光伏太阳能热泵的动态分布参数模拟与实验研究

论文摘要

随着常规能源的日益枯竭和环境问题的日益严峻,太阳能因其清洁、无污染、可再生等显著优点,受到人们的日益重视和青睐。光伏发电技术和太阳能热泵技术作为太阳能利用的两种不同方式,近几十年来得到了迅速发展。商用光伏电池组件的光电转换效率约为6～15%,照射到光伏电池表面的太阳能,超过85%的份额被反射或者转换成热能,其中一部分转化成电池内能,导致其工作温度升高、光电转换效率的下降。为了解决这一缺陷,在光伏电池背面铺设流道,利用流体对光伏电池进行降温,改善其光电转换效率,并将流体所吸收的热量加以利用,即光伏光热综合利用（PV/T）技术。现有的相关研究主要是针对以水和空气为冷却介质的PV/T系统进行的,相关研究结果显示,以水为冷却介质能够获得比空气更好的冷却效果,但是水一般要上升到较高温度（40℃以上）才能有效利用,这不可避免会降低对电池的冷却效果。热泵系统的制冷工质在蒸发器中温度较低而且波动较小,如果采用制冷工质对光伏电池进行冷却,既可以使光伏电池维持较低而且稳定的工作温度,提高其光电转换效率,而且可以利用热泵系统优越的热输运性能,得到远高于系统功耗的有效的热能。基于上述思想,我们提出了一种新型的光伏太阳能热泵系统（PhotovoltaicSolar Assisted Heat Pump,PV-SAHP）。该系统将光伏发电技术与直膨式太阳能热泵有机结合,在直膨式蒸发器的吸热表面层压光伏电池制成光伏蒸发器,使系统能够同时输出电能和热能,提高了对太阳能的综合利用效率。本文采用分布参数法建立光伏蒸发器的动态模型,在模型中考虑由于摩擦所导致的工质的沿程压降及其对气、液两相工质的密度、饱和温度、比焓等物性参数的影响。以此基础,对光伏蒸发器在给定进口参数和外界环境参数下全天的动态性能进行了数值模拟,并通过相应的实验进行验证。研究发现,蒸发器的光电、光热性能和工质的压力、温度等相关参数的变化主要取决于太阳辐照强度:环境温度对蒸发器得热量和光热效率会产生一定的影响,随着环境温度的升高,有效减小了蒸发器的热损,提高了蒸发器的得热量和热效率。数值模拟所给出的蒸发器的光电、光热性能和光伏电池、集热板的温度分布与实验测试结果基本吻合,但是计算得到的制冷工质压降比实测的压降偏小。以蒸发器模型为基础,建立PV-SAHP系统的动态分布参数模型,为了提高压力的模拟计算精度,在蒸发器模型中引入制冷工质摩擦压降校正系数。对PV-SAHP系统在恒定冷凝水温和变冷凝水温工况下的动态性能进行理论和实验研究。研究结果显示,PV-SAHP系统具备优越的光电、光热性能:在恒定冷凝水温工况下,系统的平均光电转换效率、光电功率和COP分别为13.11%、371.82W和4.3;变冷凝水温工况下,系统的平均光电转换效率、光电功率和COP分别为13.02%、455W和3.41。两种工况下,系统的光电功率分别占压缩机输入功率的88.1%和85.5%,这意味着系统所输出的电能能够满足自身大部分的电能需求。对比数值模拟与实验测试结果发现,系统的动态模型具备较高的数值计算精度,能够对系统性能参数和工质的动态迁移情况进行准确的预测。以系统动态模型为基础,根据热力学第一定律和第二定律,采用能量效率和（火用）效率为性能评价指标,对PV-SAHP系统与独立商用PV组件和DX-SAHP系统以及两者的简单叠加系统“PV+SAHP”系统的综合性能进行对比分析和研究。研究结果显示,无论是从能量数量的角度,还是从能量品质的角度来考虑,PV-SAHP系统的性能均高于独立的商用PV组件、DX-SAHP系统和“PV+SAHP”系统,这说明以制冷工质为冷却介质,将光伏发电系统与太阳能热泵系统有机结合的方式,能够有效提高系统对太阳能的综合利用效率。本文还从理论上研究了光伏电池覆盖率和蒸发器玻璃盖板对系统性能的影响情况。研究结果表明,电池覆盖率的增大使得系统的综合性能得到了改善;而玻璃盖板的存在,能够提高系统的能量效率,但是却会导致系统（火用）效率的降低。为了研究热泵系统在湿工况中以空气为热源的性能,建立了风冷蒸发器和沉浸式水冷冷凝器的动态分布参数模型,以空气源热泵（ASHP）系统为基础,对蒸发器和冷凝器在动态温度和湿度工况下,制冷工质的迁移规律进行理论和实验研究。研究结果显示,根据系统动态模型所得出的数值模拟结果与实验测试结果基本吻合;该研究结果为深入研究PV-SAHP系统在太阳能不足的情况下,采用空气热源制取生活热水和进行室内采暖的性能奠定了一定的理论和实验基础。

论文目录

• 目录
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 我国的能源概况
• 1.2 太阳能利用技术
• 1.2.1 太阳能光热技术
• 1.2.1.1 太阳能热水系统
• 1.2.1.2 太阳能空气采暖系统
• 1.2.1.3 太阳能热泵系统
• 1.2.2 太阳能光伏发电技术
• 1.2.3 太阳能光伏光热综合利用技术
• 1.2.4 光伏太阳能热泵
• 1.3 分布参数模型
• 1.4 本文主要内容
• 第二章 光伏太阳能热泵系统简介
• 2.1 光伏太阳能热泵系统的构成和原理
• 2.2 光伏太阳能热泵系统各主要部件结构参数
• 2.2.1 光伏蒸发器
• 2.2.2 变频压缩机
• 2.2.3 光伏发电系统
• 2.3 相关测试装置
• 2.4 本章小结
• 第三章 光伏蒸发器的数值模拟和实验验证
• 3.1 光伏蒸发器的数学模型
• 3.1.1 制冷工质的流动传热模型
• 3.1.2 光伏电池的能量平衡方程
• 3.1.3 蒸发器集热板的二维传热模型
• 3.2 相关辅助参数计算公式
• 3.2.1 制冷工质的摩擦压降
• 3.2.2 制冷工质与管壁的对流换热系数
• 3.2.3 制冷工质物性参数
• 3.2.4 电池封装材料透过率及电池和集热板有效吸收率
• 3.3 光伏蒸发器动态模型的求解
• 3.3.1 光伏蒸发器的节点划分
• 3.3.2 光伏蒸发器动态模型的离散
• 3.3.3 计算流程
• 3.4 实验测试
• 3.5 数值模拟与实验测试结果的对比、分析和讨论
• 3.5.1 光伏蒸发器的压力
• 3.5.2 光伏电池和蒸发器集热板的温度
• 3.5.3 蒸发器的光电性能
• 3.5.4 蒸发器的光热性能
• 3.5.5 蒸发器的温度分布
• 3.5.6 工质的干度和平均比焓
• 3.6 本章小结
• 第四章 光伏太阳能热泵系统的理论和实验研究
• 4.1 光伏太阳能热泵系统的数学模型
• 4.1.1 光伏蒸发器模型
• 4.1.2 变频压缩机模型
• 4.1.3 电子膨胀阀模型
• 4.1.4 水冷冷凝器模型
• 4.1.5 水箱模型
• 4.1.6 PV-SAHP系统性能指标
• 4.2 PV-SAHP系统动态模型的求解
• 4.2.1 PV-SAHP系统动态模型的离散
• 4.2.2 计算流程
• 4.3 PV-SAHP系统在恒定冷凝水温工况下的性能
• 4.3.1 实验方案
• 4.3.2 数值模拟与实验测试结果的对比、分析和讨论
• 4.3.2.1 PV-SAHP系统的压力
• 4.3.2.2 PV-SAHP系统的冷凝功率
• 4.3.2.3 压缩机输入功率
• 4.3.2.4 PV-SAHP系统的COP
• 4.3.2.5 PV-SAHP系统的光电性能
• 4.3.2.6 PV-SAHP系统的光电光热综合性能
• 4.4 PV-SAHP系统在变冷凝水温工况下的性能
• 4.4.1 实验方案
• 4.4.2 数值模拟与实验测试结果的对比、分析和讨论
• 4.4.2.1 PV-SAHP系统的压力
• 4.4.2.2 PV-SAHP系统的冷凝功率和水箱得热
• 4.4.2.3 水箱的冷凝水温
• 4.4.2.4 压缩机输入功率
• 4.4.2.5 PV-SAHP系统的COP
• 4.4.2.6 PV-SAHP系统的光电性能
• 4.5 本章小结
• 第五章 光伏太阳能热泵系统的能量效率和（火用）效率分析
• 5.1 各系统的能量效率分析和（火用）效率分析
• 5.1.1 PV-SAHP系统的能量效率和（火用）效率
• 5.1.2 商用PV组件的能量效率和（火用）效率
• 5.1.3 DX-SAHP系统的能量效率和（火用）效率
• 5.1.4 “PV+SAHP”系统的能量效率和（火用）效率
• 5.2 PV-SAHP系统与商用PV组件的性能对比
• 5.2.1 商用PV组件的动态模型
• 5.2.2 光电功率和光电转换效率
• 5.2.3 系统输出的能量和能量效率
• 5.2.4 系统输出的（火用）和（火用）效率
• 5.3 PV-SAHP系统与DX-SAHP系统的性能对比
• 5.3.1 DX-SAHP系统的动态模型
• 5.3.2 系统输出的能量和能量效率
• 5.3.3 系统输出的（火用）和（火用）效率
• 5.4 PV-SAHP系统与“PV+SAHP”系统的性能对比
• 5.4.1 系统输出的能量和能量效率
• 5.4.2 系统输出的（火用）和（火用）效率
• 5.5 光伏电池覆盖率对PV-SAHP系统性能的影响
• 5.5.1 系统的光电功率和光电转换效率
• 5.5.2 系统的冷凝功率和压缩机输入功率
• 5.5.3 系统的总能量收益和能量效率
• 5.5.4 系统输出的（火用）和（火用）效率
• 5.6 蒸发器玻璃盖板对PV-SAHP系统性能的影响
• 5.6.1 PV-SAHP系统在有玻璃盖板工况下的动态模型
• 5.6.2 系统的光电功率和光电转换效率
• 5.6.3 系统的冷凝功率和压缩机输入功率
• 5.6.4 系统的总能量收益和能量效率
• 5.6.5 系统输出的（火用）和（火用）效率
• 5.7 本章小结
• 第六章 空气源热泵系统的理论和实验研究
• 6.1 空气源热泵系统（ASHP）简介
• 6.1.1 压缩机
• 6.1.2 风冷蒸发器
• 6.1.3 沉浸式盘管水冷冷凝器
• 6.2 ASHP系统动态模型
• 6.2.1 风冷蒸发器模型
• 6.2.1.1 制冷工质流动传热模型
• 6.2.1.2 管壁能量平衡方程
• 6.2.1.3 空气的传热传质模型
• 6.2.2 沉浸式盘管水冷冷凝器模型
• 6.2.2.1 管壁能量平衡方程
• 6.2.2.2 冷凝水能量平衡方程
• 6.2.3 压缩机模型
• 6.2.4 毛细管模型
• 6.2.5 ASHP系统的COP
• 6.2.6 ASHP系统动态模型的求解说明
• 6.3 实验测试方案
• 6.4 数值模拟结果与实验测试结果的分析与讨论
• 6.4.1 系统冷凝水温的变化情况
• 6.4.2 系统的压力分布
• 6.4.3 系统的温度分布
• 6.4.4 系统的冷凝功率
• 6.4.5 系统的总功耗
• 6.4.6 系统的COP
• 6.5 本章小结
• 第七章 全文总结及后续工作展望
• 7.1 本文主要工作及创新点
• 7.2 后续工作展望
• 参考文献
• 术语表
• 图表清单
• 论文、奖励及科研情况
• 致谢