蓄热型太阳能光伏光热组件与热泵一体化系统模拟研究

2020-09-15

流体机械 2020年8期

（上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093）

0 引言

对太阳能的光热高效利用是缓解目前建筑能耗高、污染严重等问题的有效途径之一。目前太阳能的应用方向主要分为光伏和光热两个部分。传统的光伏组件仍有很大一部分太阳能未被利用，其中一部分被反射，另一部分加热了组件使其温度升高，这些能量的流逝造成了太阳能利用效率的下降并降低了系统稳定性［1］。针对此问题，Russell于1977年提出了光伏/光热（PV/T）的概念［2］，即将光伏组件和集热器结合起来，集热器带走光伏板热量并加以利用，同时还能对太阳能电池进行降温以提高其电效率，此系统可以大大提升太阳能的综合利用效率。自PV/T系统提出以来，国内外许多学者对此进行了大量研究，包括PV/T系统传热性能的分析以及PV/T热水系统等［3-6］。近年来一些学者对PV/T组件结合热泵的系统进行了研究。荆树春等［7］建立了联合热泵的光伏光热一体化系统和水冷式光伏光热一体化系统的数学模型，研究表明联合热泵的光伏光热系统的电池温度远远低于水冷式光伏光热系统，并且提高了电效率和热效率。周伟等［8］将PV/T热泵与空气源热泵结合成双源热泵，通过试验研究发现，相较于单太阳能和单空气能，双热源并联模式所需的加热时间更短。陈剑波等［9-10］搭建了结合光伏光热组件和空气源热泵的双源热泵系统，并进行了一系列研究，得出双源热泵机组比单一空气源热泵机组更加高效与节能。

然而，目前对于蓄热型太阳能光伏光热组件与热泵一体化系统的整体能效进行深入研究较少。本文以效率作为整体效能指标，并对蓄热型太阳能光伏光热组件与热泵一体化系统进行模拟优化。其中，蓄热水箱对蓄热型太阳能光伏光热组件与热泵一体化系统整体能效有较大影响，其原因在于蓄热水箱的容量能够影响光伏光热组件的降温效果，进而影响光伏的发电效率。同时蓄热水箱作为热泵机组的低位热源，其容量也会影响热泵的制热效率。此外，蓄热水箱与光伏光热组件的集热循环水路主要依靠集热循环水泵来连接。理论来说，集热循环水泵流量越大集热效果会越明显，热泵制热效率会越好。但考虑到水泵的流量越大其耗电量也会越多，所以系统的综合效率不一定会有提升。

因此，本文重点从蓄热水箱容量和集热循环水泵流量两方面对蓄热型太阳能光伏光热组件与热泵一体化系统进行模拟研究。

1 系统工作原理

图1示出了蓄热型太阳能光伏光热组件与热泵一体化系统原理，该系统主要由光伏光热组件和热泵机组两部分组成。其中，系统光伏光热组件总面积为9.18 m2。光伏光热组件可以将太阳辐射中0.6～0.7 μm波段部分通过光电转换以实现电能输出，其余波段则通过光热转换变成热泵的低位热源存储于集热水箱内，用来制取生活热水；除此之外，当阴雨天气集热水箱温度降低时热泵机组也可从室外空气内吸收热量来制取热水。其中热泵机组的主要部件参数见表1。详细试验台介绍可参见文献［11-14］。

图1 蓄热型太阳能光伏光热组件与热泵一体化系统原理

表1 热泵机组主要部件材料清单

PV/T组件中需要测量的温度主要是集热循环水管道进出口水温和蓄热水箱内水温，温度传感器选用Pt100铂电阻，该铂电阻的量程为-150～150 ℃，精度等级为A级；热泵部分温度采集主要包括蓄热水箱和供热水箱的温度采集，该温度采集使用T型热电偶，试验选用的T型热电偶量程为-200～+350 ℃。电磁流量计用来测量PV/T组件中集热循环水的流速，其详细参数见表2。电参数的测量是由PV/T组件与交直流防雷配电柜连接，再与逆变器相连，利用逆变器可以输出相关的发电参数，如实时发电量、累计发电量、发电输出功率、交直流电压和交直流电流等参数。

表2 电磁流量计参数

2 系统效率分析

目前PV/T与热泵一体化系统的效率主要通过电效率、热效率以及热泵的制热效率来评价，缺乏统一的衡量标准。同时，为了区分电能与热能品位的不同，本文考虑使用的概念，通过计算系统整体的效率来评价系统的综合性能，从而实现对系统的优化。

图2 PV/T-SAHP组件模型

本文采用Jeter［15］提出的太阳能辐射效率的计算公式，得出太阳辐射公式为：

式中 Esolar——太阳能辐射，W；

Qsolar——PV/T组件接收到的太阳辐射能，W；

T0，TS—— 环境温度、太阳辐射温度，K，取TS=6 000 K；

I ——PV/T组件表面太阳辐射强度，W/m2；

A ——PV/T 组件表面面积，m2。

光伏组件的电功率WP可利用光伏发电输出的电压U和电流I得到，PV/T组件电效率为：

水源侧热泵的制热效率（COP）计算式为：

式中 W ——压缩机功率，W；

QH——热泵的制热量，W。

式中 mL——冷凝水循环流量，kg/s；

c ——比热容，J/（kg·℃）；

Tout，Tin——冷凝水循环进、出口水温，℃。

3 模拟优化及结果分析

3.1 系统仿真模型构建

本文采用TRNSYS软件进行模拟。模型中气象参数模块可以读取上海地区典型年气象参数，主要选用Type50作为光伏光热组件模块，Type225作为水-水源热泵模块。根据蓄热型太阳能光伏光热与双源热泵一体化系统的设计方案，建立系统的仿真模型如图3所示。

图3 蓄热型太阳能光伏光热组件与热泵一体化系统模型

3.2 系统仿真模型验证

试验装置位于上海某大学经济与管理中心楼屋顶，选取2014年5月15日的试验数据。并在该天对蓄热型太阳能光伏光热组件与热泵一体化系统进行模拟，将模拟结果与实测结果进行比较，如图4，5所示。由图中可以看出，蓄热水箱、供热水箱和发电量的模拟数据与试验数据之间平均误差分别为6.01%，4.50%，5.76%。因此，可以认为模拟结果具有比较高准确性，该仿真模型有一定的可靠度。

图4 两水箱温度的试验与模拟结果对比

图5 发电量的试验与模拟结果对比

3.3 蓄热水箱容量的优化研究

根据相关研究，太阳能集热器每1 m2的集热面积对应所需的蓄热水箱容量约为40～100 L，本试验系统搭建时蓄热水箱的容量是根据：每m2太阳能集热器面积需要75 L的蓄热水箱容积来确定的［16］。系统光伏光热组件组件总面积为9.18 m2，对应的蓄热水箱容积为688 L，考虑到光伏光热组件表面有一层单晶硅，其加热热水主要依靠传热，因此光伏光热组件的集热效率要低于太阳能平板集热器，一般平板集热器的集热效率在40%～80%范围内。

综合考虑上述条件后本文选取300，500，700 L 3种不同容量的蓄热水箱，并通过系统仿真模拟来研究3种具有不同规格水箱的系统的运行状况，分析各容量下系统的性能指标，以得出最佳的蓄热水箱容量。此部分选取了典型夏季工况进行模拟研究。本文选取蓄热水箱容量为300 L时的模拟结果做具体分析。

3.3.1 蓄热水箱容量为300 L时的模拟结果

图6示出蓄热水箱容量为300 L时2水箱温度变化的模拟结果。从图中可以看出，系统开启后，供热水箱的温度上升，蓄热水箱的温度下降。这是由于蓄热水箱从光伏光热组件处获得的集热量低于热泵从蓄热水箱处吸取的热量导致的。在达到最低值20.87 ℃之后蓄热水箱温度开始上升，这是因为随着供热水箱的温度接近设定值，热泵从蓄热水箱中的取热量在减少，同时随着太阳辐射强度的增大蓄热水箱从光伏光热组件处获取的集热量也在增多。最后蓄热水箱温度基本保持在48 ℃左右。

图6 蓄热水箱容量300 L时2个水箱温度变化

蓄热水箱容量设定为300 L时，系统的发电效率逐时变化如图7所示。从图中可以观察到系统开启后光伏组件的发电效率有明显的提升，这是由于蓄热水箱温度持续降低为光伏组件起到了降温的作用，从而提高了其发电效率。随着光照强度增大，集热循环水和光伏光热组件的温度上升，发电效率开始下降，之后受环境温度降低的影响发电效率有短暂上升。全天系统电效率的平均值为12.34%。

图7 蓄热水箱容量300 L时系统电效率变化

图8 蓄热水箱容量300 L时系统效率变化

从图可以看出，由于9：00系统中热泵机组、集热循环水泵、热水泵均开启导致系统的效率迅速降低。之后随着热泵制热运行的开始，系统的效率开始上升。最后由于供热水箱温度接近设定值后热泵机组制热量逐渐减少直至热泵机组停机，系统的效率也迅速降低至13.39%。

3.3.2 蓄热水箱不同容量情况下系统的综合分析图9，10分别示出了不同容量时蓄热水箱的平均温度变化和系统电效率变化情况。结合两图可以看出，当水箱温度越低时系统的电效率反而会越高，这是因为水箱温度越低时集热循环水的温度也越低，对光伏板的降温效果会越好，从而系统电效率越高。

图9 不同容量时蓄热水箱温度变化

图10 不同容量时系统电效率变化

系统刚开启阶段，由于热泵从水箱的取热量大于集热循环的集热量，所以水箱温度持续降低，且水箱容量越小温度降低越快，所以此阶段300 L水箱的温度最低，对应的发电效率最高。热泵开启时间段内300，500，700 L水箱对应的系统平均电效率分别为12.94%，12.89%，12.88%。

热泵机组停机后，蓄热水箱不再供热，只接受光热组件对水箱的蓄热。此时水箱容量越大温度升高越慢，所以该阶段内700 L水箱的温度最低，其发电效率最高。整个模拟过程中的300，500，700 L水箱对应的系统平均电效率分别为12.34%，12.48%，12.56%，可见700 L时系统全天平均电效率略高于其他两种情况。

图11示出热泵运行期间系统各运行效率的汇总图，从图中可以看出，受蓄热水箱温度的影响700 L时热泵COP最高，300 L时系统的电效率最高，但通过效率计算可以发现500 L时系统的整体效率是最高的。

图11 不同容量时热泵运行期间系统各效率汇总

综合来看，3种蓄热水箱容量下系统全天的平均电效率随容量增大而增大，但还需考虑热泵机组的制热效率，发现当水箱容量为500 L时热泵加热所需的时间最短且该容量下热泵制热期间系统的效率最高，因此判断3种不同容量的情况下，当蓄热水箱容量为500 L时，系统整体的运行性能最优。

3.4 集热循环水泵流量的优化研究

本文选取 0.9，1.1，1.3，1.5 m3/h 4 种不同的集热循环水泵流量进行了模拟，通过分析各性能指标得出最佳流量。本处选取的室外工况与3.1中相同，均为典型夏季工况。本文选取集热循环水泵流量为0.9 m3/h时的模拟结果做具体分析。

3.4.1 集热循环水泵流量为0.9 m3/h时的模拟结果

图12示出了集热循环水泵流量为0.9 m3/h时系统2水箱温度的变化情况。热泵机组开启后供热水箱水温在10：24达到50 ℃，热泵的加热时间为84 min，供热水箱温升速率达到为0.24 ℃/min。蓄热水箱温度受热泵持续取热的影响一直在降低。之后热泵取热量减少直至为0，同时随着辐射增强蓄热量增大，蓄热水箱温度持续上升，最终保持41 ℃左右。

图12 流量0.9 m3/h时2水箱温度变化

集热循环水泵流量为0.9 m3/h时系统电效率变化情况如图13所示。随着热泵和集热循环水泵的开启，蓄热水箱的温度持续降低对光伏组件的降温效果明显，因此可以看到系统的电效率有显著提升，之后由于环境温度和集热循环水泵温度上升，电效率缓慢下降。系统全天的平均电效率为12.48%。

图13 流量0.9 m3/h时系统电效率变化

图14示出集热循环水泵流量为0.9 m3/h时系统效率变化的模拟结果。从图中可以看出，系统各机组开启的瞬间系统效率会短暂降低，之后随着热泵制热量的上升，系统效率开始随之上升。热泵制热量降低直至热泵关机阶段，系统效率迅速降低，在10：24热泵关机时降至13.36%，整个制热过程中系统平均效率为14.19%，之后受发电效率缓慢下降的影响，系统效率也缓慢降低。18：00后由于发电量逐渐小于水泵耗电量，系统效率迅速降低。

图14 流量0.9 m3/h时系统效率变化

3.4.2 集热循环水泵不同流量时系统的综合分析

通过对4种流量下系统运行的模拟结果分析发现：系统供热水箱和蓄热水箱温度在不同流量时的差别很小，蓄热水箱温度的变化趋势相同，最终温度均稳定在41 ℃左右，全天各流量下蓄热水箱的温差不大于0.2 ℃，可见改变集热循环水泵的流量并不能明显提高系统的蓄热量，蓄热水箱作为热泵的低位热源也就间接导致热泵的制热效果并未得到明显提升，4种流量时供热水箱均是经过84 min加热到设定的50 ℃。

图15示出4种不同流量情况下系统的电效率变化，图中可以看出4种情况下系统的电效率变化趋势一致，各时刻的电效率差异也不大，主要原因是改变集热循环水泵流量并不能明显影响光伏光热组件的蓄热量，因此对光伏板的降温效果差异不大。0.9，1.1，1.3，1.5 m3/h 4种不同流量下系统的全天平均电效率分别为12.48%，12.48%，12.49%，12.49%，可见提高集热循环水泵的流量对系统电效率的提升影响有限。

图15 不同流量时系统电效率变化

为得出系统最佳流量，必须综合系统的电效率、热泵制热效率和系统耗电量等其他运行参数的影响。图16为4种情况下系统在开启热泵期间的各运行效率汇总，由于作为低位热源的蓄热水箱的温度差别很小，所以4种情况下热泵的COP均为5.78。系统电效率随流量增大略有提升，但总体差别也并不明显。系统效率在流量为0.9与1.1 m3/h时相差不大分别为14.19%和14.20%，受流量增大水泵耗电量也随之增大的影响，1.3与1.5 m3/h时系统的效率略有降低，分别为14.12%和14.09%。

图16 不同流量时热泵运行期间系统各效率汇总

综合上述分析：增加集热循环水泵流量并不能明显提升系统电效率和COP，4种流量下系统的全天平均电效率最大相差仅为0.01%，基本可以忽略其差异，热泵COP与制热时间也均相同；电效率和COP基本一致，但耗电量随流量增大而增大，因此综合计算系统效率后得出流量为1.1 m3/h时效率最高，从而可以确定集热循环水泵流量为1.1 m3/h时，系统整体的运行性能最优。