太阳能电池与热泵热水器联合运行系统性能分析

- 42　　　 - 收稿日期 : 2010 - 05 - 25 作者简介 :汤　珂 (1978 - ) ,男 ,重庆江北人 ,博士 ,副教授 ,从事低品位热源利用、热声热机等方面的研究。 太阳能电池与热泵热水器联合运行系统性能 汤 　珂 1 ,金圣涵 1 ,杜 　强 2 ,金 　滔 1 (1.浙江大学 能源学系 ,浙江 杭州 310027; 2. 浙江能源研究所 ,浙江 杭州 310012) 摘 　要 :为了降低太阳能光伏电池的温度 ,同时提升热泵热水器的蒸发温度 ,利用循环水路冷却太阳能光伏电 池 ,并将热量传递给热泵热水器的蒸发器 ,构成联合运行系统。针对杭州市的夏季和冬季气象条件 ,对该联合 运行系统的性能进行了计算 ,分析了对应不同太阳能电池温度下的系统运行参数的变化情况 ,包括太阳能电池 发电效率和所需换热量 ,热泵热水器的制热量以及热泵效率等。计算结果表明 ,该联合运行系统能够同时提高 太阳能电池光伏转换效率和热泵效率。 关键词 :太阳能电池 ;光伏发电 ;热泵 中图分类号 : TK519　　　　文献标识码 : A　　　　　文章编号 : 1004 - 3950 (2010) 05 - 0042 - 05 Ana lysis on a photovolta ic2in tegra ted solar2a ssisted hea t pum p wa ter hea ter TAN G Ke1 , J IN Sheng2han1 , DU Q iang2 , et a l (1. Department of Energy Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China; 2. Zhejiang Energy Research Institute, Hangzhou 310012, China) Abstract:A photovoltaic2integrated solar2assisted heat pump ( PV2SAHP) , in which circulating water transfers the heat from the solar cells to the evaporator of heat pump, is capable of achieving high efficiency by cooling down the solar cells and elevating the evaporation temperature. According to the weather conditions of summer and winter in Hang2 zhou, computation has been conducted on the PV2SAHP water heater to analyze the performance. The analysis focused on the photovoltaic efficiency and cooling power for cells, the heating power and efficiency of heat pump in function of the cell temperature. The computed results indicated that the PV2SAHP can significantly increase both the photovoltaic efficiency and heat pump efficiency. Key words: solar cell; photovoltaics; heat pump 0　前 　言 对于光伏发电 ,在状态 (太阳辐射 1000 W /m2 ,温度 25℃)下 ,晶体硅电池的发电效率一 般为 12% ～17% ,而当电池温度每升高 1℃时 ,其 发电效率约将降低 0. 5% [ 1 ]。在实际应用中 ,除 去转换为电能和被反射的部分 ,仍有大部分太阳 辐射转化为热能被电池吸收 ,而自然对流难以及 时将这部分热量带走 ,使得工作中的电池温度通 常显著高于 25℃,尤其是在夏季 ,电池温度甚至 高达 80℃以上 ,导致发电效率急剧下降。这已经 成为实际应用中太阳能电池性能的重要限制因素 之一。目前 ,太阳能电池的冷却技术 ,包括空气冷 却、水冷却、热管冷却、微通道以及液体射流冲击 冷却等技术 ,都在积极研发之中 [ 2 - 4 ]。 另一方面 ,随着生活水平的提高 ,热水器已日 益普及。空气源热泵热水器作为继燃气热水器、电 热水器、太阳能集热热水器之后的第四代热水器 , 具有高效、节能、环保、安全等优点 ,因此发展迅 速 [ 5 ]。存在的问题主要包括风机的噪声和震动 ,以 及在寒冷潮湿环境中室外机的结霜等。太阳能与 热泵技术相结合形成的太阳能热泵热水器 ,将制冷 剂的蒸发过程与太阳能集热过程联合 ,集热效率和 热泵效率都得以提高 ,使得整机更加高效节能 ,且 能够全天候运行 ,受天气条件影响较小 [ 6 ]。 因为能实现同时提高太阳能电池和热泵热水 新能源及 © 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 2010年 ,第 5期 　 - 43　　　 - 器的效率 ,太阳能电池与热泵热水器联合运行技 术 ( Photovoltaic2integrated solar2assisted heat pump, PV2SAHP)近年来越来越受到关注 [ 7 - 10 ]。相比于 传统太阳能热泵热水器 , PV2SAHP系统中由太阳 能电池替代了太阳能集热器 ,太阳能电池的热量 传递给热泵的蒸发器 ,可降低太阳能电池温度并 提升热泵的蒸发温度 ,进而达到同时提高太阳能 电池发电效率和热泵热水器热效率的目的。 目前关于 PV2SAHP的研究主要集中于太阳能 电池板的冷却器与热泵蒸发器合二为一的直膨式 系统 [ 8 - 10 ]。这种系统具有结构紧凑、传热温差小、 效率高等特点。由于夏季和冬季在热泵供热需求 和太阳能电池的冷却要求方面存在一定的矛盾 ,直 膨式系统在应对这种矛盾时灵活性较为欠缺。 本文的研究对象为一种利用循环水路冷却太 阳能电池并由水路将热量传递给蒸发器的 PV2 SAHP系统。该系统虽然由于第二传热介质的引 入增加了传热温差 ,但相比直膨式系统需采用太 阳能电池的冷却器与热泵蒸发器合二为一的换热 器 ,其实际系统的构建更为方便 ,加工制造难度降 低 ,便于实现光伏 —光热建筑一体化系统 [ 7 ]。此 外 ,第二传热介质的引入 ,也为同时满足供热需求 和电池冷却要求提供了灵活处理的余地 ,例如增 加地源储热等 [ 7 ]。本文根据杭州市的夏季和冬 季气象条件 ,针对通过水路联合太阳能电池与热 泵热水器的系统进行了计算 ,分析了对应不同太 阳能电池温度下的系统运行参数的变化情况 ,包 括太阳能电池发电效率和所需换热量 ,热泵热水 器制热量以及热泵效率等 ,以验证系统的可行性。 1　系统结构 图 1为本文研究的 PV2SAHP系统示意图 ,主 要包括太阳能电池板、电池换热器、泵、压缩机、冷 凝器 (储水桶 )和节流阀等部件。用于冷却太阳 能电池板的循环水路在蒸发器中与热泵循环换 热。 2　热力计算 针对图 1所示的 PV2SAHP系统进行热力计 算 ,以分析其性能。到达太阳能电池板的太阳辐射 记为 Q in ,其中 Qe由太阳能电池转换为电能 , Q r为 被反射的太阳辐射 , 其余能量经由空气对流 (包 括自然对流和强制对流 ) 和循环水路带走 ,分别 图 1　PV2SAHP系统示意图 1—太阳能电池板 ; 2—电池换热器 ; 3—泵 ; 4—蒸发器 ; 5—压缩机 ; 6—冷凝器 (储水桶 ) ; 7—节流阀 记为 Qcon 和 Qw。根据能量平衡原理 ,需要由循环 水路带走的热量 (即要求热泵提供的制冷量 ) 为 : Qw = Q in - Q r - Qe - Qcon (1) 其中 ,太阳能电池的发电量 Qe 可由式 (2) 计算 : Qe = QREF IrrIrrREF 1 + α 100 tCell - tREF (2) 式中 : IrrREF、tREF和 QREF分别为标准状态下的太阳 辐射、电池温度和发电功率 ; Irr和 tCell为实际工况 下的太阳辐射和电池温度 ;α为相对于标准状态 的温度效率系数。 空气对流换热量可由下式计算 : Qcon = ( hc, free + hc, force ) ·A·Δt (3) 式中 : hc, free为自然对流换热系数 ; hc, fo rced为强制对 流换热系数 ; A 为传热面积 ;Δt为传热温差。hc, free 和 hc, fo rced 的计算详见参考文献 [ 11 ]。 根据热泵循环热力分析可知热泵制热量和制 热效率分别为 : Qk = Qw h1 - h4 ( h2 - h3 ) (4) COPe = Qk Pi (ηm ·ηe ) (5) 式中 : h4 和 h1 为制冷剂在蒸发器进口和出口的比 焓 ; h2 和 h3 为制冷剂在冷凝器进口和出口的比焓 ; Pi 为指示功率 ;ηm 为机械效率 ;ηe 为电动机效率。 如果考虑将太阳能电池的电池发电量折合为 热泵的制热量 ,则 PV2SAHP的综合效率可进一步 表达为 : CO P3e = Qk + Qe ·CO PePi (ηm ·ηe ) (6) 新能源及工艺 © 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net - 44　　　 - 3　计算结果与分析 根据以上给出的相关公式对 PV2SAHP进行计 算。太阳能电池为 SUNTECH公司产品 ,在 25℃下 发电效率为 13% ,温度每升高 1℃,光电转换效率 下降 0. 32% ,约 10%的入射太阳辐射被反射 ,计 算中所涉及的太阳能电池板面积为 8. 016m2。热 泵循环选取 R134a为制冷剂进行计算。假设热 泵蒸发温度低于太阳能电池板温度 10℃,冷却水 的温升为 5℃,蒸发器出口过热度为 5℃,压缩机 的指示效率为 0. 75,机械效率为 0. 9,电动机效率 为 0. 8,热水温度为 55℃,冷凝温度为 60℃,冷凝 器出口过冷度为 3℃,忽略换热器中的压降。考 虑杭州市的气象条件 ,夏季室外温度 35. 7℃,平 均风速 2. 2 m / s,平均太阳辐射 700 W /m2 [ 12 ] ;冬 季室外温度 - 4℃ (杭州地区室外温度达 - 4℃较少见 , 编者注 ) ,平均风速 2. 3 m / s,平均太阳辐射 600 W /m2 [ 12 ]。下面分别针对夏季和冬季工况给出计 算结果 ,并进行分析。 3. 1　夏季工况 根据上述太阳能电池产品的性能参数以及夏 季工况 ,图 2给出了夏季太阳能电池的发电功率 Qe、发电效率ηCell随温度的变化关系。图 2表明 , 太阳能电池的发电效率随温度升高而降低。可 见 ,降低电池的温度对于提升其发电效率非常重 要。 针对夏季工况 ,计算了冷却太阳能电池所需 制冷量 Qw 随电池温度的变化情况。从图 3可以 看到 ,随着电池温度的降低 ,冷却电池需要的制冷 量增大 ,并且 ,在 35℃左右 ,曲线斜率发生改变。 这是因为计算工况中取空气环境温度为 35℃,当 板温高于 35℃时 ,电池将热量传递给空气环境 , 空气对流对于电池为冷却作用 ,而当板温低于 35℃时 ,空气环境将热量传递给电池 ,空气对流对 于电池为加热作用 ,这部分热量需要附加制冷量 将其带走。图 3中还给出了相应的热泵制热量 Qk 随电池温度的变化关系。由于随着电池温度 升高 ,从电池获得的热量显著减小 ,导致热泵制热 量也随之减小。 这里需要重点关注的是热泵效率。图 4给出 了热泵制热效率 COPe 随电池温度的变化关系。 由图可见 ,由于电池温度升高时热泵蒸发温度随 之升高 ,因而热泵效率 COPe 也随之增大。当电 池温度为 25℃时 , COPe 为 3. 82,当电池温度升高 至 50℃时 , COPe 可高达 12. 07。为了综合考虑太 阳能电池的发电量 ,根据式 ( 6)将电池发电量折 合为热泵的制热量 ,计算了 PV2SAHP的综合效率 COP3e (见图 4)。可以看到 , COP3e 大于 COPe ,并 且随电池温度升高 ,差距越大。究其原因 ,虽然随 着温度的升高电池由于光电转换效率降低而发电 量减小 ,但电池所需的制冷量也随之显著减小 ,于 是制冷剂流量将减小 ,压缩机功耗也降低。同时 , 热泵的效率会显著提升 ,总体表现为 PV2SAHP的 综合效率 COP3e 的快速增长。当电池温度为 25℃时 , COP3e 可达 5. 55, 当电池温度升高至 50℃时 , COP3e 可高达 37. 16。 3. 2　冬季工况 同样根据上述太阳能电池产品的性能参数以 及冬季工况 ,图 5给出了冬季太阳能电池的发电 功率 Qe 和效率ηCell随其温度的变化关系。图 5 新能源及工艺 © 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 2010年 ,第 5期 　 - 45　　　 - 图 4　热泵效率随电池温度的变化 (夏季 ) 所示的变化规律与图 2相同 ,但由于冬季平均太 阳辐射小于夏季 ,因而相同电池温度下 ,冬季的发 电量低于夏季。 针对冬季工况 ,计算了冷却电池所需制冷量 Qw 随电池温度的变化关系 ,见图 6。可以看到 , 随着电池温度的降低 ,冷却电池需要的制冷量增 大。此外 ,由于冬季的太阳辐射低于夏季 ,另一方 面 ,冬季计算空气环境温度取 - 4℃,远低于夏季 的 35℃,空气对流对电池的冷却作用较夏季显著 得多 ,因此冬季对应相同电池温度所需要的制冷 量明显小于夏季。例如 :冷却电池至 25℃,夏季 需要制冷量 4. 951 kW ,而冬季仅需 1. 475 kW。 图 6还给出了热泵制热量 Qk 随电池温度的变化 关系。由于随着电池温度升高 ,从电池获得的热 量显著减小 ,导致热泵制热量也随之减小。对应 相同电池温度 ,冬季的热泵制热量小于夏季工况。 图 7给出了热泵制热效率 COPe 以及 PV2 SAHP的综合效率 COP3e 随电池温度的变化关 系。在本文计算中 ,当给定电池温度后 ,热泵蒸发 温度随之确定 ,循环效率也随之确定 ,因此无论是 冬季还是夏季工况 ,对应相同电池温度的 COPe 计算值是相等的 ,而两者的区别主要在于 PV2 SAHP的综合效率 COP3e 。比较图 7和图 5可以 看到 ,对应 25℃电池温度 ,冬季 COP3e 为 8. 82,而 夏季 COP3e 为 5. 55。可见 ,在相同电池温度下 , 冬季工况的综合效率 COP3e 更高。这是因为虽然 冬季由于太阳辐射相对较小导致相同电池温度下 发电量较小 ,但空气环境温度低使得空气对流对 电池的冷却效应好 ,所需要的额外制冷量大大减 小 ,则制冷剂流量减小 ,相应压缩机功耗降低 ,因 而总体表现为 PV2SAHP的综合效率 COP3e 高于 夏季工况。 新能源及工艺 © 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net - 46　　　 - 4　结 　论 本文针对利用循环水路耦合太阳能电池和热 泵热水器的 PV2SAHP系统进行了热力计算和性 能分析。结果表明 ,太阳能电池与热泵热水器的 联合运行 ,一方面由于热泵对电池的冷却作用 ,能 够提高电池的发电效率 ,这对于夏季工况尤为重 要 ;而另一方面 ,由于将太阳能电池吸收的太阳辐 射用于加热热泵的蒸发器 ,可提升蒸发温度 ,进而 提高热泵效率 ,这对于冬季工况更有利。此外 ,两 者的联合运行既产电又产热 ,将电池发电量转换 为热泵制热量进行计算的综合热泵效率显著升 高。在本文算例中 ,热泵的冷凝温度为 60℃,在 将电池冷却至 25℃的工况下 ,热泵效率 COPe 可 达 3. 82,综合热泵效率 COP3e 夏季和冬季可分别 达到 5. 55和 8. 82。 参考文献 : [ 1 ]　胡晨明 ,WH ITE R M. 太阳电池 [M ]. 北京 :北京大 学出版社 , 1990. [ 2 ]　翁政军 ,杨洪海. 应用于聚光型太阳能电池的几种 冷却技术 [ J ]. 能源技术 , 2008, 29 (1) : 16 - 18. [ 3 ]　蔡 　康 ,关 　辛 ,刘 　鹏 ,等. 太阳能电池冷却器的 与研究 [ J ]. 能源研究与信息 , 2009, 25 (3) : 166 - 171. [ 4 ]　CHOW T T. A review on photovoltaic / thermal hybrid solar technology [ J ]. App lied Energy, 2010, 87 ( 2) : 365 ∃ 379. [ 5 ]　颜 　松. 空气源热泵热水器简介及其经济性分析 [ J ]. 大众科技 , 2009 (11) : 104 - 106. [ 6 ]　旷玉辉 ,王如竹. 太阳能热泵热水器 [ J ]. 太阳能 , 2003 (4) : 13 - 15. [ 7 ]　BAKKER M , ZONDAG H A, ELSW IJK M J, et al. 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