太阳能-空气双热源热泵系统性能实验(5)
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引 言基于光伏光热技术的太阳能直膨热泵系统(PV/T-DXHP)具有结构简单、高效节能等特点,是近年来太阳能综合利用的一种新形式。针对光伏光热蒸发器(PV/TE)的结构优化和PV/T-DXHP 系统的运行特性,国内外研究学者已从理论和实验等角度进行研究[1]。Ji等[2]采用管板式PV/TE 与热泵系统相结合,对系统能量转换过程进行分析,与独立运行的光伏光热组件和热泵系统相比,其COP 和电效率均有提升。Mohanraj等[3-4]对比圆管和三角管的管板式PV/T-DXHP 系统的运行性能,研究表明三角管比圆管COP提升约3%~5%、电效率提升约4%~13%。徐国英等[5]对采用多孔扁管式结构的PV/TDXHP 系统进行研究,与管板式结构相比,COP 提升约7%、热效率提升约6%。Zhang 等[6-9]设计吹胀式结构PV/TE 并建立热泵系统实验装置,其夏季时COP 和电效率可达7.18 和11.8%,冬季时约3.45 和7.51%。Shao 等[10-11]将上述系统与建筑屋顶相结合并进行实验研究,研究表明该系统可降低建筑得热量约39.9%、日负荷约38.6%。目前,研究学者已对管板式、流道式和吹胀式结构的PV/T-DXHP 系统进行深入研究,但对热管式PV/T-DXHP 系统研究却相对较少[12-14]。由于热管具有传热性能强、均温性好等特点,其与PV/TDXHP 系统结合具有很好的应用前景。Fu 等[15-16]采用热管式光伏光热组件与热泵系统进行集成,对其运行性能进行研究,在太阳能热泵模式下运行时,其热效率约61.1%~82.1%、电效率约8.3%~9.1%。但是上述系统在热泵模式下蒸发器是以管板式结构进行集热的,未充分发挥热管的作用,同样的情况也出现在Li等[17-18]的研究中。Zhang 等[19-22]采用圆柱形热管对PV/T-DXHP 系统进行改造,在室外测试条件下,其电效率、热效率和总效率约9.13%、39.25%和48.37%,COP可达5.51以上。但是受圆柱形热管的形状限制,其与换热元件间的接触面积有限、热阻偏大,一定程度上影响了系统性能[23]。为优化热管式PV/TE 的结构、提升PV/T-DXHP系统性能,在前期研究的基础上[23-26],本文将平板微热管阵列光伏光热组件改造为新型光伏光热蒸发器(photovoltaic-thermal evaporator with flat micro heat pipe array, MHPA-PV/TE),设计研发一种新型太阳能-空气双热源热泵系统(solar energy and air dual-heat-source heat pump system, DHS-HP),它可以同时从太阳辐射和环境空气中吸收热量,实现多能互补,提升系统的综合性能。为深入分析该系统的运行性能,本文对近似工况下太阳能供热模式和双热源供热模式下DHS-HP 系统的运行性能进行研究,分析不同模式运行特点、优化系统运行策略,旨在为该系统的实际应用提供指导。1 DHS-HP系统1.1 MHPA-PV/TE结构图1为平板微热管阵列,其具有接触热阻小、传热能力强、可靠性高等特点[27-28]。图2 为MHPA-PV/TE,其利用平板微热管阵列对传统PV/TE 结构进行简化,从上到下依次为光伏组件、平板微热管阵列、制冷剂换热器、空气换热器和风机、保温层等。其中,光伏组件采用单晶硅,总面积约1.86 m2,发电面积约1.79 m2;每个平板微热管阵列尺寸为950 mm×120 mm×3 mm,均匀布置于电池背部;制冷剂换热器采用微通道扁管,尺寸为1950 mm×100 mm×10 mm,固定于热管背部上方,两个风机均安装于其背部,提升与环境空气的换热能力;热管背部的其余区域敷设15 个空气换热器,尺寸均为850 mm×120 mm×20 mm;保温层厚度约30 mm,被粘贴在空气换热器背部,以减少热损失。此外,每个换热元件接触面间均填充有导热硅胶,以减少接触热阻 DHS-HP实验平台图1 平板微热管阵列示意图Fig.1 Schematic diagram of flat micro heat pipe array图2 MHPA-PV/TE示意图Fig.2 Schematic diagram of MHPA-PV/TE1—光伏组件;2—平板微热管阵列;3—空气换热器;4—保温层;5—制冷剂换热器;6—风机图3 为DHS-HP 实验平台,包括MHPA-PV/TE、压缩机、贮热水箱、毛细管、套管换热器等部件。其中,采用MHPA-PV/TE 的同时,本系统还设置了风冷换热器作为辅助蒸发器,通过双蒸发器的相互补充,用以提升系统的适用范围。通过梳理已有相关系统的选型参数[2-22],1HP 压缩机对应光伏光热蒸发器面积约2~5 m2,单位面积光伏光热蒸发器对应水箱容积约26~92 L。结合本系统的特点,实际选用2块光伏光热蒸发器(单块面积为1.86 m2),1HP 定频转子压缩机,水箱容积为200 L,制冷剂为R22。该实验平台在供热工况下具有3 种运行模式:①太阳能供热模式(S 模式)。当白天晴朗、日照充足时,电磁阀5-1 和5-3 开启、5-2 和5-4 关闭,MHPA-PV/TE背部风机处于关闭状态,以太阳能为主要热源进行供热;②太阳能-空气双热源供热模式(SA模式)。当白天多云、日照不足时,电磁阀5-1 和5-3 开启、5-2 和5-4 关闭,MHPA-PV/TE 背部风机处于开启状态,以太阳能和环境空气为热源进行供热;③空气源供热模式(A 模式)。当白天阴天或夜间时,电磁阀5-1 和5-3 关闭、5-2 和5-4 开启,以环境空气为主要热源进行供热。此外,根据使用需求的变化,该系统还可以通过开启四通换向阀6,利用单向阀组10,实现制冷空调的功能。测试仪器和传感器参数如表1所示。其中,热电阻用于采集水箱、蒸发器进出风、冷凝器进出水和MHPA-PV/TE 背板等温度;热电偶用于采集蒸发器、冷凝器等部件中制冷剂的温度。流量、温度和压力等数据均通过Agilent A进行记录,周期为10 系统性能评价指标DHS-HP 系统的性能评价指标主要包括发电量、电效率、得热量、热效率、COP和综合性能效率。系统的瞬时发电量可按式(1)进行计算:系统的瞬时光电转换效率可按式(2)进行计算:系统的冷凝器瞬时放热量可按式(3)进行计算:系统的瞬时热效率是指单位面积光伏光热蒸发器通过对流、辐射等途径从周围环境中吸收的热量与入射太阳辐射的能量之比,可采用冷凝器瞬时放热量扣除压缩机瞬时功耗进行计算,即[6]:热泵的性能系数可按式(5)进行计算:由于热能和电能属于两种品位不同的能源,为准确评价其能量利用特性,这里采用Huang等[29-30]提出的综合性能效率进行评价,即:1.4 实验误差分析E、ηe、Qth、ηth、COP 和ηo是热泵系统性能评价的重要指标,相对误差分别为:根据式(7)~式(12)进行计算得到,E、ηe、Qth、ηth、COP 和ηo的相 对误差分 别为0.71%、2.12%、图3 DHS-HP实验平台示意图Fig.3 Schematic diagram of DHS-HP system1—MHPA-PV/TE;2—压缩机;3—套管换热器;4—贮热水箱;5—电磁阀;6—四通换向阀;7—毛细管;8—过滤器;9—储液罐;10—单向阀;11—风冷换热器;12—轴流风机;13—循环水泵;14—数据采集仪;15—计算机;—温度传感器;—功率传感器;—流量传感器;—压力传感器;—电流传感器;—电压传感器;—风速传感器3.00%、3.74%、3.16%和4.30%。表1 测试设备和传感器参数Table 1 Types of related measured instruments and sensors名称热电偶热电阻压力传感器制冷剂流量传感器水流量传感器电流表电压表功率传感器照度计型号T Pt100 MIK6100 YZCL-4 LD-20 YG1951-AK1R YG195U-AK1R S350 TRT-2量程-200~350℃-40~150℃0.1~2.5 MPa 5~250 L/h 0.2~2.0 m3/h 0~30 A 0~100 V 0~4 kW 0~2000 W/m2精度0.5℃0.1℃0.5%0.5%1.0%0.5%0.5%1.0%2.0%2 实验结果与分析图4 为不同模式下太阳辐照(G)和环境温度(Ta)的变化曲线。SA 模式下,GSA为152~733 W/m2,平均456 W/m2;Ta,SA为7.5~13.6℃,平均10.6℃。S 模式下,GS为295~783 W/m2,平均634 W/m2;Ta,S为4.6~14.9℃,平均9.1℃。根据环境参数的变化趋势,可分为3 个阶段:第1 阶段(0~60 min),Ta,SA<Ta,S,GSA<GS;第2 阶段(60~140 min),Ta,SA≈Ta,S,GSA<GS;第3 阶段(140~270 min),Ta,SA>Ta,S,GSA≈GS。图4 太阳辐照与环境温度变化曲线Fig.4 Variation curves of solar radiation and ambient temperature图5 环境温度与蒸发器背板温度以及环境温度与蒸发器出风温度的差值的变化曲线Fig.5 Variation curves of temperature differences in ambient air and back panel as well as ambient air and outlet air图5为不同模式下环境温度与蒸发器背板温度的差值(ΔTa-eva)以及环境温度与蒸发器出风温度的差值(ΔTa-out)的变化曲线。由图可知,SA 模式下ΔTa-eva,SA和ΔTa-out,SA随太阳辐照的降低显著增加。第1 阶段,GSA在208~549 W/m2之间 变化,ΔTa-eva,SA和ΔTa-out,SA分别波动在-0.2~3.5℃和0.2~1.4℃,蒸发器从环境空气中吸热。第2 阶段,GSA下降至152 W/m2,ΔTa-eva,SA和ΔTa-out,SA逐 步 提 升,最 高 达4.1℃和1.6℃,蒸发器从环境空气中的吸热能力进一步增强。第3 阶 段,GSA稳 定 在598 W/m2,ΔTa-eva,SA和ΔTa-out,SA分别波动在-3.1~0.5℃和-0.3~0.5℃,蒸发器出现向环境空气散热的现象。对于S 模式,由于未采用与环境空气强制对流的换热方式,ΔTa-eva,S波动在-5.4~0.5℃,环境空气中的热量未被利用;而在第3 阶段,由于SA 模式中环境空气作用的转变,致使ΔTa-eva,SA和ΔTa-eva,S开始趋于一致。需要说明的是,由于制冷剂换热器布置在出风口处,其对蒸发器出风温度造成一定影响,致使第3 阶段中绝大多数时间ΔTa-out,SA略大于0 情况的出现。根据上述特性,通过监测ΔTa-eva的变化进行运行策略的调整,可以进一步提升系统的运行效果,即当ΔTa-eva>0(即背板温度小于环境温度)时,启动双热源模式;当ΔTa-eva<0(即背板温度大于环境温度)时,启动太阳能供热模式。图6 得热量和热效率的变化曲线Fig.6 Variation curves of heat gain and thermal efficiency图6为不同模式下得热量(Qth)和热效率(ηth)的变化曲线。由图可知,Qth和ηth受太阳辐射和环境温度的变化有一定波动,但随运行时间增加总体呈下降趋势。第1 阶段,由于环境空气的能量补充,SA模式下系统实现相对稳定的能源供应,Qth,SA在993~1251 W 范围内小幅波动;ηth,SA最高达129.7%,且整个过程均高于ηth,S。第2 阶段,SA 模式下环境空气的能量补充作用进一步显现,使Qth,SA与Qth,S相差不大,平均约872 W 和932 W;平均ηth,SA却高达87.4%,是ηth,S的2倍。第3阶段,Qth,SA和ηth,SA的变化趋势与S模式趋于一致。测试期间,平均Qth,SA和ηth,SA分别为962 W 和56.7%;而S 模 式 下 平 均仅 为858 W 和36.4%。不难看出,SA 模式更适合在低辐照条件下运行。图7 为不同模式下发电量(E)和电效率(ηe)的变化曲线。由图可知,E 和ηe与太阳辐射的变化趋势基本一致。测试期间,SA 模式下,ESA为14~278 W,平均130 W;ηe,SA为2.3~12.8%,平均7.7%。S 模式下,ES为27~364 W,平均224 W;ηe,S为2.4~12.7%,平均9.5%。总体上看,由于S 模式下太阳辐照较强且环境温度较低,使其平均ES和ηe,S高于SA 模式。但在第3 阶段,由于SA 模式下蒸发器开始向环境空气散热,使其发电效率有所提升,平均ηe,SA约8.3%,而S 模式下约7.8%,提升0.5%。综上可知,SA 模式在高辐照条件下环境空气的作用会由向蒸发器供热转变成为蒸发器散热,虽然其会减少蒸发器的集热量,但是却实现了为光伏电池散热的效果,对发电性能有一定提升作用。图7 发电量和电效率的变化曲线Fig.7 Variation curves of power generation and electrical efficiency图8 蒸发压力和冷凝压力的变化曲线Fig.8 Variation curves of evaporation and condensation pressures图8 为不同模式下蒸发压力(Peva)和冷凝压力(Pcon)的变化曲线。由图可知,蒸发压力随太阳辐射和环境空气温度的波动而变化,冷凝压力随运行时间逐步增加。由于第1~2 阶段SA 模式下平均太阳辐射和平均环境温度均低于S 模式,致使其平均Peva,SA约0.4 MPa,比S 模式低0.06 MPa。进入第3阶段,随环境温度的升高,Peva,SA开始高于Peva,S直至结束。对于Pcon,SA,第1~2 阶段均低于Pcon,S,进入第3 阶段,两者的差距才逐渐减少,最后均达到2.1 MPa。图9 为不同模式下压缩机(Ecom)和水箱温度(Ttk)的变化曲线。SA 模式下Ecom,SA从521 W 增长至862 W,平均685 W;S 模式下Ecom,S从511 W 增长至831 W,平均687 W;两种模式下压缩机平均功率基本相同。水箱从20℃加热至50℃的过程中,SA 模式和S 模式分别用时255 min 和270 min,前者可缩短加热时间约5.6%。图9 压缩机功率和水箱温度的变化曲线Fig.9 Variation curves of energy consumption and water tank temperature图10 总效率和COP的变化曲线Fig.10 Variation curves of overall efficiency and COP图10 为不同模式下综合性能效率(ηo)和COP变化曲线。由图可知,随运行时间的增加,ηo和COP呈下降的趋势。SA 模式下,COPSA在1.5~3.3 范围内波动,平均2.38;S 模式下,COPS在0.6~4.4 范围内波动,平均2.23。受环境温度和太阳辐射的综合作用,COPSA比COPS更加稳定,且提升超过6.7%。对于综合性能效率,绝大多数时间ηo,SA均高于ηo,S,平均分别为81.7%和56.7%,提高约25.0%。总体上看,测试期间平均太阳辐照处于较低水平,SA模式的综合性能优于S 模式,但是其第3 阶段存在散热情况,一定程度上降低了SA模式的综合性能。3 结 论将平板微热管阵列技术应用于光伏光热组件并改装为MHPA-PV/TE,进而研发得到新型DHSHP 系统。在平均太阳能辐照456~634 W/m2、平均环境温度9.1~10.6℃的工况下,对该系统在S 模式和SA 模式下的运行特性进行研究,得到结论如下。(1)受太阳辐射和环境温度影响,SA 模式下环境空气的作用包括放热和吸热两种功能,环境温度与背板温度的温差在-3.1~3.5℃之间波动,蒸发器进出风温差在-0.3~1.6℃之间波动。而S 模式下环境温度始终低于背板温度,温差最大达-5.4℃,环境空气中的热能未被充分利用。(2)SA 模式适合在低辐照条件下运行。在平均太阳辐照456 W/m2、环境温度10.6℃的条件下,SA模式下DHS-HP 系统热效率、总效率和COP 分别达56.7%、81.7%和2.38,比S模式提升20.3%、25.0%和6.7%。与SA 模式相比,S 模式更适合在高辐照条件下运行。(3)SA 模式在高辐照条件下虽然会造成系统的散热量增加,但是对系统发电性能却有一定促进作用。(4)DHS-HP系统运行中,当背板温度小于环境温度时启动双热源模式,当背板温度大于环境温度时启动太阳能供热模式,可以进一步提升系统的运行效果。符 号 说 明A——面积,m2COP——性能系数c——比热容,J/(kg·K)E——发电量,WG——太阳辐照,W/m2I——电流,Am——流量,kg/sP——压力,PaQ——热量,WT——温度,℃ΔT——温差,℃U——电压,Vη——效率下角标a——环境空气com——压缩机con——冷凝器e——电性能eva——蒸发器in——入口o——综合性能out——出口S——太阳能供热模式SA——太阳能和空气双热源供热模式th——热性能tk——贮热水箱w——水参考文献[1] Vaishak S, Purnanand V B. 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