CHAMPAMANY Souksakhone , 李明， 王良， 韩友华

(1.云南师范大学 太阳能研究所，云南 昆明 650500；2.云南师范大学 物理与电子信息学院，云南 昆明 650500)

1 引 言

随着人类社会的不断进步，人类对能源的需求日益增大，大量使用传统化石能源如煤炭、石油、天然气等，不仅带来了全球性的能源危机，且造成了日趋严重的环境问题[1].加快开发可持续及清洁能源进程和提高现有传统能源的利用效率是解决能源和环境问题的重要途径.据统计，发达国家中建筑能耗占到社会总能耗的25%～40%[2].太阳能作为一种取之不尽用之不竭的可再生能源，是目前新能源利用的主要对象之一[3-4].近年来由于光伏组件价格逐渐降低，因而太阳能光伏空调技术也逐渐增多[5-9].杨双等[10]对太阳能光伏直流空调系统的性能进行了分析，该空调系统在实验运行期间的节电量最高达到77.8%，同时系统综合能效比可达12.13.徐永锋等[11-12]搭建了一套光伏直接驱动的空调系统，该系统通过采用静态制冰的方法，替代传统光伏直驱空调系统中用来维持系统运行稳定性的蓄电池，有效降低光伏直驱空调系统的成本；并建立了系统光电能量特性理论模型，分析了光伏能源系统与制冰蓄冷系统中能量传递特性与火用效率.

光伏空调技术的不断完善与成熟，将有效应用于气候炎热地区，提高人民生活质量.探索分析光伏直驱空调系统光伏组件功率与制冷的匹配性，获得光伏制冷系统优化性能，以此分析不同气候条件下光伏空调使用特性及适用性具有重要意义.本文利用不同面积光伏阵列驱动冰蓄冷空调系统，分析其实际工况下的实验性能，并与老挝气象数据进行模拟对比，探究系统运行时最佳光伏功率驱动系统特性.在此基地上，分析在老挝不同地区气候条件下光伏制冷系统运行的可行性，为光伏直驱冰蓄冷空调系统在老挝及东南亚国家的推广利用提供相关联的理论基础.

2 系统组成及工作原理

2.1 系统组成

光伏蓄冷空调系统实验设备主要包括三部分，分别为光伏驱动部分、制冷蓄冷部分和房间用冷部分.光伏驱动部分包括光伏阵列、光伏逆控一体机；制冷蓄冷部分包括由涡旋变频压缩机、浸泡式蒸发器、冷凝器、冷凝风扇、毛细管组成的热泵机组和蓄冰桶组成；房间用冷部分包括变频循环水泵、室内风冷机组和供冷空调房间.设备参数如表1所示.

表1 系统设备参数表

光伏空调测试系统包括使用TYD-ZS2气象生态环境监测站对气象数据进行监测，可对环境温度、太阳能瞬时辐射及累计总辐射值进行实时监测与记录；使用Fluke2638A数据采集器对光伏空调系统各温度点数据进行采集记录；使用Solar300N太阳能光电分析仪对光伏直流电压、电流、功率以及逆变后的交流电压、电流、功率、逆变效率、功率因数等数据进行采集并自动记录.各测试设备参数如表2所示.

表2 测试设备参数

2.2系统工作原理

光伏空调系统由单晶硅光伏阵列1-3将接收到的太阳能转化为直流电输出至光伏逆变控制一体机5，光伏逆控一体机通过调控后端压缩机6和逆控机本身的阻抗实现对单晶硅光伏阵列的最大功率点跟踪，使光伏阵列在变工况下可保持最大功率点输出，经过光伏逆控一体机的直流电被转化为380 V交流电直接驱动热泵机组压缩机工作.

系统工作时，低压气态的制冷剂进入压缩机，经压缩机压缩成高温高压的气体，制冷剂的沸点随压力的升高而升高；高沸点的冷媒进入风冷式冷凝器8液化，散热风扇7带动空气将冷媒放出的热量带走，制冷工质液化变成液体，液态的制冷剂进入毛细管9节流降压后到达浸泡在蓄冰桶10内的并联式蒸发器11蒸发，制冷剂蒸发吸热带走蓄冰桶内水的热量，从而使蓄冰桶的水不断降温.升温后的制冷剂重新回到压缩机，并开始进行下一轮的制冷循环.蓄冰桶内的水在蒸发器的制冷作用下不断降温，并在蒸发器表面不断结冰.随着机组持续运行，蒸发器表面冰块厚度逐渐增大，这一过程实质为冷量转化与存储的过程.在用冷阶段，打开系统供冷循环水泵12及室内换冷风机盘管，蓄冰桶内的低温水从蓄冰桶底部被循环水泵抽出，低温水到达室内换冷风机盘管13后将冷量通过冷风的形式传递给室内，以达到室内降温的目的.换冷后的水重新循环至蓄冰桶，不断将蓄冰桶内冷水及冰的冷量传递交换至室内，达到室内持续供冷的目的.系统原理图如图1所示.

1-12串光伏组件；2-14串光伏组件；3-16串光伏组件阵列；4-光伏电源空气开关；5-逆控一体机；6-压缩机；7-冷凝风扇；8-冷凝器；9-毛细管；10-蓄冰桶；11-并联浸泡式蒸发器；12-变频供冷循环水泵；13-室内风冷机组

图1 系统原理图

2.3 系统性能衡量

系统效率用系统制冷量Qc与系统接收的太阳辐照量Qs的比值COP来表示，系统制冷量Qc为蓄冰桶内结冰后剩余水降温的显热蓄能Q1、水变成冰部分的相变潜热蓄能Q2、结冰水的降温显热储能Q3以及过冷冰的蓄能Q4之和来表示，太阳辐照量Qs为光伏板面积A与辐照量I乘积对时间t的积分，驱动功率系数ηP为光伏组件额定功率与压缩机额定功率之比.各计算公式如下：

(1)

Qc=Q1+Q2+Q3+Q4

(2)

Q1=c1m1ΔT1

(3)

Q2=km2

(4)

Q3=c1m2ΔT2

(5)

Q4=c2m2ΔT3

(6)

(7)

(8)

式中，c1—水的比热容，kJ·kg-1·℃-1；m1—结冰后蓄冰桶内水的质量，kg；ΔT1—结冰后蓄冰桶内剩余水的温度与降温前的温差，℃；k—水结成冰的相变潜热，kJ·kg-1；m2—冰的质量，kg；ΔT2—降温前的水降到0 ℃的温差，℃；c2—冰的比热容，kJ·kg-1·℃-1；ΔT3—过冷冰温度与0 ℃的温差，℃；I—太阳辐照度，W·m-2；A—光伏板面积，m2；t—辐照记录时间间隔，s；ηP—压缩机驱动功率系数；PPV—光伏组件额定功率，W；PC—压缩机额定功率，W.

3 实验数据分析

光伏直驱制冷实验主要研究该系统在不同光伏面积即不同光伏组件功率驱动下的运行特性，即在不同光伏阵列数量(以下简称串数)下光伏组件功率与系统的匹配性.以此实验数据为基础，对老挝不同地区气象数据作模拟，获得光伏制冷系统在老挝不同地区的运行适用特性.

3.1 16串光伏组件驱动下光伏制冷系统运行特性分析

16串驱动光伏制冷实验于2017年11月1日进行，该模式采用16块单晶硅光伏电池板作为动力源驱动制冷系统交流变频压缩机，光伏板总面积为20.4 m2.16串光伏组件最大功率点额定输出功率为3 040 W，驱动功率系数为1.17.

实验于上午8∶54开始，该时刻外界环境温度为12.4 ℃，桶内平均水温为10 ℃，开机时太阳瞬时辐照度为 501 W/m2，制冷系统压缩机启动后瞬时功率为1 160 W，可保证系统压缩机的稳定启动.制冷系统压缩机启动后，蓄冰桶内温度逐渐下降至0 ℃后蒸发器表面开始结冰，至17∶22系统关机，桶内冰块温度降为-4 ℃，环境温度及桶内温度变化曲线如图2所示.

图2 蓄冰桶内温度及环境温度变化曲线图

Fig.2 Variation of temperature of the ice bucket and ambient temperature

系统开机后，压缩机功率由378.6 W开始随太阳瞬时辐射度的升高而升高，当太阳辐照度达到1 019 W/m2时，系统压缩机功率达到最大值1 850.83 W，且可较长时间保持在1 800 W左右运行.13∶00后，由于天气由晴天转为多云天，太阳瞬时辐照度发生大范围、无规律性波动，由于系统压缩机直接由光伏电池板供电，系统压缩机功率也随之波动.当辐照度低至158 W/m2，压缩机功率下降至251 W，但仍可以保持系统的稳定运行.压缩机功率及辐照度变化如图3所示.

图3 压缩机功率与太阳瞬时辐照度对比变化图

Fig.3 Comparison between compressor power and solar irradiance

制冷系统全天工作8.5 h，平均工作环境温度为17 ℃，所接收到太阳辐射能共422.9 MJ.光伏逆变效率为93%，制冰量为208.6 kg，总制冷量为103.626 MJ，该系统整体太阳能制冷系数COP为0.24.

3.2 14串光伏组件驱动下光伏制冷系统运行特性分析

14串驱动光伏制冷实验于2017年11月29日进行，14块单晶硅光伏电池板总面积为17.9 m2，14串光伏组件最大功率点额定输出功率为2 660 W，驱动功率系数为1.02.实验于上午8:57开始，时刻环境温度为6 ℃，桶内平均水温为6 ℃，开机时太阳瞬时辐照度为498 W/m2，压缩机功率为1 104 W.随着压缩机的持续工作，蓄冰桶内温度逐渐下降开始结冰，至17∶30系统关机，桶内温度降为-8 ℃，环境温度及桶内温度变化曲线如图4所示.

图4 蓄冰桶内温度及环境温度变化曲线图

Fig.4 Variation of temperature of the ice bucket and ambient temperature

系统开机后，压缩机功率受太阳辐照度影响开始上升至1 800 W后，基本保持平稳运行，其间约1 h，天气转为多云，压缩机功率有较大范围波动，当辐照度低至143 W/m2，压缩机功率下降至300 W，仍可以保持系统的稳定运行.压缩机功率与辐照度变化如图5所示.

图5 压缩机功率与太阳瞬时辐照度对比变化图

Fig.5 Comparison between compressor power and solar irradiance

制冷系统全天工作共8.5 h，平均工作环境温度为15 ℃，全天接收到太阳辐射能共380.919 MJ，逆变效率为93%，制冰量为133.398 kg，总制冷量为64.424 MJ，系统整体COP为0.16.

3.3 12串光伏组件驱动下光伏制冷系统运行特性分析

12串驱动光伏制冷实验于2017年11月28日进行，该模式下光伏板总面积为15.4 m2.12串光伏组件最大功率点额定输出功率为2 280 W，驱动功率系数为0.88.实验于上午8:56开始，时刻环境温度为11 ℃，桶内温度由10 ℃开始下降，至17：36系统关机，桶内冰层温度降为-9 ℃，环境温度及桶内温度变化曲线如图6所示.

图6 蓄冰桶内温度及环境温度变化曲线图

Fig.6 Variation of temperature of the ice bucket and ambient temperature

由图7可知，系统工作全过程为晴天，无辐照及功率大范围波动情况.压缩机功率随辐照增加至1 800 W后即保持稳定运行，其间两次辐照度骤降，导致压缩机功率发生波动，当辐照度骤降至157 W/m2时，压缩机功率降至300 W，未出现停机现象.

图7 压缩机功率与太阳瞬时辐照度数据图

Fig.7 Comparison between compressor power and solar irradiance

制冷系统全天工作共8.5 h，平均工作环境温度为17 ℃，接收到太阳辐射能共 356.74 MJ，逆控机逆变效率为93%，制冰量为152.226 kg，总制冷量为80.61 MJ，系统整体COP为0.22.

从上面三组实验可以看出，压缩机功率配比系数为1.12时，压缩机功率于辐照度700 W/m2时即可达到1 800 W，且该模式下压缩机稳定性较好，在辐照度大范围波动时可维持较高的运行功率.但该模式下随辐照度的不断升高，系统不能充分有效利用多出的太阳辐射能，从而造成能量的溢出浪费；系数为1.02时，压缩机功率在辐照度720 W/m2时达到1 800 W，可保持约6.5 h的稳定运行；功率系数为0.88时压缩机功率在辐照度900 W/m2时方可达到1 800 W，但这一过程全天仅可保持约4 h，压缩机由于长时间处于欠功率运行，在该模式下长期工作将有损于压缩机使用寿命.由此可见，合理选择适当的功率配比对于太阳能光伏空调有效利用意义重大.

3.4 系统在老挝不同地区气象数据适用性模拟

本文选择老挝万象、琅勃拉邦、沙湾拿吉、巴色等四个不同地区气象数据进行系统适用性模拟，四个地区年平均空调需求量为2 000-3 000 h，有较大的空调使用需求，且各地区日平均辐照量分别为16.89、15.16、17.06、17.24 MJ/m2，可以很好地满足该系统对太阳辐照的要求.本文将通过各地区辐照数据及环境温度数据对系统适用性进行模拟，取昆明地区实验结果稳定性最好的16串光伏组件驱动模式，即压缩机驱动功率系数为1.12，这样可以保证系统稳定地在各地区稳定运行.老挝各地区年平均太阳辐照及环境温度数据见表3.

表3老挝各地区年平均气象数据

Table 3 Annual average meteorological data for four regions in Laos

项目万象琅勃拉邦沙湾拿吉巴色环境温度/℃27.3225.2627.0828.18辐照度/(W·m-2)16.8915.1617.0617.24

按照老挝年平均气象数据对光伏制冷系统在各地区的适用性进行探究，以各地区气象数据为依据，参考昆明地区驱动功率系数为1.12时的光伏制冰系统运行性能，对该系统在各地区的制冰量进行预测，结果如表4所示.

表4 老挝各地区系统预测制冷量

由表4老挝各地区系统预测制冷量数据，可为太阳能光伏制冷系统在老挝各地区的使用提供理论研究依据.用户可根据系统制冷量的变化来匹配不同供冷需求的房间面积，以达到理想的供冷效果，同时保持较高的系统运行稳定性，以达到系统整体的最优性能.

4 结 论

光伏制冷空调系统经实验证明具有较稳定的运行特性，由实验分析可得以下结论:

(1)该系统在不同串数的光伏电池板驱动下，达到系统启动要求后，均可稳定运行.由于该系统为光伏直接驱动压缩机运行，系统稳定性受辐照度影响较大，在多云工况辐照度不低于150 W/m2时未出现停机现象.16、14、12串光伏板驱动下该系统COP分别为0.24、0.16、0.22；

(2)由实验结果可得，太阳能光伏制冷系统可根据不同气象条件选择不同串数(不同功率组合)的光伏板进行驱动，在多云工况下可选择驱动功率系数为1.12的运行模式，以保证系统更高的稳定性；在晴天工况下可选择驱动系数为1.02的模式，既可保证系统的稳定运行，延长压缩机的使用寿命，同时也能减少辐照度过高时造成的能量浪费；系数为0.88的模式仅可用在辐照度极高的地区，以提高压缩机使用寿命；

(3)由气象数据可得，老挝大部分地区年需冷量较大，对老挝四个典型城市气象数据进行系统适用性模拟发现，采用功率系数为1.12的光伏系统可在老挝实现系统的稳定运行，同时基本可满足各地区用冷需求，用户可根据预测系统制冷量来匹配用冷房间面积，以达到最优的能量利用效果；

(4)由于该系统压缩机由光伏电池板直接驱动，同时使用冰蓄冷代替蓄电池储能，降低了系统成本的同时，也导致系统稳定性降低，在后期的工作中应着力于提高系统运行稳定性，保证系统在变工况下的稳定运行，从而提高系统的整体能量转换效率.