PV_T太阳能热泵系统的性能研究.pdf
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2006 年 9 月
第 8 卷第 9 期
中国工程科学
Engineering Science
Sep . 2006
Vol18 No19
学 术 论 文
PVΠT太阳能热泵系统的性能研究
裴 刚 , 季 杰 , 何 伟 , 孙 炜
(中国科学技术大学 热科学和能源工程系 , 合肥 230027)
[摘要 ] 提出一种新型的太阳能热泵系统 ———PVΠT - SAHP 系统 , 该系统具有光电Π光热综合利用的功能 ; 建
立了 PVΠT - SAHP系统的动态模型 , 对该系统的运行特性进行了数值模拟。结果显示 , PVΠT - SAHP 系统的电效
率和热效率较传统的太阳能系统和热泵系统都有明显提高 , 运行能耗较普通热泵大幅度降低 ; 系统 PVΠT蒸发器
的面积、管间距、倾角等参数的变化对电效率和热性能会产生比较大的影响 , 是系统优化设计的关键因素。
[关键词 ] 太阳能热泵 ; 光电光热综合利用 ; PVΠT; SAHP
[中图分类号 ] TK5 [文献标识码 ] A [文章编号 ] 1009 - 1742 (2006) 09 - 0049 - 08
[收稿日期 ] 2005 - 05 - 04
[基金项目 ] 国家自然科学基金资助项目 ; 中国科学技术大学青年基金资助项目 ( KA1340000001)
[作者简介 ] 裴 刚 (1975 - ) , 男 , 安徽阜阳市人 , 中国科学技术大学博士研究生
1 系统概述
在世界范围内 , 随着能源紧张和环境问题的日
益凸显 , 太阳能作为一种清洁的可再生能源 , 日益
受到人们的重视。太阳能热泵 SAHP 系统 ( solar2
assisted heat pump , SAHP) 是太阳能利用的一种方
式 , SAHP 系统将具有热输运性能的热泵装置和太
阳能集热结合在一起 , 可以同时提高热泵的性能和
太阳能的热利用效率。近年来 , 美国、日本、墨西
哥、中国等国家的一些学者 , 对太阳能热泵 SAHP
系统从不同侧面进行了大量的探索[1～6 ] 。
作者提出一种新型的太阳能热泵系统 : 光电Π
光热综合利用的太阳能热泵系统 ( PVΠT solar2
assisted heat pump , PVΠT - SAHP) 。在 PVΠT - SAHP
系统中 , 光伏组件与热泵装置的蒸发器结合成一
体 , 系统接收到的太阳辐照中 , 短波部分被光伏电
池转化为电流输出 , 长波部分用作热泵蒸发器的热
源 , 使太阳能从光电、光热两个方面得到综合利用。
PVΠT - SAHP 系统原理如图 1 所示。系统主要
包括压缩机、冷凝换热器、毛细管、PVΠT蒸发器、
风冷蒸发器、控制系统等部分。其中 , PVΠT 蒸发
器包含光伏组件 , 提供电流输出 , 以供系统热泵运
行所需要的全部或者大部分电能需求。热泵循环通
过 PVΠT蒸发器吸收太阳辐照 , 在冷凝加热器处输
出高温热能 , 同时降低了光伏组件的温度 , 提高其
发电效率。风冷蒸发器是系统的辅助换热器 , 在冬
季或阴雨天等阳光辐照较弱时开启 , 从环境中吸收
热量来弥补 PVΠT 蒸发器吸热量的不足 , 保证热泵
系统的正常运行。
图 1 PVΠT - SAHP系统原理
Fig11 PVΠT solar2assisted heat pump system
PVΠT - SAHP 系统可以维持 PVΠT 蒸发器在较
低温度下工作 , 同时提高了 PVΠT 蒸发器电效率和
热效率。由于辐照强度和热泵循环的综合作用 , 光
伏组件表面温度有时候会低于环境温度。在这种情
况下 , PVΠT蒸发器不存在任何热损 , 还可以从环
境中吸收热量 , 作为系统辐照的辅助热源。
2 系统模型
PVΠT - SAHP 系统模型主要包括 : PVΠT光电光
热模型和热泵热力循环模型两部分。系统模型可以
模拟在全天过程中 PVΠT - SAHP 系统性能参数的动
态变化。通过系统模型还可以分析 PVΠT 模块的面
积、倾斜角、管间距等参数对系统性能的影响 , 便
于系统的优化配置。
211 PVΠT蒸发器模型
PVΠT蒸发器由光伏电池、导热铝板、工质盘
管、绝热层和铝质框架构成 , 具体结构如图 2 所
示。光伏电池与导热铝板紧密贴合在一起 , 工质盘
管平行焊接在导热铝板的背面 , 相邻两平行工质盘
管之间的距离称为管间距 L 0 。光伏电池、导热铝
板、工质盘管三者之间导热良好 , 铝板的背面有绝
热层围护。
图 2 PVΠT蒸发器结构图[ 1]
Fig12 Diagram of PVΠT evaporator
PVΠT 蒸发器的局部结构如图 3 所示 , 由于热
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