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1、光伏太阳能热泵系统摘要：近些年一种全新的 PV-SAHP 系统对太阳能光伏发电系统中电池板过热问题提出解决方案，它利用光伏发电热泵热水器联合系统对电池板进行冷却，同时对热泵工质进行加热，以期望同时提高光电转化效率和热泵能效比。 ，关键词：光伏太阳能热泵系统、光伏发电、热泵热水器、效率1.引言几十年来能源问题越来越突出，已经成为困扰全人类的一大难题。而太阳能可再生、无污染、储量巨大，是公认的理想能源。因此关于太阳能利用的研究一直在进行，而近些年这个问题的热度也不断提升。如今，太阳能利用已初具规模，太阳能热水器已经十分普及，太阳能光伏发电也向着高效率，低成本的方向发展。本文首先阐述太阳能光伏发电、
2、空气源热泵热水器和太阳能热泵的研究和发展情况，提出系统中存在的问题和解决方案。在第三部分中介绍光伏发电热泵热水器联合系统的工作原理。通过对系统的效率、损失、经济效益等方面进行对比分析我们可以明显看到联合系统的优势。2.太阳能光伏发电、热泵热水器的发展2.1 太阳能光伏发电1893 年，法国科学家贝克雷尔（Becqurel）发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏特效应” ，简称“光伏效应” 。1954 年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。20 世纪 70 年代以来，现代工业快
3、速发展，能源问题逐渐暴露。于是，人们将目光投向了可再生能源。太阳能每秒钟到达地面的能量高达 80 万千瓦时，人类如果能将其中的万分之一转化为电能，每年的发电量将会是地球能耗的几十倍。于是，上世纪 80 年代以来，太阳能电池种类逐渐增多，市场日益扩大。20 世纪 90 年代后，光伏发电快速发展。到 2006 年，世界上已经建成了 10 多座兆瓦级光伏发电系统，6 个兆瓦级的联网光伏电站。根据2013-2017 年中国光伏发电产业市场前瞻与投资战略规划分析报告【2】 调查数据显示，2011 年，全球光伏新增装机容量约为 27.5GW，较上年的18.1GW 相比，涨幅高达 52%，全球累计安装量超过
4、 67GW。全球近 28GW 的总装机量中，有将近 20GW 的系统安装于欧洲，但增速相对放缓，其中意大利和德国市场占全球装机增长量的 55%，分别为 7.6GW 和 7.5GW。2011 年以中日印为代表的亚太地区光伏产业市场需求同比增长 129%，其装机量分别为 2.2GW，1.1GW和 350MW。此外，在日趋成熟的北美市场，去年新增安装量约 2.1GW，增幅高达84%。其中中国是全球光伏发电安装量增长最快的国家，2011 年的光伏发电安装量比2010 年增长了约 5 倍，2011 年电池产量达到 20GW，约占全球的 65%。截至2011 年底，中国共有电池企业约 115 家，总产能为
5、 36.5GW 左右。如果光伏发电成本过高问题能够得到解决，太阳能发电产业会有无穷的潜力，这对于缓解能源危机也有重大意义。2.2 热泵热水器十九世纪早期法国科学家萨迪卡诺（SadiKarnot）在 1824 年首次以论文提出“卡诺循环”理论，这成为热泵技术的起源。1852 年英国科学家开尔文（L.Kelvin）提出，冷冻装置用于加热，将逆卡诺循环用于加热的热泵设想。1912 年瑞士的苏黎世成功安装一套以河水作为低位热源的热泵设备用于供暖，这是早期的水源热泵系统，也是世界上第一套热泵系统。热泵工业在 20 世纪 40 年代到 50 年代早期得到迅速发展，家用热泵和工业建筑用的热泵开始进入市场，热
6、泵进入了早期发展阶段。同太阳能光伏发电系统一样，热泵在上世纪 70 年代也迎来了发展的黄金时期。热泵新技术层出不穷，热泵的用途也在不断的开拓，广泛应用于空调和工业领域，在能源的节约和环境保护方面起着重大的作用。如今市场上最常见的是空气源热泵热水器。顾名思义，空气源热水器即吸收空气中的热量进行加热的装置。相比于直接使用电加热，空气源热泵在一般情况下可以把能耗降低到 1/4【3】 。由于它耗电少，与太阳能热水器相比受天气影响较小，有着独特的优势。2.3 太阳能热泵系统太阳能热泵系统是指以太阳能为热源的热泵系统。太阳能热泵系统克服了普通风冷热泵系统在高纬度地区的冬季容易因结霜导致系统效率偏低甚至无法
7、运行的缺陷,而且提高了系统的蒸发温度,改善了系统的性能。SAHP 系统主要分为两种类型:(1)间接式太阳能热泵系统太阳能集热系统和热泵循环各自独立,两者通过换热器实现能量交换;(2)直膨式太阳能热泵系统,把太阳能集热器和热泵蒸发器结合成一体,热泵工质在太阳能集热器中流动,直接吸收投射到集热器表面的太阳能 【4】 。2.4 光伏太阳能热泵（PV-SAHP）系统及研究现状太阳能光伏发电效率随电池板温度升高而降低。当电池板温度较高时，有必要进行降温。单一的降温方法消耗电能，收益很少甚至得不偿失，实际生产和生活中极少进行降温。而且传统降温方法使得电池板上的热量白白流走。同时，热泵热水器的 COP 值随
8、环境温度升高而升高。如果把光伏电池板作为热泵热水器的热源，使得光伏电池板的温度保持在较低水平。这样不但能给电池板降温，保证发电效率，而且还提高了热泵热水器的能效比。光伏电池板便成为集热、发电一体的光伏蒸发器。光伏光热综合利用的概念首先是由 Kern 和 Rusell【5】 提出的，之后针对类似 PV/T 系统有大量的研究。近年来，中国科学技术大学提出将光伏电池和直膨式太阳能热泵相结合，构成 PV-SAHP 系统。刘可亮 【6】 对 PV-SAHP 系统进行了理论建模和实验测量两方面的研究。何汉峰 【4】 根据天气状况的变化，对该系统进行了动态参数的分析，并考量了该系统的经济性。裴刚 【7】 通
9、过改变系统的各个参数，研究了 PV-SAHP 系统的性能变化。3.PV-SAHP 系统原理3.1 热泵热水器循环热泵热水器循环示意图如下：图 3.1 空气源热泵原理制冷工质在蒸发器中吸热汽化，之后进入压缩机进行绝热压缩，压力和温度增大，进入水箱中冷凝放热从而给水加热。通过绝热节流过程后，温度和压力降低，再次进入蒸发器循环。对于热泵循环（如图 3.2）的分析，需要确定蒸发温度和冷凝温度，即和 。理想状态下， 即为热水的温度， 为环境温度。实际上无法做到，3 1 3 1工质与冷热源的温度不可能相同，需要保留 5 的传热温差。当工质吸热温度和放热温度已知时，查表可得出 34 过程和 51 过程的压力
10、以及各点的焓值。评估热泵性能使用能效比 【1】（3.1）()= (供热量）（压缩机耗功）在图 3.2 的制冷循环中，供热量 1=h2-h4压缩机耗功 =h2-h1（3.2）()=h2-h4h2-h1当进行过冷处理后，（3.3）()=h2-h4h2-h13.2 光伏蒸发器光伏蒸发器是光伏太阳能热泵的核心部件，是在太阳能电池的基础上，整合热泵的蒸发器部分，通过制冷工质的流动带走板上的热量。3.2.1 光伏电池 【8】光伏电池利用的是光生伏打效应。太阳光照在半导体 p-n 结上，形成新的空穴-电子对。在电场的作用下形成电流。目前地面光伏系统大量使用的是以硅为基底的硅太阳能电池，可分为单晶硅、多晶硅、
11、非晶硅太阳能电池。本文以单晶硅电池作为研究对象。电池的覆盖材料为双层真空玻璃,并加盖泡沫玻璃作为热绝缘材料。光伏电池净接收的太阳能可以用下式表示(3.4)=(1)式中：I照射到电池板上的辐射强度(W/m 2)覆盖层反射率覆盖层透射率电池吸收太阳能的比例入射的太阳能一部分直接转化为电能，发电量为(3.5)=式中 光伏电池的光电转换效率。研究表明 随着温度的升高而降低，满 足关系式(3.6)=1(-)图 3.2 热泵循环的温熵图和压焓图其中光伏电池在温度 下的标准效率 光伏效率的温度系数（ -1）计算中各参数采用的值见于下表I 1000W/m2 0.02 0.81 0.90 0.18 25 0.0
12、043.2.2 散热量分析在没有制冷装置的情况下，经过简化后，电池板散热量的公式可以写成（3.7）=(-）其中光伏电池温度环境温度热损失系数，由以下三项组成（3.8）=+h+h式中热绝缘材料的导热损失系数线性化的热辐射损失系数h外部空气对流热损失系数h这三个系数可由以下方法导出(3.9)h=2.08+3.0式中 表示风速。=(+1h)-1(3.10)其中 分别表示热绝缘层的厚度和导热系数。、 取文献中的计算值。h该部分计算需要的值见下表。 5.0m/s 25mm 0.058W/(mK)h 5.7W/(mK)3.3 光伏太阳能热泵系统系统原理图如下：图 3.3 光伏太阳能热泵系统根据 3.1 和
13、 3.2 的推导，光伏蒸发器的热平衡方程如下(3.11) -=2表示热泵蒸发器的制冷功率。本文中，选取热泵工质为 R134a。如果冷凝2端温度不变，过冷温度保持 5， 、 和 完全由 确定。此时热泵的各个h2 h4 h1 参数值是 的一元函数。4.理想状态下系统参数分析根据式 3.11 可以知道，在太阳辐射、热泵取热，电池板自身散热的共同作用下，光伏蒸发器最终会稳定在某个温度，该温度实际上取决于热泵蒸发器的制冷功率。在本段的分析中，取光伏蒸发器最终的稳定温度 为自变量，分析系统的各个参数。这些分析都基于如下假设：1.光伏蒸发器的面积为 1m2。2.冷凝器端工质温度为 65 ，用以加热 60 的
14、淋浴用热水。环境温度为 25 。3.在管道中流动的过程没有压力损失。4.压缩机中进行的是严格的可逆定熵的压缩过程。分析中使用了 Solkane6.0 软件。该软件在指定工质种类和循环主要参数之后，可以计算出循环中各个点的参数和系统的制冷功率、制热功率、压缩机功率和能效比。图 4.1 Solkane6.0 软件界面4.1 ()20 25 30 35 40 45456789101112图 4.2 随 变化规律()与卡诺逆循环相同，光伏蒸发器温度越高，即越接近热端温度，系统能效比越高。4.2 光伏电池发电功率与系统净发电功率20 25 30 35 40 45 50118120122124126128130132图 4.3 随 变化规律()该关系由式 3.6 直接得出，是一线性负相关关系。净发电量 的计算公式为,(4.1),=式中 表示压缩机耗功。经过处理，关系图如下:20 25 30 35 40 45 50020406080100120图 4.4 (w)随 变化规律,可以看到，随着温度的升高，净发电量是增加的，这与电池功率的变化恰好相反。原因在于，随着电池温度 上升，光伏电池的输出功率确实会下降，但热泵节省电能的效应更为明显4.3 制热量 120 25 30 35 40 45 50010020030040050060070080
