光伏太阳能热泵的理论和实验研究

【摘要】： 光伏电池的转换效率随着工作温度的升高而下降，这常常会导致光伏电池在无冷却的条件下效率较低。为了降低光伏电池的工作温度，利用这部分热量，并同时提高太阳能的利用率，对太阳能进行光电、光热综合利用是一个很好的选择，近年来这方面的研究在国内外得以逐渐展开。 参阅相关文献可以发现：光电／光热综合利用的研究主要有以下两种方式：一种是利用水作为冷却介质，被加热后用来作为生活用水，或者作为热泵系统的辅助热源；另一种是利用空气作为冷却介质，加热后的空气被导入到室内给房间采暖或进行其它形式的再利用。相关的研究表明：采取了上述冷却措施后，光伏电池的效率得以明显改善，同时太阳能的综合利用率也得以显著提高。 然而为了使水或空气可以达到直接利用或再利用的目的，常常希望冷却介质的能达到较高的温度，这和提高光伏电池效率的方向是背道而驰的。为了从根本上解决这个问题，我们提出了一种新型的太阳能综合利用方案：即把光伏集热器和热泵系统直接偶合起来，利用温度较低的制冷剂带走光伏集热器的热量，由此可以达到很好的冷却效果，并可以在热泵的冷凝端输出品质提升后的热量用于采暖或制取生活用热水。这种系统被称为光伏太阳能热泵(photovoltaicsolar assisted heat pump，PV-SAHP)，对其进行的相关研究表明该系统具有优良的热性能，并且光伏电池的转换效率也得以显著提高。 本文利用分布参数模型对光伏太阳能热泵系统的核心部件—光伏蒸发器进行了深入的数值研究，并在此基础上构件了PV-SAHP系统模型，研究了结构参数、太阳辐射强度、环境参数等因素的改变对光伏蒸发器和整个热泵系统性能的影响。对光伏蒸发器的模拟采用了分布参数法，相对于集总参数法而言，这种方法具有更高的精度。它能够给出光伏蒸发器各绢件的温度分布以及能量流动特点，并同时给出光伏蒸发器的热／电输出等。 在上述理论模拟的基础上，设计并搭建了光伏太阳能热泵实验台。并在合肥冬季的气候条件下，进行了相关的实验研究。对实验结果和数值模拟结果进行了对比分析，二者具有很高的一致性，验证了所建模型具有较高的精度。研究结果表明光伏蒸发器的热效率可以达到0．53～0．75：电效率可以达到0．124～0．135；综合效率可达到0．64～0．87，与同类型的集热器相比高出约10％以上。光伏太阳能热泵的COP最高达到8．4，平均COP为6．5。由此可见光伏太阳能热泵具有非常优越的性能。 采用上述模型，本文还对光伏太阳能热泵的变频率工作特性进行了数值模拟研究。由于光伏太阳能热泵是工作在宽幅变动的太阳辐射和环境温度下，因此必须对制冷剂流量进行适时调整，以避免蒸发器山口的制冷剂处于两相状态，危及到压缩机的安全运行，或者蒸发器出口制冷剂的过热度太大，导致散热损失增加，降低蒸发器的热效率。本文采用了变频率和电子膨胀阀的二级调整方式调节制冷剂流量，使其与外界参数的变化相匹配，取得了很好的效果，使光伏太阳能热泵系统处于安全、高效的运行状态。 【关键词】：光伏太阳能热泵 光伏蒸发器 热效率 电效率 综合效率 性能系数 变频率 分布参数法
【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】：2007
【分类号】：TK513
【目录】：

• 目录5-8
• 摘要8-10
• Abstract10-12
• 第一章 绪论12-34
• 1.1 我国能源的概况12-16
• 1.1.1 我国的能源现状和基本特点12-15
• 1.1.2 能源发展面临的问题和挑战15-16
• 1.2 太阳能的光电、光热利用16-21
• 1.2.1 光伏发电技术18-19
• 1.2.2 太阳能的光热利用19-21
• 1.3 综合利用技术和太阳能热泵21-27
• 1.3.1 PV/T集热技术21-24
• 1.3.2 太阳能热泵24-27
• 1.4 本文主要内容27-28
• 参考文献28-34
• 第二章 光伏太阳能热泵的数学模型34-53
• 2.1 光伏蒸发器的模型34-40
• 2.1.1 结构和工作原理34-36
• 2.1.2 理论分析36-40
• 2.2 系统其它部件的模型40-42
• 2.3 热物性模型42-44
• 2.4 计算方法44-46
• 2.5 对光伏蒸发器的数值模拟46-50
• 2.5.1 参数的选取46
• 2.5.2 模拟结果分析46-50
• 2.6 本章小结50-51
• 参考文献51-53
• 第三章 光伏太阳能热泵系统实验与模拟的对比分析53-81
• 3.1 光伏太阳能热泵实验系统介绍53-60
• 3.1.1 光伏蒸发器的设计和试制54-56
• 3.1.2 变频压缩机56-57
• 3.1.3 光伏系统57-60
• 3.2 参数测量系统60-62
• 3.3 测点布置和实验方案62-64
• 3.3.1 实验测点的布置62-63
• 3.3.2 实验方案63-64
• 3.4 光伏蒸发器的研究64-73
• 3.4.1 主要性能参数64
• 3.4.2 模拟和实验结果对比分析64-72
• 3.4.2.1 蒸发器得热量和热效率66-68
• 3.4.2.2 输出功率和电效率68-69
• 3.4.2.3 热电综合效率69-70
• 3.4.2.4 相邻铜管间的温度分布70-72
• 3.4.3 光伏蒸发器的研究结论72-73
• 3.5 光伏太阳能热泵系统的研究73-80
• 3.5.1 主要参数公式及说明73
• 3.5.2 系统模拟和实验结果分析73-79
• 3.5.2.1 压缩机功率74-75
• 3.5.2.2 冷凝功率75-76
• 3.5.2.3 COP76-77
• 3.5.2.4 光伏功率77-78
• 3.5.2.5 光伏效率78-79
• 3.5.3 结论79-80
• 3.6 本章小结80-81
• 第四章 光伏太阳能热泵变频率工况下的数值模拟81-96
• 4.1 变频工况研究的意义81-82
• 4.2 计算方法82-86
• 4.3 结果和讨论86-92
• 4.3.1 气象数据86-87
• 4.3.2 COP和冷凝功率87-88
• 4.3.3 压缩机耗功和光伏输出功率88-89
• 4.3.4 压缩机频率和制冷剂质量流量89-90
• 4.3.5 盖板温度(Tg),环境温度(Ta)和基板温度(Tp)90-91
• 4.3.6 热效率、电效率和综合利用效率91-92
• 4.4 本章小结92-94
• 参考文献94-96
• 第五章 总结及展望96-99
• 5.1 论文的主要工作和创新点96-98
• 5.2 论文的后续工作和展望98-99
• 符号列表99-102
• 图例清单102-105
• 论文、奖励和科研情况105-108
• 致谢108

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