太阳能光伏热泵研究进展
Research Progress of Solar Photovoltaic Heat Pump

作者: 牛擎宇 , 宋子晔 , 关 欣 :上海理工大学能源与动力工程学院,上海;

关键词: 间膨式光伏热泵光伏热泵分类喷射器Expandable Photovoltaic Heat Pump Photovoltaic Heat Pump Classification Injector

摘要: 对太阳能光伏热泵系统的发展过程进行了回顾。根据近些年来国内外相关学者对于光伏热泵方面的研究工作;介绍了直膨式与间膨式光伏热泵方面的研究进展,指出喷射器代替节流阀植入到系统,可以大量减少节流损失,提升热泵系统性能并在前人的研究基础上,提出了带喷射器的CO2间膨式光伏热泵系统的设想,以期对未来的研究工作有一定的启发作用。

Abstract: The development process of solar photovoltaic heat pump system is reviewed. According to the re-search work of relevant scholars at home and abroad on photovoltaic heat pump in recent years, direct expansion are introduced with the type of room and progress of solar heat pump, this paper points out that the injector to replace the throttle valve into the system can significantly reduce the throttling loss, improve heat pump system performance and on the basis of forefathers’ research puts forward the belt between the CO2 injector of photovoltaic pump system in order to have some inspiration for future research work.

1. 引言

太阳能在目前的清洁能源中,无论是在资源还是在规模上都是最为庞大的,其通过辐射输送到地球表面的能量总量达到了1.7 × 1014 kW,经过数据转换,每秒能够达到的能量为4.994 × 1010 J,相当于500万吨标准煤。中国的太阳能资源在世界中排名前列,年日照时长数超过2000小时的地区占到全国陆地总面积的65%以上 [1]。其中太阳能热泵技术和光伏发电技术作为太阳能利用的两种不同方式,近几十年得到了迅速发展。

早在2013年,中国的新光伏装机容量就占据了世界总产量的30%以上,成为世界上最大的光伏市场和生产者。研究报告指出,中国拥有世界上排名第一的太阳能热水器产量 [2],但商业光伏电池组件的光电转换效率大约是6%~15%,太阳能照射在光伏电池的表面,85%以上的份额被反射或转换成热能,部分内能被转换成电池能,其工作温度的升高使光电转换效率降低 [3]。为了解决这个缺陷,在光伏电池背面铺设流道,光伏电池利用流体温度进行降温,改善光电转换效率,并试图使用流体吸收的热量,即综合利用光伏光热技术(PV/T),现有的研究主要是水和空气作为冷却介质的PV/T系统,相关研究结果表明,水作为冷却介质可以获得比空气冷却更好的效果 [4],但由于水需要加热到较高的温度才是有效的,因此对光伏组件的冷却效果和随后的电气效率提高通常是不够的 [5] [6]。它将不可避免地减少电池的冷却效果,冷却介质在热泵系统的蒸发器温度低,波动较小,如果PV/T系统的传热方式以热泵循环为主要途径,光伏电池和热泵蒸发器组合成一个整体把太阳能光热转换的能量由工作介质蒸发过程吸收,利用热泵循环在冷凝段高温输出,这样既能使光伏电池保持低而稳定的工作温度,提高光电转换效率,还能利用热泵系统优越的传热性能,得到远高于系统功耗的能量。本文将对国内外关于太阳能光伏热泵的研究工作进行综述,并提出一种新型带喷射器的CO2间膨式光伏热泵。

2. 直膨式光伏热泵

图1所示,太阳能热泵系统的光伏电池和蒸发器有机结合,形成PV/T蒸发器。在PV/T蒸发器接收的太阳辐射中,一部分辐射由光伏电池通过光电转换产生,形成电流输出,另一部分通过光热转换照射。

光伏太阳能热泵最早提出于20世纪90年代。日本学者Ito和Miura [7] 对采用光伏电池热泵系统进行了实验研究,用PV-SAHP系统中的并联空气源换热器提高了热泵在低太阳辐射环境条件下的性能。国内虽然起步较晚但近十几年内,中国科学技术大学、东南大学、上海理工大学、上海交通大学等在此方面取得了很大的进步(见表1),中国科学技术大学裴刚、季杰 [8] [9] 等提出了一种直膨式光伏热泵系统,并建立了系统动态数学模型进行数值仿真,仿真结果表明,该系统的光伏发电效率较普通太阳能发电效率提高了16.0%,光伏光热综合效率达到84.7%,受系统结构参数对太阳能热泵性能影响较大。此外,裴刚团队 [10] 在香港建立了以R134A为工质的PV-SAHP进行连续生产热水。模拟结果表明,年平均COP为5.93,年平均电效率为12.1%,夏季产热水量可达冬季的两倍,在香港具有良好的应用潜力。

Figure 1. Picture of direct expansion photovoltaic heat pump system

图1. 直膨式光伏热泵系统图

Table 1. Research results of direct expansion photovoltaic heat pump

表1. 直膨式光伏热泵研究成果

东南大学徐国英等 [11] 于2011年通过仿真研究,对比了两种集热结构的直膨式光伏热泵(如图2),常见的圆形铜管蛇形排列和多孔铝扁管排列,结果表明多孔扁管平线流动集热结构的换热性能较好,南京地区气候条件下月平均热泵COP在4.23~5.54之间。

Figure 2. Building combined heat and power system based on photovoltaic heat pump

图2. 基于光伏热泵的建筑热电联供系统

东南大学董科枫等 [12] 设计的光伏太阳能热泵热水器综合性能良好,根据在不同的工作条件测量的数据,当天气晴朗或多云时,系统供水量为150 L/50℃的生活热水的COP在3.06至5.61之间。在阴天时COP可以达到2.68。

上海交通大学蒋澄阳 [13] 搭建了光伏热泵热水器试验台并用R290用作制冷剂进行相关实验研究,根据实验结果显示,实验系统的光电效率最高可达15.5%,集热效率在0.45到0.77之间,并从中发现冷凝器的供水温度会极大影响热泵的COP,随着供水温度的不断提升,热泵的COP不断下降,同时太阳辐照和环境温度对热泵COP有着正面影响,当一箱水从14.8℃加热至50.6℃时,热泵的平均COP可以达到4.3,光电转换效率和COP的相对测量误差分别为5%和5.2%。

青岛理工大学的马晓丰等 [14] 通过对光伏热泵的热电性能进行模拟研究(如图3),通过全年的运行模拟,得到系统的平均光电转换效率为0.1336,在相同气象参数条件下,相比单一光伏系统提升24.9%;相比单一土壤源热泵系统,热泵机组COP提了10.4%。

Figure 3. Schematic diagram of solar photovoltaic heat pump system

图3. 太阳能光伏光热-热泵系统原理图

上海理工大学的刘鹏等 [15] 人经过实验研究,设计了一套整体效率为4.86的光伏双热源热泵系统(如图4),显著提高了光电效率,降低了运行成本,具有很高的市场推广潜力。

Floschuetz [16] 对Hottel-Whillier分析方程进行了优化,将光伏系统的性能系数与热迁移率与常规集热器进行比较,为光伏系统的性能分析提供了宝贵的意见。上海电力学院荆树春 [17] 在此基础上改进了Hottel-Whillier模型,结合热泵循环理论,对制冷剂流量、辐射强度和水箱水温等进行建模,研究其对光伏电池温度、蒸发温度和COP的影响,提出在以供热为主要目的的情况下,应选择较大的压缩机。

jinzhizhou [18] 利用太阳能驱动的直接膨胀热泵系统成功地开发了一种新型平行铺设的光伏/微通道蒸发模块,以加热150 m2的平板。此外,热泵系统的蒸发器也与建筑屋顶集成在一起,引入了光伏屋顶的概念。分析了不同参数对光伏屋顶性能的影响,并从理论上比较了光伏热泵和太阳能热泵系统的电效率和热效率。

Figure 4. Direct expansion photovoltaic dual heat source heat pump system

图4. 直膨式光伏双热源热泵系统

以上研究表明:1) 直膨式光伏热泵既提高了PV/T系统中的光电、光热的综合利用效率,又把热泵循环巧妙的结合到了一起,提升了热泵的综合性能。2) 光伏电池和蒸发器的组合使得PV蒸发器表面温度低于传统的光伏电池和集热器温度,太阳的辐照强度使得热泵循环中热量的品位有所提升,改善了结霜的问题。

3. 间膨式光伏热泵系统

相比于直膨式光伏热泵,间膨式光伏热泵(图5)是在光伏组件和蒸发器之间加上循环冷却系统,使得热泵蒸发器不和光伏组件直接耦合,而是通过循环冷却系统将两者间接联系起来,制冷剂不直接通过PV/T集器,利用储能工质来吸收能量,既继承了热泵应用的优点,同时解决了直膨式光伏热泵中光热与光伏面积匹配难,热泵工质压损大易泄露缺点。近年来间膨式光伏热泵受到了国内外学者广泛的关注,并在这方面做出了许多创新型的成果(见表2)。

Figure 5. Figure of expandable photovoltaic heat pump system

图5. 间膨式光伏热泵系统图

Table 2. Research results of expandable photovoltaic heat pump

表2. 间膨式光伏热泵研究成果

西安科技大学利用TRNSYS软件对西安地区的-系统进行了串并联模型的动态特性模拟。从这份报告中可以明显看出,串行模式在冬季的性能优于并行模式 [19]。上海理工大学郭千朋等人 [20] 对不同模式的光伏热泵系统(PV/T-SAHP)进行了实验研究,系统设计了串联、混联和传统光伏系统三种模式(如图6~8),不同运行模式的实验结果表明,与传统光伏系统相比,光伏系统的光电转换效率平均提高了16.4%,每日平均输出功率最高可增加14.5%,电池温度最大可降低20℃,在获得同样加热量下系统按混联运行模式比按串联运行模式多输出1.7 kW/h的净发电量,且与直膨式光伏热泵相比,间膨式光伏泵系统具有更强的稳定性。

Figure 6. Series photovoltaic heat pump

图6. 串联式光伏热泵

Figure 7. Parallel photovoltaic heat pump

图7. 并联式光伏热泵

Figure 8. Hybrid photovoltaic heat pump

图8. 混联式光伏热泵

上海交通大学的张露 [21] 等人建立了太阳能光伏组件的间接热泵热水系统实验平台(图9),对光伏热泵系统在不同环境温度和辐照条件下的光电性能进行了现场测试和分析,结果表明,PV/T部分的发电比传统光伏组件增加了11.0%,相比传统光伏组件,光伏热泵系统中的电池组件温度平均可降低25.5℃,使光伏电池寿命得到了有效的缓解。热泵机组的平均COP可达4.7。光伏/热电热泵系统的整体光伏热效率高达74.4%,在产热和发电性能方面比传统集热器和光伏组件更具优势。

Figure 9. Figure of expandable photovoltaic heat pump system

图9. 间膨式光伏热泵系统图

Vallati等人 [22] 分析了间接膨胀热泵系统的理论,其中光伏/热电收集器被用作热泵系统的热源。比较了不同操作条件下系统的性能。结果表明,系统的供暖效果受天气条件影响较大,在高太阳辐射和室外空气温度下运行时,系统提供的热量可满足70%的供暖需求。

华北电力大学 [23] 进行了基于太阳能低聚光光伏/集热器的间接膨胀热泵系统的实验研究,最大光电转换效率高达15.2%,平均为9.4%。此外,峰值热效率高达86.7%,平均为54.8%。

Bai等人 [24] 从理论上分析了间膨式光伏/系统在TRNSYS环境中的性能。用TRNSYS 16计算环境对整个系统进行建模,并根据全年的仿真结果对能量性能进行评估。结果表明,在香港亚热带气候条件下,该系统的COP可达4.1,与常规供热系统相比,节能率高达67%。

Kim等人 [25] 基于两种不同类型的太阳能间接膨胀热泵系统,比较了一年中每小时的瞬时能效。串联式太阳能热泵在一年内最差时为3509小时,而采用新型太阳能集热器的太阳能热泵可达7036小时。地源也可稳定持续地为热泵提供能量其COP比传统平板太阳能集热器提高了5.1%。

Calise等人 [26] 利用TRNSYS软件提出了一个动态模型,并在同年对一个光伏/热电多联产系统进行了热经济分析。针对不同天气条件下的不同案例研究进行了为期1年的动态模拟。在不同的时间基础上对结果进行分析,给出能量、环境和经济性能数据。最后,进行了灵敏度分析和热经济学优化,以确定最小化简单偿还期的系统设计/控制参数集。结果表明,PV/T的总能效为49%,热泵制热模式的年性能系数大于4,吸附式制冷机的性能系数为0.55。最后还得出结论,系统性能对PV/T场区高度敏感。当考虑50%的资本投资补贴时,该系统具有较为可观的收益。

Obalanlege等人 [27] 介绍了一种间膨式光伏热泵系统(图10),研究了直接影响间膨式热泵系统COP的两个参数:流量和水箱容积的变化。并采用热力学和传热分析方法,研究了光伏-热泵混合系统的热电性能特性。随着增加太阳辐射强度从(250 W/m2增加到1000 W/m2)使系统的综合COP提高了1.2,而对热泵的综合COP的影响可以忽略不计。将水箱尺寸从1升增加到100升,PV/T的电效率和(总电和热)效率分别增加了0.36%和6.1%。储罐尺寸的变化对热泵或整体光伏热泵系统的COP的影响可以忽略不计。(图11图12)当PV/T流速从3升/分钟(管道中的层流)增加到(17升/分钟)湍流时PVT的电、热和总效率分别增加0.25%、3.0%和3.25%,而对热泵或系统的综合COP没有显著影响。

Figure 10. Expansion PV heat pump system layout

图10. 间膨式光伏热泵系统布局

Figure 11. PV/T pipeline arrangement diagram

图11. 球PV/T管道排列图

Figure 12. Layered diagram of PV/T inner tube

图12. PV/T内管分层图

Zhou等人 [28] 还提出了一个基于微通道的间膨式光伏热泵系统的理论模型(图13)。此外,通过实验研究验证了模型的准确性。该热泵的创新之处在于采用了微间的空气间隙。这表明有必要减少面板前部的热量损失,以提高整体效率。仿真模型得到了实验结果的验证,为预测系统的季节性性能提供了一种合理的方法,为经济分析提供了基础数据和未来的改进方向。微通道结构作为太阳能热交换器和光伏板的热交换器,提高了太阳能板内部工作流体的传热速率和能效。与微通道光伏板相比,微通道热板具有更高的整体效率,这得益于玻璃罩和吸收器之间的空气间隙。这表明有必要减少面板前部的热量损失,以提高整体效率。仿真模型得到了实验结果的验证,为预测系统的季节性性能提供了一种合理的方法,为经济分析提供了基础数据和未来的改进方向。

Figure 13. Microchannel solar indirect expansion photovoltaic heat pump system

图13. 微通道太阳能间接膨胀光伏热泵系统

Amo等人 [29] 提出了一种在热需求较大的建筑中节约能源和经济的简便技术方案。它由一个与PV/T太阳能场耦合的热泵组成,由TRNSYS模拟,并通过实验验证工作的最终目标是分析太阳能场、储存(水箱)和热泵加热功率的最合适大小,以优化系统效率。结果表明,工作冷温范围为10℃~20℃时COP上升到4.62,而在7℃~10℃之间工作时COP为2.96。热泵所需电力的67.6%由光伏生产提供(热泵所需的13771千瓦时中,9309千瓦时/年是可再生的)。经济分析表明投资回收期约为6年,这使得该方案极具吸引力。

以上研究表明,1) 间膨式光伏热泵很好的解决了光伏与光热面积的匹配问题;2) 系统灵活性较高,光伏电池能够得到更好的冷却效果;3) 热泵蒸发器与光伏组件不直接耦合解决了占地面积较大的问题,同时可以减少压损,从而提高了热泵的性能。

4. 带喷射器的CO2间膨式光伏热泵

光伏热泵虽然有很大的市场前景,但根据《蒙特利尔议定书》,热泵中的CFCs类制冷剂以被禁止使用,对于发达国家,HCFCs类制冷剂也会在2020年完全停用,为了保护我们赖以生存的环境,寻求替代CFCs、HCFCs工质已成为全球为之共同努力的问题,这使得自然工质特别是CO2重新受到重视。CO2有着众多优点:ODP为0,GWP为1;安全性和稳定性高;成本低,易于回收;不与润滑油发生反应。与传统循环相比,跨临界CO2循环的放热过程处于超临界状态,工质无相变,换热器是气体冷却器而不是冷凝器,放热过程温度滑移大,压缩比小,绝热效率以及压缩机的效率高 [30]。因此,CO2很适合应用于热泵然而,热力问题是制约CO2热泵热水器发展的重要问题之一。CO2跨临界循环中的节流膨胀被研究人员广泛认为是造成能量损失的主要环节。研究表明,理想的膨胀机能够起到提高系统性能45%~75%的效果。所以,采用一些膨胀机构来减少节流损失已成为许多学者研究的热点,其中应用喷射器回收热量和能量的制冷系统因其有助于提升系统性能受到越来越多的亲睐,并将成为CO2热泵热水器技术发展的重要领域之一。早期的蒸汽引射制冷循环中最主要的是采用工业废热和余热完成二次利用来进行冷量的制取,后来经过学者们的持续改进又逐步发展出太阳能引射制冷循环、吸收引射符合制冷循环等多种形式混合的制冷循环系统,通过回收低品位热源的热量作为制冷系统的动力之源。把喷射器引入到常规的蒸汽压缩制冷循环中,形成的蒸汽压缩引射制冷循环系统,会使循环中的膨胀过程由等焓变为等熵进而回收压力能和提升系统循环效率。基于此本文创新性的提出一种新型带喷射器的CO2间膨式光伏热泵系统(如图14)。

Figure 14. Diagram of CO2 interexpansion photovoltaic heat pump system with injector

图14. 带喷射器的CO2间膨式光伏热泵系统图

系统运行原理:PV/T集热器接收太阳辐射,并将其中的短波部分转换为电能输出,同时把其它长波部分太阳辐射转换为热能,被冷却水带走,进入蓄热水箱作为热泵蒸发器的低温热源,不论热泵系统是否可以运行,PV/T集热器都可以进行高效的光电转换。热泵系统运行时,制冷剂在蒸发器中完全蒸发,变成过热蒸汽,压缩机吸入过热蒸汽后,压缩升压,工质变为高温高压的CO2气体,进入气冷器中等压放热,冷凝成过冷液体。冷凝器另一侧的水被工质放出的热量加热后,进入恒温水箱,供给用户使用。工作流体进入到喷射器中,工作流体在通过喷嘴后,速度增加,压力降低,形成超音速流动,在喷嘴出口处周围形成负压环境。从蒸发器中完成蒸发吸热的低压低速CO2气体将作为引射流体,在工作流体高速射流的卷吸作用下被吸入喷射器的吸收室中,之后工作流体和引射流体开始进行混合,完成能量、质量的交换其压力和速度并不断趋于均匀,再经扩压室减速增压后流出,之后流入到气液分离器中。在气液分离器的作用下将饱和的CO2蒸汽送入压缩机中,而饱和的CO2液体送进节流阀需要完成等焓节流降压过程,使压力降到工况要求的蒸发压力后再送入蒸发器中,然后在蒸发器中完成蒸发换热过程制取冷量后作为引射流体再次流入到喷射器中,从而完成整个系统的循环过程。并且液态的工质将来自蓄热水箱的热水冷却降温供给PV/T集热器用来冷却太阳能光伏电池。一方面,由于蓄热水箱中储有PV/T集热器收集的太阳能,使其温度高于环境温度,这样使得蒸发器吸热更容易,从而可以得到更高的蒸发温度,提高了热泵的效率。另一方面,从热泵蒸发器中出来的冷冻水被泵送入PV/T集热中去冷却太阳能电池组件,降低了太阳能电池的温度,提高了它的发电效率。而且有热泵冷凝器可以把水温提升到比PV/T集热器更高的温度,能满足人们对高水温的需求。

综上带喷射器的CO2间膨式光伏热泵具有以下三个优势:一是与传统空气源热泵相比热泵的低温热源来自太阳能电池板的自身发热回收了这部分废热,从而提高了太阳能的综合利用效率,另外这部分热量品位较一般空气源高,使得热泵蒸发温度高于空气源热泵因此可提高热泵性能系数;二是从热泵蒸发器中出来的冷冻水被泵送入PV/T集热中去冷却太阳能电池组件,降低了太阳能电池的温度,提高了它的发电效率。三是能提高压缩机的吸入压力,这样能降低压比,从而提高系统的COP。由以上可知带喷射器的CO2光伏热泵系统符合国家提倡的节能减排方针政策。

5. 结论

1) 光伏热泵系统的应用为能源的综合利用提供了新的方向,目前国内对间膨式光伏热泵研究较少,技术还不太成熟,应加大光伏热泵方面的优化研究,拓宽光伏光热综合利用技术与热泵技术的应用方向,提升光电转换效率以及热泵的综合性能。

2) 受经纬度影响,各地域的太阳辐照度不同所以对制冷剂的选取各有不同,由于CO2具有高排气温度和较宽的温度滑移特性且为环境友好型制冷剂,所以日后在制冷剂方面应从环境角度考虑,加大CO2制冷剂的研究。

3) 间膨式光伏热泵投资性较高,是限制其发展的主要原因之一,利用喷射器代替节流阀可以提高压缩机的吸气压力,减少压比提升热泵的性能从而可以有效地节约成本。在未来应该综合考虑光伏热泵的综合效率与经济性能,并不断提高运行的可靠性,为未来发展和用户选择提供新方向。

NOTES

*通讯作者。

文章引用: 牛擎宇 , 宋子晔 , 关 欣 (2021) 太阳能光伏热泵研究进展。 建模与仿真, 10, 187-199. doi: 10.12677/MOS.2021.101020

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