基于光伏/光热屋顶预制模块的冷/热—电联供热泵系统的研究

论文摘要

随着能源危机越来越近,太阳能已经成为人们日常生活中利用得最多的能源之一。因此如何提高太阳能的利用效率已经成为太阳能设备及相关系统急需解决的关键问题。太阳能光伏光热热泵系统不仅能够为建筑物同时提供电能和热能,而且能较大地提升总体太阳能的利用效率,极大的节约了建筑空间和投资成本,降低了建筑物对化石燃料的依赖,更减少二氧化碳的排放,帮助改善环境质量,符合我国低碳经济的发展趋势。由太阳能的转换过程可以看出,要得到较高的太阳能利用率,需尽可能地减少太阳能损失,包括太阳光反射损失、各层结构材料的吸收损失和以热能形式存在的热损失等等。光反射损失和吸收损失两者可以通过选择适合的材料来最小化能量损耗：而热损失则受到众多外部因素的影响,如太阳能模块自身的工作温度、周围空气的温度和流速,以及保温材料的属性等。而降低太阳能模块的工作温度是减少热损失,获得较高太阳能利用率的核心要素。对于光伏光热太阳能模块,较低工作温度不仅会有效地降低热损失,同时也能增加光伏转化效率,这对提高太阳能的综合利用效率有着重要的指导意义。传统的太阳能光伏光热设备产生的温度不足以向建筑物供冷／热,一般只能预热系统或生活用水。如要利用太阳能对建筑物进行供冷／热,则需引进热泵系统进行辅助。将光伏模块用作热泵系统的蒸发器,能够有效地保持较低的蒸发温度(太阳能光伏装置工作温度),降低热损失,提高光伏转化效率；同时大部分的热量可被制冷剂带走,通过热泵系统发挥更广的用途。首先,本文以太阳能的光伏、光热转化技术应用为背景,提出一种新型的冷／热一电联供热泵系统模式。该模式使用光伏光热模块作为热泵系统蒸发器,通过预制技术与建筑屋顶一体化。本文详细地介绍了基于光伏光热模块上的热泵系统,分别用于冬季采暖和夏季制冷,并推荐系统理想的设计和运行参数,比如：屋顶设计角度,光伏光热模块表面覆盖层材料,系统制冷剂流量,热泵系统蒸发温度,冷凝温度等。其次,建立光伏光热模块的物理和数学模型,通过分析模块结构和热泵系统参数的变化,对太阳能转化效率进行了数值分析与计算。并对模块的热工性能进行了详细的分析、研究及比较。估算结果与以往文献相似模型的计算结果比较一致,验证了模型结构和计算方法的可靠性。计算结果表明上海地区系统冬季日平均太阳能综合转换率达71.7%；蒸发温度增加,转换效率降低；冷凝温度增加,光伏转化效率降低,光热转化效率增加,综合效率保持不变,其中0～10℃的蒸发温度和50～70℃的冷凝温度是较为理想的设计温度点；透明的硼硅酸材料能有效减少热损失,是表面覆盖材料的理想选择；单晶硅产电能力强,可迅速提高光伏转化效率。第三,通过比较日常性和季节性的建筑能量供求之间的不平衡,分别提出了关于日常性和季节性太阳热能和光伏电能的有效储存系统方案。并根据建筑自身的条件和周围环境的特点,推荐适合建筑物本身的储能系统,克服建筑负荷与系统产出的供求不平衡,保证建筑冷／热、电三联供系统的连续性和稳定性,减少额外供能系统的投资和对化石燃料的依赖。最后,通过分析系统的经济性和对环境产生的影响和意义,提出光伏光热太阳能热泵系统的可行性和良好的前景。研究结果对减少建筑的初投资和对化石燃料的依赖有重要意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景与意义
• 1.2 国内外研究及其应用现状
• 1.3 课题研究目的、意义及价值
• 1.4 课题研究的方法和要做的工作
• 1.4.1 课题主要研究方法
• 1.4.2 课题研究所要做的工作
• 第二章 关于光伏光热模块热泵系统的描述
• 2.1 理想蒸气热泵系统
• 2.2 光伏光热太阳能热泵系统
• 2.2.1 光伏光热热泵系统的描述
• 2.2.2 运行参数
• 2.2.3 创新性和时效性的积极意义
• 第三章 理论模型的建立
• 3.1 数学模型的建立
• 3.1.1 净吸收的总太阳能
• 3.1.2 热损失
• 3.1.3 产出的电能
• 3.1.4 有效热能
• 3.1.5 有效热能传递过程分析
• 3.1.6 蒸发吸收能量整合～热泵系统的分析
• 3.2 计算机模型的建立
• 3.3 计算结果与分析
• 3.3.1 计算与模拟结果
• 3.3.2 模型验证
• 3.3.3 转换效率与系统外部参数的关系
• 3.3.4 不同制冷剂质量流量的计算与模拟结果
• 3.3.5 不同蒸发温度的计算与模拟结果
• 3.3.6 不同冷凝温度的计算与模拟结果
• 3.3.7 不同覆盖层的计算与模拟结果
• 3.3.8 不同光伏材料的计算与模拟结果
• 3.3.9 光伏光热热泵系统与单独光伏模块（PV）、单独光伏光热模块（PV/T）以及光伏热泵系统（PVHP）的比较分析
• 3.3.10 结论与分析
• 第四章 能量需求与产出之间的对比研究
• 4.1 屋顶模块预制技术
• 4.2 日常性能量需求与产出的对比
• 4.3 季节性能量需求与产出的对比
• 4.4 本章小结
• 第五章 能量储存系统
• 5.1 日常性热能储存系统
• 5.2 季节性热能储存系统
• 5.2.1 低温季节性储热系统
• 5.2.2 高温季节性储热系统
• 5.3 电力储存系统
• 5.4 本章小结
• 第六章 系统经济性和对环境产生的影响
• 6.1 系统经济效益
• 6.2 系统社会以及环境效益
• 第七章 全文结论与工作展望
• 7.1 论文结论
• 7.2 论文后续工作与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢