光伏热泵系统实验研究

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3.0 赵德峰 2025-01-09 8 4 3.88MB 80 页 15积分
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摘 要
能源是经济的命脉，而传统化石能源的巨大消耗加剧了地球矿物燃料的日益
紧缺和枯竭。另外化石能源燃烧所带来的温室气体排放也给环境造成很大压力，
因此寻找洁净的替代能源或者可再生能源技术变得越来越迫切。
太阳能光伏发电技术和热泵技术是当今可再生能源利用的两个重要研究方向。
如何将太阳能光伏和热泵技术结合是目前可再生能源技术研究的重要课题之一。
本文首先提出了一种新型的主动式光伏光热综合利用系统，并设计了光伏热
泵系统试验样机，建立光伏热泵系统测试实验台。该系统有三个优势：一方面，
通过热泵来吸收太阳能电池板产生的热量，使电池板维持在较低温度下，从而可
提高电池板的光电转换效率。另一方面，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，使得热泵蒸发温度得以提高，从而可提高热泵性能
系数。另外，也克服了空气源热泵在低温下的热泵蒸发器还会经常出现结霜或结
冰难题。第三、由于热泵蒸发器和光伏电池没有直接耦合在一起，该光伏热泵系
统灵活性比较强，便于系统以多种模式运行，能够克服直膨式光伏热泵系统的匹
配难，热泵工质在 PV/T 蒸发器中压力损失大等问题。
接着对 PV/T 集热器的传热过程进行了热阻分析，发现冷却水槽道自身材料的
导热热阻占整个热阻比例很小，几乎可以忽略，因此管道可以采用较为价格低廉
的铝材，能在对系统的集热性能影响不大的情况下，节省制造成本。同时利用 Fluent
对PV/T 集热器的集热性能进行了数值模拟，得出性能较优且经济性好的结构，并
试制了结构简单，具有良好的导热性能的光伏蒸发器模块，通过串并联的方式组
成了 PV/T 集热器。
在此基础上，设计并搭建了以 CO2为工质的光伏热泵系统实验平台，并以上
海夏季典型气候条件对 PV/T-SAHP 进行了实验研究。
研究结果表明，光伏热泵系统具有优越的热性能，由于热泵对光伏电池的良
好冷却效果，与传统的光伏系统相比，光伏热泵系统的光电转换效率有显著的提
高。太阳辐照度和温度是影响光伏热泵系统电性能的主要因素，其中辐照度主要
影响输出电流，温度主要影响输出电压。另外光伏热泵系统按混联模式运行将能
获得更优的性能。
关键词：光电转换 光伏光热综合利用 光伏热泵 CO2热泵
ABSTRACT
Energy is the power of economy. With the consumption of traditional fossil fuels,
Earth's fossil fuels become scarce and depleted. In addition, It brought serious problems
to the environment that Greenhouse gas emission from burning fossil fuels。So it is
becoming more and more urgent to looking for a clean alternative sources of energy or
new energy technologies to pursue a clean alternative energy or new energy
technologies。
Solar photovoltaic technology and heat pump technology are both important
research aspect in the field of renewable energy use. It is one important issues of the
new energy technologies how combine the both.
In this paper, a new Solar Heat Pump System is designed. These are three
advantages. On the one hand, the photoelectric conversion efficiency is improved,
because The working temperature of photovoltaic modules are reduced to the heat pump
absorb the heat generated by the PV module. On the other hand, heat pump coefficient
of performance is improved by the PV modules act as the low temperature heat source
of heat pump. Third, the system is very flexible and can run in several modes, since the
evaporator and the photovoltaic cell are not tightly coupled, and avoid the irradiance
impact on heat pump system performance. The operation of the compressor is relatively
stable.
This paper analyzes the PV / T collector heat transfer process. It is found that the
thermal resistance of the channel wall accounted for a very small proportion of the
whole thermal resistance, So the channel wall can be made of aluminum to save
manufacturing costs. The same time, PV/T collector structure was simulated using by
Fluent to obtain better performance and structure. A good thermal conductivity and
insulating properties, Solar evaporator module is manufactured. A photovoltaic heat
pump system is established that used CO2 as a refrigerant, and it was investigated
experimentally in Shanghai typical summer weather conditions.
The results showed that the photovoltaic heat pump system having a superior
thermal performance and the photoelectric conversion efficiency has improved
significantly , due to the significant cooling effect for PV modules by the heat pump.
Irradiance and temperature are two major factors affecting the electrical performance of
the system, in which irradiance primarily affect the output current and temperature
affect the output voltage. In addition, the PV/T-SAHP will be able to get better
performance in hybrid mode.
Key Word：Photovoltaic, Solar hybrid photovoltaic and thermal
system, PV/T-SHAP, CO2 heat pump
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 .............................................................................................................. 1
1.1 能源的现状 ............................................................................................................ 1
1.2 太阳能应用前景 .................................................................................................... 1
1.2 太阳能光伏技术 .................................................................................................... 2
1.2.1 不断发展中的光伏技术 .................................................................................. 2
1.2.2 太阳能光伏光热联用技术 .............................................................................. 3
1.3 光伏热泵技术 ....................................................................................................... 9
1.4 本课题的创新点 ................................................................................................. 14
1.5 本文的主要研究内容 ......................................................................................... 14
第二章 光伏/集热器的设计及优化 ............................................................................. 15
2.1 温度对太阳能电池的影响机理 ......................................................................... 15
2.2 太阳电池的热量产生原因 ................................................................................. 17
2.3 太阳能电池的结构 ............................................................................................. 17
2.4 PV/T 集热器的传热过程分析 ............................................................................. 18
2.4.1 PV/T 集热器简介 .......................................................................................... 18
2.4.2 能量平衡 ........................................................................................................ 18
2.4.3 热阻分析 ........................................................................................................ 21
2.5 光伏集热器的结构优化 ..................................................................................... 23
2.6 本章小结 ............................................................................................................. 26
第三章 光伏热泵系统实验台 ...................................................................................... 28
3.1 实验台的简介 ..................................................................................................... 28
3.1.1 CO2工质 ........................................................................................................ 28
3.1.2 光伏热泵实验台 ........................................................................................... 28
3.1.3 PV/T 集热器 .................................................................................................. 30
3.2 CO2跨临界循环及性能分析 ............................................................................... 30
3.2.1 CO2跨临界循环 ............................................................................................ 30
3.2.2 最优压力 ....................................................................................................... 31
3.2.3 过热度 ........................................................................................................... 33
3.2.4 蒸发温度 ....................................................................................................... 34
3.2.5 气冷器出口温度 ........................................................................................... 34
3.3 CO2热泵系统的设计 ........................................................................................... 35
3.3.1 制热量 ........................................................................................................... 35
3.3.2 最优压力的确定 ........................................................................................... 35
3.3.3 压缩机选型 ................................................................................................... 37
3.3.4 气冷器的设计 ............................................................................................... 38
3.3.5 蒸发器 ........................................................................................................... 42
3.3.6 回热器 ........................................................................................................... 45
3.3.7 节流阀 ........................................................................................................... 46
3.4 数据采集系统 ..................................................................................................... 46
3.4.1 光伏发电的测试 ........................................................................................... 46
3.4.2 热泵运行数据的测试 ................................................................................... 48
3.4.3 实验步骤 ....................................................................................................... 51
3.5 本章小结 ............................................................................................................. 52
第四章 光伏热泵系统实验研究 .................................................................................. 53
4.1 实验运行模式 ..................................................................................................... 53
4.2 环境参数 ............................................................................................................. 53
4.3 PV/T-SAHP 系统的光电转换性能 ..................................................................... 54
4.3.1 不同模式下系统的光电转换性能 ............................................................... 54
4.3.2 辐照度对光电转换性能的影响 ................................................................... 57
4.3.3 温度对光电转换性能的影响 ....................................................................... 57
4.4 PV/T 集热效率 ..................................................................................................... 59
4.5 PV/T-SAHP 系统的热力性能 ............................................................................. 60
4.5.1 测试条件 ....................................................................................................... 60
4.5.2 单一模式运行下的系统性能 ....................................................................... 60
4.5.3 两种不同模式运行的对比实验 ................................................................... 62
4.6 本章小结 ............................................................................................................. 63
第五章 总结及展望 ...................................................................................................... 65
5.1 论文的主要工作及成果 ..................................................................................... 65
5.2 论文的后续工作和展望 ..................................................................................... 66
主要符号表 .................................................................................................................... 68
参考文献 ........................................................................................................................ 70
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
1.1 能源的现状
能源是经济的命脉，随着经济的持续高速的发展，能源消费量呈现快速增长
的态势。但化石能源储量是有限的，传统化石能源的巨大消耗加剧了地球矿物燃
料的日益紧缺和枯竭。表 1-1 列举了英国 BP 公司对世界一次能源的统计数据，数
据表明截止 2010 年底，假设未来一次能源的产量保持不变，那么全世界已探明的
石油只能够使用 46.2 年，天然气只能使用 58.6 年，煤炭只能够满足消耗 118 年，
而中国现有已探明的一次能源储量最多还能够消耗 35 年，可见能源短缺现象已经
非常严重。
表1-1 截止 2010 年底，世界和中国的主要化石能源的探明储量额储产比[1]
能源种类
世 界
中 国
探明储量
储产比（R/P）
探明储量
储产比（R/P）
石 油
13832 亿桶
46.2 年
148 亿桶
9.9 年
天然气
187.1 万亿 m3
58.6 年
2.8 万亿 m3
29.0 年
煤 炭
860938 百万 t
118 年
114500 百万 t
35 年
数据来源：《BP 世界能源统计》（2011 年06 月）
注：储量/产量（R/P）比—假设将来的产量继续保持当年的水平，那么剩余储量的开采年限。
特别是中国作为一个发展中国家，在工业化和城市化的进程中，能源的需求
量还在不断的增大。根据统计，2011 年，我国的一次能源生产总量达到 31.8 亿吨
标准煤，居世界第一。从 2006 年到 2011 年，我国人均一次能源消费量达到 2.6
吨标准煤，提高了 31%；人均天然气消费量提高了 110%，人均用电量提高了 60%，
全国使用天然气的人口超过 1.8 亿[2]。可见未来我国的能源缺口将更加巨大，能源
问题将更加严重。
另外化石能源燃烧所带来的温室气体排放也给环境造成很大压力，全球变暖
趋势正在摧毁地球人的“绿色家园”梦想。 因此寻找洁净的替代能源问题变得越
来越迫切。可再生能源因其具有清洁和可再生的特点，符合人类可持续发展的要
求，越来越受到世界各国的广泛关注。以人类目前和可预见的将来所拥有的技术，
最有前途的可替代的能源品种主要是太阳能，风能，生物质能、海洋动力能[3]。
1.2 太阳能应用前景
根据 2004 年，欧洲联合研究中心（JRC）对未来 100 年的能源需求总量和结
构变化的预测（见图 1-1）：可再生能源的比重将不断上升，于 2020、2030、2040、
2050 和2100 年将分别达到 20%、30%、50%、62%和86%。特别是，其中从 2030 年
开始，太阳能在未来能源结构中的比重将越来越大[4]。另外我国的太阳能资源非常
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作者：赵德峰 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：80 页 大小：3.88MB 格式：PDF 时间：2025-01-09

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