太阳能光伏用于驱动变频空调器的实验研究

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3.0 高德中 2024-11-19 7 4 3.78MB 71 页 15积分

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摘要

随着太阳能利用技术的发展以及相关产业的发展，太阳能产品出现在日常生

活中的方方面面，太阳能热水器，太阳能空调等。太阳能光伏空调器系统由于其

光伏系统的产电量在季节上与空调的能耗具有很好的匹配性而备受关注，成为近

年来研究的热点。太阳能光伏空调器在国外已有一定的产品，而国内类似产品则

相对落后，技术还不成熟，所以有必要对太阳能光伏空调系统进行更多的理论及

实验研究，开发适合中国地区的太阳能空调器产品，同时为未来太阳能光伏制冷

的广泛应用提供一定的理论及数据支持。

本项目是与苏州松下有限公司的合作项目，目的是研发一台由太阳能光伏驱

动的空调样机，并对样机进行实验研究，得到系统各部件的能量分配情况，并计

算其在上海地区的节能潜力。

首先对太阳能光伏空调器的国内外现状进行了综述，在此基础上根据太阳能

光伏系统的特点及其负载——直流变频 1匹分体式房间空调器的特性确定了两种

利用太阳能光伏系统来驱动空调的方案：太阳能光伏独立系统驱动空调器的室内

外风机马达，太阳能光伏并网系统驱动整台房间空调器。进行了实验台及测试装

置的搭建，并编写了电参数测量仪器的数据采集软件，对系统的实验数据进行实

时连续的采集。由于实验条件及时间原因仅对太阳能光伏并网空调系统进行了实

验，选取了晴天、多云、阴天三个典型工况对太阳能光伏空调系统的实际性能进

行测试，主要评价参数有太阳能电池板的输出电压、电流、功率，逆变器的效率，

系统各部件的耗能及空调的功耗曲线。对各个工况下的实验数据进行了分析，得

到了每个工况下电池板的光电转换效率、逆变器的效率及系统的能量，结果显示

逆变器的效率对整个系统的影响最大。同时也对系统各个部件性能的影响因素做

了分析，最后计算了上海地区冬季工况下该系统的能耗情况及运行费用，结果显

示该太阳能光伏空调的节能比例为 64.4%。

关键词：太阳能光伏空调器能量分配变频环保节能

ABSTRACT

With the development of solar energy utilization technology and its relative

industries, the solar products appear in many aspects of our daily life like solar heater,

solar air-conditioning and so on. For solar photovoltaic (PV) air-conditioning system,

the electricity production amount matches the energy consumption of A/C system very

well, so it becomes the research focus in recent years. Compared with the mature solar

PV air-conditioning products abroad, the similar products and technology fall behind in

domestic, so it’s necessary to carry out corresponding theoretical and experimental

research in China.

This project is a cooperate one between our school and Suzhou Panasonic

electronic Co., LTD. The primary purpose of this project is to develop an air

conditioning powered by solar PV panel and carry out experimental research on it in

order to obtain the energy distribution among the components, finally get its energy

saving proportion in Shanghai.

First we described the state of art of the solar energy air conditioning home and

abroad. Based on that and according to the characteristics of solar PV system and the

feature of its load, DC inverter air-conditioning, and two schemes are finally made: the

stand-alone solar PV system drives the motor of the fans in the A/C system and the

PV-grid system drives the whole A/C system. We built the whole experimental system

and its testing system and programmed software for data acquiring. Due to the

limitation of experimental condition and time reason we only did experiments to the

solar PV-grid A/C system. The performance of the solar system under three typical

conditions, sunny, cloudy, overcast, are tested. The main evaluation parameters include

the output voltage/current/power of the solar PV panel, the efficiency of the PV-grid

inverter, and the energy consumption of the component in the system in which the

energy consumption curve of the A/C is the focus. The experimental data was analyzed

under every condition and the photoelectric conversion efficiency of the PV panel, the

efficiency of the inverter and energy distribution was obtained. The results show that the

efficiency of the inverter plays a very important role in the whole system. The

performance factors of every component were also analyzed. At last we calculated the

entire energy consumption and operation fee of this system in winter in Shanghai, the

results show the energy saving proportion of this solar PV A/C system is 64.4%.

Key Words: Solar Energy; PV air-conditioner; Energy distribution;

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ........................................................ 1

§1.1 研究背景及意义 ............................................... 1

§1.2 太阳能利用技术概述 ........................................... 2

§1.3 太阳能光伏制冷技术 ........................................... 3

§1.3.1 太阳能电池研究现状及发展 ................................. 3

§1.3.2 太阳能光伏在压缩式制冷系统上的应用及其研究现状 ........... 5

§1.4 太阳能光伏系统的应用类型 .................................... 10

§1.5 本课题的主要任务 ............................................ 10

第二章太阳能光伏系统用于驱动直流变频空调方案的确定与设计 .......... 13

§2.1 太阳能光伏用于驱动直流变频空调方案的讨论与确定 .............. 13

§2.2 光伏独立系统驱动室内外及光伏并网系统驱动空调器介绍 .......... 15

§2.2.1 光伏独立系统驱动室内外风机 .............................. 15

§2.2.2 光伏并网系统驱动空调器 .................................. 16

§2.3 太阳能光伏系统的匹配设计计算 ............................... 17

§2.3.1 光伏独立系统的设计 ...................................... 18

§2.3.2 光伏并网系统的设计 ...................................... 21

§2.4 本章小结 .................................................... 23

第三章实验台的搭建及测试系统 ...................................... 24

§3.1 实验台的搭建 ................................................ 24

§3.2 测试系统简介 ............................................... 26

§3.2.1 太阳能发电测试系统 ...................................... 26

§3.2.2 热电偶温度传感器 ........................................ 29

§3.2.3 多通道功率测量分析仪 .................................... 29

§3.2.4 温度采集器 .............................................. 32

§3.3 分析仪数据采集程序的编写 ................................... 32

§3.3.1 控制原理 ................................................ 32

§3.3.2 程序设计关键技术 ........................................ 33

§3.3.3 上位机程序的控制功能 .................................... 34

§3.3.4 界面设计 ................................................ 34

§3.3.5 报表生成 ................................................ 35

§3.4 本章小结 .................................................... 35

第四章实验调试及数据分析 .......................................... 36

§4.1 晴天工况下的实验分析 ........................................ 36

§4.1.1 光伏并网系统晴天工况基本分析 ............................ 37

§4.1.2 并网系统晴天工况各部件能量分配分析 ...................... 41

§4.2 多云工况下的实验分析 ........................................ 44

§4.2.1 光伏并网系统多云工况基本分析 ............................ 44

§4.2.2 并网系统多云工况各部件能量分配分析 ...................... 47

§4.3 阴雨天工况下的实验分析 ...................................... 49

§4.3.1 并网系统阴雨天工况基本分析 .............................. 49

§4.3.2 并网系统阴雨天工况系统各部件能量分析 .................... 51

§4.4 电池板光电转换效率影响因素的分析 ............................ 53

§4.5 逆变器转换效率影响因素分析 .................................. 56

§4.6 空调器能耗影响因素分析 ...................................... 57

§4.7 并网系统冬季运行费用理论分析 ................................ 58

§4.8 本章小结 .................................................... 59

第五章总结与展望 .................................................. 60

主要符号表 ......................................................... 63

参考文献 ........................................................... 64

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................... 67

致谢 ............................................................... 68

第一章绪论

§1.1 研究背景及意义

能源是国民经济的命脉，也是构成客观世界的三大基础之一。随着常规能源

资源的日益枯竭以及大量利用化石能源带来的一系列环境问题，人类必须寻找可

持续发展的能源道路，大力开发可再生清洁能源，逐渐改变能源消费结构已逐步

成为人们的共识。2004 年欧洲联合研究中心（JRC）依据各种能源技术的发展潜

力及其资源量，对未来 100 年的能源需求总量和结构变化做了预测，结果显示可

再生能源的比重将不断上升，到 2050 年为止将达到 62%。如下图 1-1 所示[1]，从

图中我们可以看出，太阳能在未来能源结构中的比重将越来越大。

图1-1 世界未来能源需求结构变化预测

资料显示：太阳每分钟射向地球的能量相当于人类一年所耗的能量

(8×1013kW/s)，可以说它是取之不尽用之不竭的能源，而且分布广泛，不污染环境，

不破坏生态环境。我国地面接收的太阳能资源非常丰富，辐射总量为

3340~8400(MJ/m2)/a，平均值为 5852(MJ/m2)/a，具体分布情况如图 1-2 所示[2]。

根据各地接受太阳总辐射量的多少，可将全国划分为五类地区：

一类地区为太阳能资源最丰富的地区，日辐射量范围为 5.1-6.4kWh/m2。主要

包括西藏西部、新疆东部、宁夏和甘肃北部、青海西部等地，西藏西部最为丰富，

可达 2333 kWh/ m2。

二类地区为太阳能资源较丰富地区，日辐射量范围为4.5-5.1kWh/m2。主要包

括西藏东南部、新疆南部、河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘

肃中部和青海东部等地。

太阳能光伏用于驱动变频空调器的实验研究

三类地区为太阳能资源中等类型地区，日辐射量范围在3.8-4.5kWh/m2。主要

包括吉林、辽宁、山东、山西南部、河南、河北东南部、苏北、新疆北部、陕西

北部、甘肃东南部、福建南部、云南、广东南部、皖北、台湾西南部等地。

四类地区是太阳能资源较差地区，日辐射量范围为3.2-3.8kWh/m2。主要包括

黑龙江、浙江、上海、江苏南部、湖南、湖北、江西、福建北部、广东北部、广

西、陕南、皖南以及台湾东北部等地。

五类地区是太阳能资源最少的地区，主要包括四川、贵州两省，日辐射量只

有2.5-3.2kWh/m2。

上海则属于太阳能资源第四类地区。

图1-2 中国太阳能辐射分布

§1.2 太阳能利用技术概述

太阳能利用技术大致可分为以下三类：

光-热转换。在太阳能利用技术中它属于效率最高、技术最成熟、经济效益最

好的一种，主要应用形式有太阳能热水器、太阳能建筑、太阳灶等。太阳能热水

器现在可谓是家喻户晓，太阳能建筑则并不常见，有主动式和被动式之分，主动

式较被动式来说一次性投资大，设备利用率低，维修管理工作量大，而且需要耗

费一定量的常规能源，而被动式构造简单，造价低，不需特殊维护管理，对空气

污染少，因此，在居住建筑和中小型公共建筑中较为常用的是被动式太阳房。

第一章绪论

光-电转换。主要是太阳能光伏发电技术，利用太阳能电池将光能转换为电能。

太阳能电池种类很多，如单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、铜铟镓硒（CIGS）

等。在我国小型的光伏发电系统主要应用于无电地区居民照明、听广播和看电视

等。除此之外光伏并网发电技术近年来也得到了长足的发展，各国光伏发电累计

装机容量都在逐年递增。光电转换除了光伏发电技术还有太阳能热风发电技术，

利用太阳能产生热气流，带动发电机发电[3]。在中国内蒙古自治区科技人员首次将

光伏发电和热气流发电技术结合在一起发电。在内蒙古乌海市金沙湾，沙漠里耸

立塔筒和玻璃阳光房就是沙漠太阳能热风发电站，容量为 200 千瓦，年发电量 40

万kWh，可节约标准煤 100 吨，主要介质是吸热和储能较好的沙子。

光-化转换。光化学电池是通过光的催化作用促进电池的正负极反生电化学反

应生成电。

在上述的太阳能利用中，太阳能制冷空调环保节能，极具发展前景，是当前

制冷技术研究中的热点，但太阳能制冷技术目前还不是很成熟，理论及实验研究

都非常有必要。

§1.3 太阳能光伏制冷技术

太阳能制冷主要有两条途径：

1)利用光伏技术产生电力，以电力推动常规的压缩式制冷机制冷；

2)进行光—热转换，用热作为能源制冷，主要有太阳能吸收式制冷、太阳能吸附式

制冷和太阳能喷式制冷三种方式。关于这三种太阳能制冷技术在此不做详细介绍，

可参考文献资料[4]。

本课题是利用太阳能光伏发电然后驱动变频房间空调器，因此首先对太阳能

光伏制冷及系统中重要部件—太阳能电池的国内外发展现状做相应介绍。然后对

太阳能光伏压缩式制冷技术的国内外现状做综述。

§1.3.1 太阳能电池研究现状及发展

太阳能电池是太阳能光伏系统的核心部件，因此太阳能光伏制冷技术是随着

太阳能电池的发展而不断发展的。在很长一段时期，由于太阳能电池技术的原因

——主要是其转换效率太低，太阳能电制冷受到了很大的限制。太阳能电池是基

于光生伏打效应或光化学效应将光能直接转换为电能的器件。基于光化学效应的

太阳能电池还比较少所以我们通常所说的太阳能电池均指基于光生伏打效应的太

阳能电池。自 1839 年法国科学家贝克雷尔发现“光伏效应”以后，太阳能电池的发

展拉开帷幕。能产生光伏效应的材料有很多，但是其工作原理大致相同，如下图

1-3 所示，其实质是光子能量向电能的转换。

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摘要：

6摘要随着太阳能利用技术的发展以及相关产业的发展，太阳能产品出现在日常生活中的方方面面，太阳能热水器，太阳能空调等。太阳能光伏空调器系统由于其光伏系统的产电量在季节上与空调的能耗具有很好的匹配性而备受关注，成为近年来研究的热点。太阳能光伏空调器在国外已有一定的产品，而国内类似产品则相对落后，技术还不成熟，所以有必要对太阳能光伏空调系统进行更多的理论及实验研究，开发适合中国地区的太阳能空调器产品，同时为未来太阳能光伏制冷的广泛应用提供一定的理论及数据支持。本项目是与苏州松下有限公司的合作项目，目的是研发一台由太阳能光伏驱动的空调样机，并对样机进行实验研究，得到系统各部件的能量分配情况，并计算其在...

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