值時(shí)的水箱溫度定義為“轉(zhuǎn)換水溫”。
以太陽輻照度為800 W/m2、環(huán)境溫度為25.0℃、水箱初始溫度為20.0℃的條件為例，系統(tǒng)制熱水過程運(yùn)行頻率的變化如圖5所示。系統(tǒng)維持正常運(yùn)行的頻率逐漸降低直到第52 min開始保持在20 Hz，此時(shí)“轉(zhuǎn)換水溫”為28.36℃。
考慮啟動(dòng)階段的特殊情況和基于前文制定的控制策略原則，根據(jù)仿真程序得到全年運(yùn)行性能數(shù)據(jù)庫及控制策略表。部分控制策略表如表6所示(環(huán)境溫度為15.0℃，水初溫為7.5 ℃)。
表6所示的控制策略表列出了不同固定環(huán)境工況參數(shù)和運(yùn)行頻率條件下實(shí)際需要的熱水加熱時(shí)間。由于水初溫較高、預(yù)定最大加熱時(shí)間長(zhǎng)，在4—10月份，系統(tǒng)運(yùn)行頻率能始終保持20 Hz，而其他月份由于水初溫較低，預(yù)定最大加熱時(shí)間短，頻率需要根據(jù)環(huán)境工況實(shí)時(shí)變化。但是，當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際工作時(shí)，環(huán)境工況時(shí)刻在變化，需要預(yù)測(cè)制熱水期間平均太陽輻照度和平均環(huán)境溫度，以確定系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間。
1—蒸發(fā)溫度；2—冷凝溫度；3—運(yùn)行頻率；4—水溫。
表6 控制策略表節(jié)選(2月份)
綜合實(shí)時(shí)控制策略如圖6所示。
步驟1：獲取日期、天氣預(yù)報(bào)和初始水箱水溫；
步驟2：根據(jù)月份和平均太陽輻照度計(jì)算系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間；
步驟3：在運(yùn)行過程中，根據(jù)環(huán)境工況數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)設(shè)定最低運(yùn)行頻率；
步驟4：若水箱溫度達(dá)到50℃，則關(guān)閉系統(tǒng)。
5 實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂菩Ч麑?duì)比
在2017?03?15—2017?03?15進(jìn)行了實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂圃囼?yàn)，其環(huán)境工況參數(shù)分別如圖7和圖8所示。
在實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂圃囼?yàn)中，預(yù)定加熱時(shí)間限制在300 min內(nèi)，其余控制原則與前面的相同，建立對(duì)應(yīng)的新的控制策略表，如表7所示(環(huán)境溫度為15℃，水初溫為12.5 ℃)。
圖6 綜合實(shí)時(shí)控制策略圖
1—太陽輻照度；2—環(huán)境溫度。
1—太陽輻照度；2—環(huán)境溫度。
將實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂圃囼?yàn)結(jié)果與另2種控制策略的模擬結(jié)果進(jìn)行比較。一種控制策略(策略A)是根據(jù)當(dāng)月平均環(huán)境工況數(shù)據(jù)確定當(dāng)月定頻運(yùn)行頻率，另一種控制策略(策略B)是根據(jù)開機(jī)時(shí)間的環(huán)境工況確定當(dāng)天的定頻運(yùn)行頻率。南京地區(qū)3月份的平均太陽輻照度為475 W/m2，因此，策略A確定的定頻運(yùn)行頻率為40 Hz。樣機(jī)在2017?03?15 T10:00啟動(dòng)，在2017?03?16 T9:57啟動(dòng)，根據(jù)環(huán)境參數(shù)，策略B在2017?03?15應(yīng)以25 Hz運(yùn)行，在2017?03?16應(yīng)以55 Hz運(yùn)行。
在實(shí)時(shí)變?nèi)萘窟\(yùn)行試驗(yàn)中，壓縮機(jī)功率隨太陽輻照度變化變?nèi)萘窟\(yùn)行的功耗如圖9和圖10所示。由圖9和圖10可以看到：實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂葡到y(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境工況的變化迅速、有效地運(yùn)行。
實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂圃囼?yàn)和其他控制策略各參數(shù)的模擬結(jié)果對(duì)比如表8和表9所示。
由表8和表9可知：實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂撇呗钥梢猿浞掷妙A(yù)定加熱時(shí)間，且在2 d的試驗(yàn)工況下沒有超出300 min的預(yù)定時(shí)間。雖然2017?03?15采用控制策略B情況下的COP高于實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂撇呗缘腃OP，但是策略B耗費(fèi)了340 min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了預(yù)定時(shí)間。實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂频腃OP均高于策略A或策略B的COP模擬值。2017?03?15實(shí)時(shí)控制的COP比策略A高6.6%，2017?03?16實(shí)時(shí)控制的COP分別比策略A和策略B高5.7%和9.4%。
(a) 太陽輻照度變化情況；(b) 壓縮機(jī)功率變化情況
表7 實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂圃囼?yàn)用控制策略表
(a) 太陽輻照度變化情況；(b) 壓縮機(jī)功率變化情況
表8 2017?03?15實(shí)時(shí)變?nèi)萘颗c其他控制方式結(jié)果對(duì)比
注：水箱水初溫為12.73 ℃；啟動(dòng)時(shí)刻為10:00。
表9 2017?03?16實(shí)時(shí)變?nèi)萘颗c其他控制方式結(jié)果對(duì)比
注：水箱水初溫為13.36 ℃；啟動(dòng)時(shí)刻為9:57。
另外，如果其他策略耗時(shí)小于實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂坪臅r(shí)，則以實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂坪臅r(shí)為基準(zhǔn)，比較不同控制策略下的總光伏發(fā)電量。其他控制方式的總光伏發(fā)電量包含制熱水過程中的發(fā)電量和與實(shí)時(shí)控制用時(shí)差值時(shí)間的系統(tǒng)關(guān)機(jī)發(fā)電量。光伏發(fā)電量比較結(jié)果如表10所示。
表10 實(shí)時(shí)變?nèi)萘颗c其他控制方式的光伏發(fā)電量對(duì)比
一旦水箱溫度達(dá)到50℃，使用控制策略A或策略B時(shí)，光伏組件不再受制冷劑冷卻，與實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂葡嗖畹臅r(shí)間內(nèi)溫度升高，效率下降。從表10可以看到：當(dāng)控制策略A或策略B不能充分利用制熱水時(shí)間時(shí)，實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂频墓夥l(fā)電量比其他控制方式高9.7%~12.4%。
因此，本文提出的實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂品桨改茉陬A(yù)定時(shí)間內(nèi)精確地完成制熱水任務(wù)，且在制熱水過程中，COP較其他按時(shí)完成制熱水任務(wù)的控制方式高。實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂撇呗詢?yōu)于其他控制方式，能按時(shí)完成制熱水任務(wù)，且耗能更少。
6 結(jié)論
1) 實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂撇呗杂幸韵?個(gè)原則：對(duì)環(huán)境工況參數(shù)和系統(tǒng)運(yùn)行頻率分擋制定控制策略；各月預(yù)定最大制熱水時(shí)間按當(dāng)月理論太陽輻照度高于 200 W/m2的時(shí)間計(jì)算；系統(tǒng)運(yùn)行頻率實(shí)時(shí)設(shè)定在當(dāng)前環(huán)境工況參數(shù)下，能在預(yù)定最大制熱水時(shí)間內(nèi)完成制熱水任務(wù)的最低值。
2) 根據(jù)定頻運(yùn)行試驗(yàn)驗(yàn)證的仿真模擬程序獲得試驗(yàn)樣機(jī)在全年各種環(huán)境工況和運(yùn)行頻率下的性能數(shù)據(jù)庫。根據(jù)控制原則得到控制策略表和控制流程圖，開發(fā)了實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂葡到y(tǒng)，變頻壓縮機(jī)用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)吸熱容量，同時(shí)使用電子膨脹閥聯(lián)合維持光伏蒸發(fā)器小而穩(wěn)定的過熱度。
3) 實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂浦茻崴^程COP和光伏發(fā)電量分別比其他控制策略高5.7%~9.4%和9.7%~12.4%。本文提出的實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂撇呗詢?yōu)于其他控制策略，能在預(yù)定時(shí)間內(nèi)完成制熱水任務(wù)、降低能耗和提高凈發(fā)電量。
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Real-time variable capacity control strategy of photovoltaic integrated solar heat pump water heater
HE Hongyu, LI Shuhong, DONG Kefeng
(School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)
Experimental and simulation investigation of a photovoltaic integrated solar-assisted heat pump water heater (PV-SAHPWH) was researched, and a real-time variable capacity control system was developed to reduce the energy consumption of hot water production in a predetermined time and increase net electricity production. A simulation model of the PV-SAHPWH prototype was established and a PV-SAHPWH prototype was set up in Nanjing. The prototype includes 4.32 m2area of solar collectors using single silicon solar panels, one HP variable frequency compressor using refrigerant R22 and a 150 L insulation tank. The simulation program was verified by the fixed-frequency operation test, and the annual performance data of the system were obtained through the simulation program and the control table of the prototype was set up. In the test, the time-varying capacity control was realized by adjusting the system capacity of the inverter compressor and controlling the superheat degree at the outlet of the solar collector by the electronic expansion valve. The results show that the coefficient of performance and the photovoltaic power generation under real-time control strategy can be increased by 5.7%?9.4% and 9.7%?12.4%, which are greater than other control strategy. Moreover, the heating period was controlled accurately within the scheduled time.
solar-assisted heat pump; real-time variable capacity control; control strategy
10.11817/j.issn.1672?7207.2018.12.024
TK519
A
1672?7207(2018)12?3095?10
2018?01?07；
2018?02?27
“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAJ01B05)；“十三五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFC0702501) (Project(2014BAJ01B05) supported by the National Science & Technology Pillar Program during the 12th “Five-year” Plan Period of China; Project(2017YFC0702501) supported by the National Science & Technology Pillar Program during the 13th “Five-year” Plan Period of China)
李舒宏，博士，教授，從事太陽能熱利用研究；E-mail：equart@163.com
(編輯 劉錦偉)
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何宏宇，李舒宏，董科楓
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光伏一體化太陽能熱泵熱水器的實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂?/p>
何宏宇，李舒宏，董科楓
(東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京，210096)
針對(duì)光伏一體化太陽能熱泵熱水器(PV-SAHPWH)的實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂崎_展模擬和試驗(yàn)研究，開發(fā)實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂葡到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)在預(yù)定時(shí)間內(nèi)完成制熱水任務(wù)、降低能耗和提高系統(tǒng)凈發(fā)電量的目的；建立光伏一體化太陽能熱泵系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并在南京搭建集熱面積為4.32 m2、含1匹R22工質(zhì)壓縮機(jī)和150 L保溫水箱的光伏一體化太陽能熱泵試驗(yàn)樣機(jī)，使用經(jīng)定頻運(yùn)行試驗(yàn)驗(yàn)證的仿真程序構(gòu)建系統(tǒng)全年運(yùn)行性能數(shù)據(jù)庫，并得出控制策略表；在實(shí)時(shí)變?nèi)萘吭囼?yàn)中，變頻壓縮機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)容量，同時(shí)電子膨脹閥控制蒸發(fā)器出口過熱度實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂?。研究結(jié)果表明：實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂品绞剿玫男阅芟禂?shù)和光伏發(fā)電量分別比其他控制方式高5.7%~9.4%和9.7%~12.4%，且能精確地在預(yù)定時(shí)間內(nèi)完成制熱水任務(wù)。
太陽能熱泵；實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂疲豢刂撇呗?/p>
光伏一體化的太陽能熱泵熱水器是太陽能光伏/光熱一體化利用的有效裝置[1]。一方面，其利用制冷劑從光伏組件背后吸收太陽能光熱，保證全年穩(wěn)定溫度的生活熱水供應(yīng)；另一方面，光伏組件被冷卻，光電轉(zhuǎn)化效率提高，增加了光伏發(fā)電量。自KERN等[2]于1978年提出光伏/光熱一體化利用概念以來，HAWLADER等[3?12]對(duì)太陽能光伏/光熱系統(tǒng)或光伏一體化的太陽能熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示光伏一體化太陽能熱泵的性能受太陽輻照度、環(huán)境溫度等環(huán)境工況參數(shù)的影響，且這些工況參數(shù)隨時(shí)間的變化而改變。GUPTA等[7?8]提出通過不同的環(huán)境工況調(diào)節(jié)系統(tǒng)的吸熱容量，以進(jìn)一步改善系統(tǒng)的性能。變頻壓縮機(jī)最早于20世紀(jì)80年代被提出，用于調(diào)節(jié)太陽能熱泵系統(tǒng)吸熱容量。CHATURVEDI等[9]制作了使用變頻器驅(qū)動(dòng)變頻壓縮機(jī)的直膨式太陽能熱泵，壓縮機(jī)運(yùn)行頻率為30~70 Hz，并根據(jù)模擬結(jié)果設(shè)定了太陽輻射和環(huán)境溫度組合下能確保系統(tǒng)性能系數(shù)高于3.0的運(yùn)行頻率，然而，其僅局限于理論分析，未對(duì)運(yùn)行策略進(jìn)行實(shí)用化定制。王海濤等[10]在光伏一體化太陽能熱泵系統(tǒng)中使用了變頻壓縮機(jī)和電子膨脹閥，提出用變頻壓縮機(jī)調(diào)節(jié)負(fù)荷，用電子膨脹閥開度保證蒸發(fā)器出口過熱度最佳。然而，該方法局限于電子膨脹閥的開度問題，沒有考慮過熱度PID控制的合理性。李郁武 等[11]開發(fā)了控制器，實(shí)現(xiàn)了直膨式太陽能熱泵熱水器過熱度的PI控制，并實(shí)現(xiàn)了變頻壓縮機(jī)和電子膨脹的聯(lián)合控制，以保證制熱水過程性能系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)確定各工況下的運(yùn)行頻率[12]，但其制定的控制策略也僅根據(jù)啟動(dòng)時(shí)的環(huán)境工況進(jìn)行定頻運(yùn)行，并沒有最大限度地提高系統(tǒng)性能系數(shù)，也無法適應(yīng)制熱水過程中變化的環(huán)境工況。因此，為了適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境工況，需研究光伏一體化太陽能熱泵熱水器的實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂圃瓌t和策略，以及變頻壓縮機(jī)和電子膨脹閥聯(lián)合控制實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂葡到y(tǒng)的實(shí)際工程應(yīng)用。本文作者將對(duì)光伏一體化的太陽能熱泵熱水器的變?nèi)萘靠刂撇呗哉归_模擬和試驗(yàn)研究，建立光伏太陽能熱泵熱水器的數(shù)學(xué)模型并搭建試驗(yàn)樣機(jī)，開發(fā)實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂葡到y(tǒng)，并驗(yàn)證實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂撇呗浴?/p>
1 控制策略原則
光伏一體化太陽能熱泵熱水器的控制目標(biāo)是在預(yù)定制熱水時(shí)間內(nèi)以較低的能耗完成制熱水，提高全天凈發(fā)電量。為此，控制策略應(yīng)遵循以下3個(gè)原則。
1) 對(duì)環(huán)境工況參數(shù)和系統(tǒng)運(yùn)行頻率分擋制定控制策略。
需要分擋的參數(shù)包括太陽輻照度、環(huán)境溫度、水箱初始水溫和壓縮機(jī)運(yùn)行頻率，分擋后可減輕策略制定的工作量。太陽輻照度按每100 W/m21擋，100~ 1 000 W/m2被分為10擋；環(huán)境溫度按每2.5℃ 1擋，2.5~32.5℃被分為12擋；水箱初始水溫認(rèn)為是當(dāng)天早晨的自來水溫度，由于自來水溫度和氣溫相關(guān)，因此，水箱初始水溫分為3擋，低于環(huán)境溫度2.5℃、等于環(huán)境溫度和高于環(huán)境溫度2.5℃；運(yùn)行頻率按 5 Hz 1擋，20~60 Hz被分為9擋。
2) 各月份預(yù)定最大制熱水時(shí)間按當(dāng)月理論太陽輻照度高于200 W/m2的時(shí)間計(jì)算。
光伏一體化太陽能熱泵是以太陽光熱和環(huán)境空氣為熱源的熱泵系統(tǒng)，太陽光熱是提升熱泵能效的重要熱源，因此，光伏一體化太陽能熱泵應(yīng)盡量運(yùn)行在有日照條件的白天。以南京[13]為例，選取各月份理論太陽輻照度大于200 W/m2的時(shí)間作為預(yù)定最大制熱水時(shí)間。南京地區(qū)各月份預(yù)定最大制熱水時(shí)間如表1 所示。
表1 南京地區(qū)各月份預(yù)定最大制熱水時(shí)長(zhǎng)
3) 系統(tǒng)運(yùn)行頻率實(shí)時(shí)設(shè)定為當(dāng)前環(huán)境工況下在預(yù)定最大制熱水時(shí)間內(nèi)完成制熱水任務(wù)的最低值。
研究表明，在相同的環(huán)境工況及熱水制取目標(biāo)下，系統(tǒng)壓縮機(jī)運(yùn)行頻率越低，耗時(shí)越長(zhǎng)，能耗越低[14]。因此，若能通過模擬得出能按時(shí)完成制熱水任務(wù)的最低頻率，則可盡可能降低能耗。
2 光伏一體化太陽能熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)
為了形成能用于獲得全年運(yùn)行數(shù)據(jù)的仿真程序，也為了開發(fā)檢驗(yàn)實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂葡到y(tǒng)，在南京搭建光伏一體化的太陽能熱泵熱水器裝置。
2.1 光伏一體化太陽能熱泵設(shè)計(jì)
在東南大學(xué)四牌樓校區(qū)制冷空調(diào)試驗(yàn)室樓頂搭建1套光伏一體化變頻太陽能熱泵熱水器樣機(jī)。系統(tǒng)包括面積為4.32 m2的光伏蒸發(fā)器陣列、1匹R22工質(zhì)交流變頻壓縮機(jī)、150 L保溫冷凝水箱和電子膨脹閥。光伏蒸發(fā)器陣列由6塊小光伏蒸發(fā)板組成，每塊小光伏蒸發(fā)板長(zhǎng)×寬×高為1 200 mm×600 mm×20 mm，由平板式單晶硅組件和下方緊密貼附的管板式集熱蒸發(fā)器組成，每塊小光伏蒸發(fā)板額定發(fā)電量為90 W。熱泵系統(tǒng)和變?nèi)萘靠刂葡到y(tǒng)原理圖如圖1所示，光伏蒸發(fā)板陣列和管板式集熱器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，光伏蒸發(fā)器的剖面結(jié)構(gòu)如圖3所示，各層參數(shù)如表2 所示。
光伏蒸發(fā)器進(jìn)出口和冷凝水箱進(jìn)出口的制冷劑溫度使用熱電偶測(cè)量，太陽輻照度使用太陽總輻射表測(cè)量；水箱水溫通過2個(gè)分別固定在水箱中心深度方向1/3和2/3深度的熱電偶測(cè)量，水箱溫度取2個(gè)熱電偶溫度的平均值。
圖1 光伏一體化太陽能熱泵熱水器和變?nèi)萘靠刂葡到y(tǒng)原理圖
數(shù)據(jù)單位：mm
圖3 光伏蒸發(fā)器剖面結(jié)構(gòu)圖
表2 光伏蒸發(fā)器各層參數(shù)
2.2 實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)由太陽總輻射表、熱電偶、PLC(可編程邏輯控制器)、變頻器、交流變頻壓縮機(jī)和電子膨脹閥組成。通過太陽總輻射表和熱電偶向PLC提供太陽輻照度和環(huán)境溫度。PLC采用西門子S7?200 SMART附加EM AI04和EMAT04模塊，變頻器型號(hào)為丹佛斯FC51。PLC可以輸出特定頻率的交流電，隨后變頻壓縮機(jī)將以該頻率運(yùn)行。電子膨脹閥采用愛默生的成套過熱度控制器、傳感器和閥體。通過該控制系統(tǒng)，變頻器可根據(jù)當(dāng)前環(huán)境工況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)吸熱容量，電子膨脹閥同時(shí)維持光伏蒸發(fā)器出口小而穩(wěn)定的過 熱度。
3 系統(tǒng)建模
對(duì)光伏一體化太陽能熱泵的主要部件進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。
3.1 光伏蒸發(fā)器
光伏蒸發(fā)器的熱量傳遞過程如圖4所示。
圖4 光伏蒸發(fā)器熱流熱阻圖
太陽光照射到光伏電池表面后，部分轉(zhuǎn)化為電能，其余轉(zhuǎn)化為熱能。其中，部分通過導(dǎo)熱被光伏組件后的制冷劑吸收，另一部分通過輻射和對(duì)流換熱的方式傳遞至環(huán)境空氣中。由于絕熱良好，光伏蒸發(fā)器背面和側(cè)面的熱量損失不計(jì)。光伏集熱板的熱平衡方 程[15]為
蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑吸收的熱量e可以用下式計(jì)算：
式中：s為太陽輻射能；c為光伏集熱器面積；g為鋼化玻璃透過率；為光伏集熱板平均吸收率；為電池覆蓋率；pv為當(dāng)前光伏組件溫度下的光電效率；L為光伏集熱器總熱損系數(shù)。
根據(jù)圖4所示的光伏蒸發(fā)器熱阻圖，定義L為以吸熱背板平均溫度p為參照的光伏集熱器總熱損 系數(shù)：
對(duì)流和輻射熱損量均表達(dá)為對(duì)流傳熱形式，對(duì)流和輻射換熱系數(shù)表達(dá)式[16]為：
式中：w為電池板表面風(fēng)速；g為表面玻璃發(fā)射率；為斯蒂芬?玻爾茲曼常數(shù)。
太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率計(jì)算式隨光伏電池溫度變化[17]：
式中：0為光伏組件標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試工況下的光電效率。
光伏蒸發(fā)器蒸發(fā)銅管內(nèi)制冷劑兩相區(qū)局部對(duì)流換熱系數(shù)tp()[18]如下：
式中：tt為Martinelii數(shù)；1為制冷劑純液相時(shí)的換熱系數(shù)。
3.2 保溫水箱模型
保溫冷凝水箱中浸沒全長(zhǎng)30 m的螺旋盤管作為系統(tǒng)冷凝器用于加熱熱水。認(rèn)為制冷劑在水箱中放出的熱量和水箱中循環(huán)水吸收的熱量相等，即
式中：k為制冷劑在水箱中放出的熱量；c,i為制冷劑在冷凝器入口的焓；c,o為制冷劑在冷凝器出口的焓；p為水的比熱容；w為水箱內(nèi)循環(huán)水質(zhì)量流量；w為水吸收的熱量；Δw為某時(shí)間段的水溫差。
制冷劑向水放出的熱量用下式計(jì)算：
式中：k為以冷凝管外表面面積為基準(zhǔn)的換熱系數(shù)；k冷凝管的外表面面積；Δr-w為制冷劑與水箱儲(chǔ)水間的對(duì)數(shù)傳熱溫差。
式(9)中的傳熱溫差采用對(duì)數(shù)傳熱溫差，其中傳熱系數(shù)是基于冷凝管外表面積計(jì)算的，表達(dá)式如下：
式中：out為冷凝管外半徑；in為冷凝管內(nèi)半徑；c為冷凝管管壁導(dǎo)熱系數(shù)；r為制冷劑側(cè)的換熱系數(shù)；w為水箱水側(cè)的換熱系數(shù)。
3.3 壓縮機(jī)模型
系統(tǒng)壓縮機(jī)使用的是交流變頻壓縮機(jī)，制冷劑流量由壓縮機(jī)的運(yùn)行頻率決定：
式中，Iup是上轉(zhuǎn)換熒光的積分強(qiáng)度，P是泵浦光的功率，n為發(fā)射可見光所需吸收的980nm紅外光光子的個(gè)數(shù)。對(duì)上兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，即可得光子數(shù)n為：
式中：為壓縮機(jī)輸氣系數(shù)；0為壓縮機(jī)的額定轉(zhuǎn)速；g為壓縮機(jī)氣缸容積；為壓縮機(jī)當(dāng)前運(yùn)行頻率；suc為壓縮機(jī)吸氣口制冷劑氣體比熱容；0為額定電源 頻率。
壓縮機(jī)功耗comp根據(jù)質(zhì)量流量和壓縮機(jī)進(jìn)出口狀態(tài)焓計(jì)算：
式中：r為制冷劑流量；dis0為等熵壓縮下冷凝壓力對(duì)應(yīng)的出口焓；suc為吸氣狀態(tài)對(duì)應(yīng)的制冷劑焓；i為指示效率，取0.85；m為機(jī)械效率；mt為電機(jī)效率，兩者乘積取0.55。
將COP系統(tǒng)值表示為COP，按下式計(jì)算：
COP=k/comp(13)
3.4 膨脹閥模型
認(rèn)為制冷劑經(jīng)過膨脹閥是理想的絕熱過程，因此，進(jìn)、出口焓相等，即
式中：e, i為蒸發(fā)器進(jìn)口焓。
3.5 模型驗(yàn)證
根據(jù)以上部件模型建立系統(tǒng)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)仿真模型，模擬使用的樣機(jī)參數(shù)如表3所示。
表3 試驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)
在2016?08?25—2017?02?27進(jìn)行了若干次系統(tǒng)定頻運(yùn)行試驗(yàn)，并與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表4所示。
定頻運(yùn)行試驗(yàn)和模擬結(jié)果的對(duì)比顯示仿真模擬程序具有較高的精度，可以用于全年性能的模擬和進(jìn)一步控制策略的制定。
4 控制策略
使用驗(yàn)證過的仿真程序模擬得到不同環(huán)境工況和運(yùn)行頻率下的樣機(jī)性能，經(jīng)篩選得到需要的控制策略表。
表4 定頻運(yùn)行試驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比
壓縮機(jī)運(yùn)行頻率設(shè)定為20~60 Hz，最低頻率設(shè)置為20 Hz，以避免樣機(jī)壓縮機(jī)處于低頻不穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，60 Hz為樣機(jī)壓縮機(jī)的額定最高運(yùn)行頻率。
水箱初始水溫將影響加熱時(shí)間。南京地區(qū)各月份典型水箱初始溫度見表5。
表5 南京地區(qū)各月份典型水箱初始溫度
雖然這里給出了典型的水初溫情況，但是水初溫可能在典型值附近上下浮動(dòng)。在各月份模擬中，可以多考慮提高和降低1擋水初溫來進(jìn)行模擬。
有一種特殊情況必須在模擬啟動(dòng)階段予以考慮，即在某些特定工況下，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，太陽輻照度很高，水箱初始水溫較低，則當(dāng)系統(tǒng)低頻啟動(dòng)時(shí)，蒸發(fā)壓力可能會(huì)比冷凝壓力高，使系統(tǒng)無法正常工作。因此，在啟動(dòng)階段應(yīng)當(dāng)提高系統(tǒng)的啟動(dòng)頻率，直到水箱水溫高到足夠支持系統(tǒng)在低頻率運(yùn)行。
本文根據(jù)系統(tǒng)模型建立另一個(gè)模擬程序，用于計(jì)算系統(tǒng)啟動(dòng)階段的最低啟動(dòng)頻率。在這個(gè)程序中，假設(shè)蒸發(fā)溫度等于水箱水溫。程序?qū)⒉粩嘤?jì)算啟動(dòng)過程中需要的最低頻率，直到達(dá)到在預(yù)定時(shí)間內(nèi)完成制熱水的最低值為止。恰好到達(dá)頻率最低值時(shí)的水箱溫度定義為“轉(zhuǎn)換水溫”。
以太陽輻照度為800 W/m2、環(huán)境溫度為25.0℃、水箱初始溫度為20.0℃的條件為例，系統(tǒng)制熱水過程運(yùn)行頻率的變化如圖5所示。系統(tǒng)維持正常運(yùn)行的頻率逐漸降低直到第52 min開始保持在20 Hz，此時(shí)“轉(zhuǎn)換水溫”為28.36℃。
考慮啟動(dòng)階段的特殊情況和基于前文制定的控制策略原則，根據(jù)仿真程序得到全年運(yùn)行性能數(shù)據(jù)庫及控制策略表。部分控制策略表如表6所示(環(huán)境溫度為15.0℃，水初溫為7.5 ℃)。
表6所示的控制策略表列出了不同固定環(huán)境工況參數(shù)和運(yùn)行頻率條件下實(shí)際需要的熱水加熱時(shí)間。由于水初溫較高、預(yù)定最大加熱時(shí)間長(zhǎng)，在4—10月份，系統(tǒng)運(yùn)行頻率能始終保持20 Hz，而其他月份由于水初溫較低，預(yù)定最大加熱時(shí)間短，頻率需要根據(jù)環(huán)境工況實(shí)時(shí)變化。但是，當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際工作時(shí)，環(huán)境工況時(shí)刻在變化，需要預(yù)測(cè)制熱水期間平均太陽輻照度和平均環(huán)境溫度，以確定系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間。
1—蒸發(fā)溫度；2—冷凝溫度；3—運(yùn)行頻率；4—水溫。
表6 控制策略表節(jié)選(2月份)
綜合實(shí)時(shí)控制策略如圖6所示。
步驟1：獲取日期、天氣預(yù)報(bào)和初始水箱水溫；
步驟2：根據(jù)月份和平均太陽輻照度計(jì)算系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間；
步驟3：在運(yùn)行過程中，根據(jù)環(huán)境工況數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)設(shè)定最低運(yùn)行頻率；
步驟4：若水箱溫度達(dá)到50℃，則關(guān)閉系統(tǒng)。
5 實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂菩Ч麑?duì)比
在2017?03?15—2017?03?15進(jìn)行了實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂圃囼?yàn)，其環(huán)境工況參數(shù)分別如圖7和圖8所示。
在實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂圃囼?yàn)中，預(yù)定加熱時(shí)間限制在300 min內(nèi)，其余控制原則與前面的相同，建立對(duì)應(yīng)的新的控制策略表，如表7所示(環(huán)境溫度為15℃，水初溫為12.5 ℃)。
圖6 綜合實(shí)時(shí)控制策略圖
1—太陽輻照度；2—環(huán)境溫度。
1—太陽輻照度；2—環(huán)境溫度。
將實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂圃囼?yàn)結(jié)果與另2種控制策略的模擬結(jié)果進(jìn)行比較。一種控制策略(策略A)是根據(jù)當(dāng)月平均環(huán)境工況數(shù)據(jù)確定當(dāng)月定頻運(yùn)行頻率，另一種控制策略(策略B)是根據(jù)開機(jī)時(shí)間的環(huán)境工況確定當(dāng)天的定頻運(yùn)行頻率。南京地區(qū)3月份的平均太陽輻照度為475 W/m2，因此，策略A確定的定頻運(yùn)行頻率為40 Hz。樣機(jī)在2017?03?15 T10:00啟動(dòng)，在2017?03?16 T9:57啟動(dòng)，根據(jù)環(huán)境參數(shù)，策略B在2017?03?15應(yīng)以25 Hz運(yùn)行，在2017?03?16應(yīng)以55 Hz運(yùn)行。
在實(shí)時(shí)變?nèi)萘窟\(yùn)行試驗(yàn)中，壓縮機(jī)功率隨太陽輻照度變化變?nèi)萘窟\(yùn)行的功耗如圖9和圖10所示。由圖9和圖10可以看到：實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂葡到y(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境工況的變化迅速、有效地運(yùn)行。
實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂圃囼?yàn)和其他控制策略各參數(shù)的模擬結(jié)果對(duì)比如表8和表9所示。
由表8和表9可知：實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂撇呗钥梢猿浞掷妙A(yù)定加熱時(shí)間，且在2 d的試驗(yàn)工況下沒有超出300 min的預(yù)定時(shí)間。雖然2017?03?15采用控制策略B情況下的COP高于實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂撇呗缘腃OP，但是策略B耗費(fèi)了340 min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了預(yù)定時(shí)間。實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂频腃OP均高于策略A或策略B的COP模擬值。2017?03?15實(shí)時(shí)控制的COP比策略A高6.6%，2017?03?16實(shí)時(shí)控制的COP分別比策略A和策略B高5.7%和9.4%。
(a) 太陽輻照度變化情況；(b) 壓縮機(jī)功率變化情況
表7 實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂圃囼?yàn)用控制策略表
(a) 太陽輻照度變化情況；(b) 壓縮機(jī)功率變化情況
表8 2017?03?15實(shí)時(shí)變?nèi)萘颗c其他控制方式結(jié)果對(duì)比
注：水箱水初溫為12.73 ℃；啟動(dòng)時(shí)刻為10:00。
表9 2017?03?16實(shí)時(shí)變?nèi)萘颗c其他控制方式結(jié)果對(duì)比
注：水箱水初溫為13.36 ℃；啟動(dòng)時(shí)刻為9:57。
另外，如果其他策略耗時(shí)小于實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂坪臅r(shí)，則以實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂坪臅r(shí)為基準(zhǔn)，比較不同控制策略下的總光伏發(fā)電量。其他控制方式的總光伏發(fā)電量包含制熱水過程中的發(fā)電量和與實(shí)時(shí)控制用時(shí)差值時(shí)間的系統(tǒng)關(guān)機(jī)發(fā)電量。光伏發(fā)電量比較結(jié)果如表10所示。
表10 實(shí)時(shí)變?nèi)萘颗c其他控制方式的光伏發(fā)電量對(duì)比
一旦水箱溫度達(dá)到50℃，使用控制策略A或策略B時(shí)，光伏組件不再受制冷劑冷卻，與實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂葡嗖畹臅r(shí)間內(nèi)溫度升高，效率下降。從表10可以看到：當(dāng)控制策略A或策略B不能充分利用制熱水時(shí)間時(shí)，實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂频墓夥l(fā)電量比其他控制方式高9.7%~12.4%。
因此，本文提出的實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂品桨改茉陬A(yù)定時(shí)間內(nèi)精確地完成制熱水任務(wù)，且在制熱水過程中，COP較其他按時(shí)完成制熱水任務(wù)的控制方式高。實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂撇呗詢?yōu)于其他控制方式，能按時(shí)完成制熱水任務(wù)，且耗能更少。
6 結(jié)論
1) 實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂撇呗杂幸韵?個(gè)原則：對(duì)環(huán)境工況參數(shù)和系統(tǒng)運(yùn)行頻率分擋制定控制策略；各月預(yù)定最大制熱水時(shí)間按當(dāng)月理論太陽輻照度高于 200 W/m2的時(shí)間計(jì)算；系統(tǒng)運(yùn)行頻率實(shí)時(shí)設(shè)定在當(dāng)前環(huán)境工況參數(shù)下，能在預(yù)定最大制熱水時(shí)間內(nèi)完成制熱水任務(wù)的最低值。
2) 根據(jù)定頻運(yùn)行試驗(yàn)驗(yàn)證的仿真模擬程序獲得試驗(yàn)樣機(jī)在全年各種環(huán)境工況和運(yùn)行頻率下的性能數(shù)據(jù)庫。根據(jù)控制原則得到控制策略表和控制流程圖，開發(fā)了實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂葡到y(tǒng)，變頻壓縮機(jī)用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)吸熱容量，同時(shí)使用電子膨脹閥聯(lián)合維持光伏蒸發(fā)器小而穩(wěn)定的過熱度。
3) 實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂浦茻崴^程COP和光伏發(fā)電量分別比其他控制策略高5.7%~9.4%和9.7%~12.4%。本文提出的實(shí)時(shí)變?nèi)萘靠刂撇呗詢?yōu)于其他控制策略，能在預(yù)定時(shí)間內(nèi)完成制熱水任務(wù)、降低能耗和提高凈發(fā)電量。
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Real-time variable capacity control strategy of photovoltaic integrated solar heat pump water heater
HE Hongyu, LI Shuhong, DONG Kefeng
(School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)
Experimental and simulation investigation of a photovoltaic integrated solar-assisted heat pump water heater (PV-SAHPWH) was researched, and a real-time variable capacity control system was developed to reduce the energy consumption of hot water production in a predetermined time and increase net electricity production. A simulation model of the PV-SAHPWH prototype was established and a PV-SAHPWH prototype was set up in Nanjing. The prototype includes 4.32 m2area of solar collectors using single silicon solar panels, one HP variable frequency compressor using refrigerant R22 and a 150 L insulation tank. The simulation program was verified by the fixed-frequency operation test, and the annual performance data of the system were obtained through the simulation program and the control table of the prototype was set up. In the test, the time-varying capacity control was realized by adjusting the system capacity of the inverter compressor and controlling the superheat degree at the outlet of the solar collector by the electronic expansion valve. The results show that the coefficient of performance and the photovoltaic power generation under real-time control strategy can be increased by 5.7%?9.4% and 9.7%?12.4%, which are greater than other control strategy. Moreover, the heating period was controlled accurately within the scheduled time.
solar-assisted heat pump; real-time variable capacity control; control strategy
10.11817/j.issn.1672?7207.2018.12.024
TK519
A
1672?7207(2018)12?3095?10
2018?01?07；
2018?02?27
“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAJ01B05)；“十三五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFC0702501) (Project(2014BAJ01B05) supported by the National Science & Technology Pillar Program during the 12th “Five-year” Plan Period of China; Project(2017YFC0702501) supported by the National Science & Technology Pillar Program during the 13th “Five-year” Plan Period of China)
李舒宏，博士，教授，從事太陽能熱利用研究；E-mail：equart@163.com
(編輯 劉錦偉)
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