光伏太阳能热泵的动态分布参数模拟与实验研究

【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。 【关键词】：光伏太阳能热泵 空气源热泵 光伏蒸发器 光电、光热性能 光电转换效率 性能系数 能量效率 (火用)效率 分布参数模型
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TK513
【目录】：

• 目录5-10
• 摘要10-12
• Abstract12-15
• 第一章 绪论15-28
• 1.1 我国的能源概况15-18
• 1.2 太阳能利用技术18-26
• 1.2.1 太阳能光热技术19-21
• 1.2.1.1 太阳能热水系统19
• 1.2.1.2 太阳能空气采暖系统19-20
• 1.2.1.3 太阳能热泵系统20-21
• 1.2.2 太阳能光伏发电技术21-22
• 1.2.3 太阳能光伏光热综合利用技术22-24
• 1.2.4 光伏太阳能热泵24-26
• 1.3 分布参数模型26-27
• 1.4 本文主要内容27-28
• 第二章 光伏太阳能热泵系统简介28-41
• 2.1 光伏太阳能热泵系统的构成和原理28-29
• 2.2 光伏太阳能热泵系统各主要部件结构参数29-36
• 2.2.1 光伏蒸发器29-33
• 2.2.2 变频压缩机33-34
• 2.2.3 光伏发电系统34-36
• 2.3 相关测试装置36-40
• 2.4 本章小结40-41
• 第三章 光伏蒸发器的数值模拟和实验验证41-62
• 3.1 光伏蒸发器的数学模型41-45
• 3.1.1 制冷工质的流动传热模型41-43
• 3.1.2 光伏电池的能量平衡方程43
• 3.1.3 蒸发器集热板的二维传热模型43-45
• 3.2 相关辅助参数计算公式45-50
• 3.2.1 制冷工质的摩擦压降45-46
• 3.2.2 制冷工质与管壁的对流换热系数46-47
• 3.2.3 制冷工质物性参数47-48
• 3.2.4 电池封装材料透过率及电池和集热板有效吸收率48-50
• 3.3 光伏蒸发器动态模型的求解50-53
• 3.3.1 光伏蒸发器的节点划分50-51
• 3.3.2 光伏蒸发器动态模型的离散51
• 3.3.3 计算流程51-53
• 3.4 实验测试53-54
• 3.5 数值模拟与实验测试结果的对比、分析和讨论54-60
• 3.5.1 光伏蒸发器的压力54-55
• 3.5.2 光伏电池和蒸发器集热板的温度55-56
• 3.5.3 蒸发器的光电性能56-57
• 3.5.4 蒸发器的光热性能57-58
• 3.5.5 蒸发器的温度分布58-59
• 3.5.6 工质的干度和平均比焓59-60
• 3.6 本章小结60-62
• 第四章 光伏太阳能热泵系统的理论和实验研究62-85
• 4.1 光伏太阳能热泵系统的数学模型63-69
• 4.1.1 光伏蒸发器模型63
• 4.1.2 变频压缩机模型63-66
• 4.1.3 电子膨胀阀模型66
• 4.1.4 水冷冷凝器模型66-67
• 4.1.5 水箱模型67-68
• 4.1.6 PV-SAHP系统性能指标68-69
• 4.2 PV-SAHP系统动态模型的求解69-71
• 4.2.1 PV-SAHP系统动态模型的离散69
• 4.2.2 计算流程69-71
• 4.3 PV-SAHP系统在恒定冷凝水温工况下的性能71-77
• 4.3.1 实验方案71-72
• 4.3.2 数值模拟与实验测试结果的对比、分析和讨论72-77
• 4.3.2.1 PV-SAHP系统的压力72-74
• 4.3.2.2 PV-SAHP系统的冷凝功率74
• 4.3.2.3 压缩机输入功率74-75
• 4.3.2.4 PV-SAHP系统的COP75-76
• 4.3.2.5 PV-SAHP系统的光电性能76
• 4.3.2.6 PV-SAHP系统的光电光热综合性能76-77
• 4.4 PV-SAHP系统在变冷凝水温工况下的性能77-83
• 4.4.1 实验方案77-78
• 4.4.2 数值模拟与实验测试结果的对比、分析和讨论78-83
• 4.4.2.1 PV-SAHP系统的压力78-79
• 4.4.2.2 PV-SAHP系统的冷凝功率和水箱得热79-80
• 4.4.2.3 水箱的冷凝水温80-81
• 4.4.2.4 压缩机输入功率81
• 4.4.2.5 PV-SAHP系统的COP81-82
• 4.4.2.6 PV-SAHP系统的光电性能82-83
• 4.5 本章小结83-85
• 第五章 光伏太阳能热泵系统的能量效率和(火用)效率分析85-104
• 5.1 各系统的能量效率分析和(火用)效率分析85-87
• 5.1.1 PV-SAHP系统的能量效率和(火用)效率85-86
• 5.1.2 商用PV组件的能量效率和(火用)效率86-87
• 5.1.3 DX-SAHP系统的能量效率和(火用)效率87
• 5.1.4 “PV+SAHP”系统的能量效率和(火用)效率87
• 5.2 PV-SAHP系统与商用PV组件的性能对比87-91
• 5.2.1 商用PV组件的动态模型87-89
• 5.2.2 光电功率和光电转换效率89
• 5.2.3 系统输出的能量和能量效率89-90
• 5.2.4 系统输出的(火用)和(火用)效率90-91
• 5.3 PV-SAHP系统与DX-SAHP系统的性能对比91-94
• 5.3.1 DX-SAHP系统的动态模型91
• 5.3.2 系统输出的能量和能量效率91-93
• 5.3.3 系统输出的(火用)和(火用)效率93-94
• 5.4 PV-SAHP系统与“PV+SAHP”系统的性能对比94-95
• 5.4.1 系统输出的能量和能量效率94
• 5.4.2 系统输出的(火用)和(火用)效率94-95
• 5.5 光伏电池覆盖率对PV-SAHP系统性能的影响95-98
• 5.5.1 系统的光电功率和光电转换效率95-96
• 5.5.2 系统的冷凝功率和压缩机输入功率96
• 5.5.3 系统的总能量收益和能量效率96-97
• 5.5.4 系统输出的(火用)和(火用)效率97-98
• 5.6 蒸发器玻璃盖板对PV-SAHP系统性能的影响98-102
• 5.6.1 PV-SAHP系统在有玻璃盖板工况下的动态模型98-99
• 5.6.2 系统的光电功率和光电转换效率99-100
• 5.6.3 系统的冷凝功率和压缩机输入功率100-101
• 5.6.4 系统的总能量收益和能量效率101-102
• 5.6.5 系统输出的(火用)和(火用)效率102
• 5.7 本章小结102-104
• 第六章 空气源热泵系统的理论和实验研究104-121
• 6.1 空气源热泵系统(ASHP)简介104-106
• 6.1.1 压缩机104
• 6.1.2 风冷蒸发器104-106
• 6.1.3 沉浸式盘管水冷冷凝器106
• 6.2 ASHP系统动态模型106-110
• 6.2.1 风冷蒸发器模型106-108
• 6.2.1.1 制冷工质流动传热模型106
• 6.2.1.2 管壁能量平衡方程106-107
• 6.2.1.3 空气的传热传质模型107-108
• 6.2.2 沉浸式盘管水冷冷凝器模型108
• 6.2.2.1 管壁能量平衡方程108
• 6.2.2.2 冷凝水能量平衡方程108
• 6.2.3 压缩机模型108-109
• 6.2.4 毛细管模型109-110
• 6.2.5 ASHP系统的COP110
• 6.2.6 ASHP系统动态模型的求解说明110
• 6.3 实验测试方案110-112
• 6.4 数值模拟结果与实验测试结果的分析与讨论112-119
• 6.4.1 系统冷凝水温的变化情况112-113
• 6.4.2 系统的压力分布113-114
• 6.4.3 系统的温度分布114-117
• 6.4.4 系统的冷凝功率117-118
• 6.4.5 系统的总功耗118-119
• 6.4.6 系统的COP119
• 6.5 本章小结119-121
• 第七章 全文总结及后续工作展望121-124
• 7.1 本文主要工作及创新点121-122
• 7.2 后续工作展望122-124
• 参考文献124-132
• 术语表132-134
• 图表清单134-138
• 论文、奖励及科研情况138-141
• 致谢141

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