一种基于微热管阵列的太阳能PV/T热泵系统能效实验研究

2021-05-27陈红兵张晓坤王聪聪李思琦姚华宁龚雨桐

可再生能源 2021年5期

陈红兵，张晓坤，王聪聪，李思琦，姚华宁，龚雨桐

（北京建筑大学北京市供热供燃气通风及空调工程重点实验室，北京100044）

0 引言

提高PV/T装置的太阳能利用效率是太阳能光电光热综合利用领域的研究重点。要提高PV/T装置的太阳能利用效率，关键在于高效地管理和控制光伏板温度，将热量从光伏板上转移出去并加以利用。

随着热管技术的发展，其超高的导热性能受到广泛的关注，一些学者开始尝试将热管技术应用到PV/T装置中，以提高PV/T装置的太阳能利用效率。Gang P搭建了一种基于圆型热管的PV/T收集器，通过实验和模拟结果表明，该收集器的日平均热效率和电效率分别为41.9%和9.4%[1]。然而，传统热管的圆柱形状减小了光伏板与热管的接触面积，导致光伏板与热管之间的换热效率降低。为了进一步提高热管的传热性能，赵耀华发明了微热管阵列（MHPA）技术，实验结果表明MHPA形状平坦，易与传热表面结合，同时具有超强的导热性能[2]。基于MHPA技术，Hou L搭建了一种微热管阵列式太阳能PV/T热水系统，通过实验和模拟结果表明：全年，微热管阵列式PV/T（MHPA-PV/T）收集器的电效率稳定在13%左右，总效率为30%～50%；夏季，该收集器的热效率可达到40%以上；冬季，该收集器的热效率降低至20%以下[3]。此外，Hou L搭建的微热管阵列式太阳能PV/T热水系统中的MHPA-PV/T收集器与循环水系统之间采用了间接连接的连接方式，间接连接方式会增加整个系统的传热热阻，在一定程度上降低了MHPA-PV/T收集器的集能效率。陈红兵对相近实验条件下的微热管阵列式太阳能PV/T集热系统和圆型热管式太阳能PV/T集热系统进行对比分析，实验结果表明：与圆型热管式太阳能PV/T集热系统相比，微热管阵列式太阳能PV/T集热系统的日平均热效率提高了16.8%，日平均电效率提高了3.5%[4]。另外，有学者提出在PV/T装置中加装热泵，利用热泵的工作特性来提高PV/T装置的集能效率，保障和提升PV/T装置的供热品质。热泵与PV/T装置的结合方式分为间接式和直膨式。张露搭建了一套间接式太阳能PV/T热泵系统并测试了该系统的各项性能，分析结果表明：测试时间内，该系统的热效率为35%，电效率为15.0%，光电光热综合效率可达到74.4%；其中，相较于传统PV组件，该系统的电效率提高了11%[5]。Zhou J搭建了基于新型微通道的直膨式太阳能PV/T热泵系统，实验结果表明，实验运行条件下，新型PV/T微通道蒸发器模块的平均热效率、电效率和总效率分别为56.6%，15.4%，69.7%，该系统的平均COP为4.7[6]。加装热泵能够进一步提高PV/T装置的集能效率。其中，直膨式太阳能PV/T热泵系统的集能效率优于间接式，但直膨式太阳能PV/T热泵系统存在制冷剂易泄露和工质流动阻力高等问题，这些问题不容忽视。

利用MHPA技术和热泵技术，能够提升PV/T装置的太阳能利用效率。但目前还未有在PV/T装置中同时采用这两种技术的相关研究。为了进一步探究利用上述两种技术来提升PV/T装置的太阳能利用效率，本文在文献[7]，[8]的基础上，同时利用这两种技术搭建了基于微热管阵列的太阳能PV/T热泵系统（以下简称为微热管阵列式PV/T热泵系统），并对该系统进行了实验研究。

1 实验装置

本实验中微热管阵列式PV/T热泵系统主要由MHPA-PV/T收集器、热泵蒸发侧循环水系统、热泵系统、恒温水浴锅、光伏发电系统和管路附件组成。其中，MHPA-PV/T收集器与热泵蒸发侧循环水系统之间采用直接连接方式进行连接；PV/T集热系统与热泵系统之间采用间接连接方式进行连接；热泵系统为恒温水浴供热，用于模拟恒温供热需求的情况；光伏发电系统通过光伏逆控一体机将产生的电能收集到蓄电池中。

微热管阵列式PV/T热泵系统的结构见图1。

图1 微热管阵列式PV/T热泵系统结构示意图Fig.1 The schematicdiagram of the structure of the Micro heat pipe array PV/T heat pump system

1.1 MHPA-PV/T收集器

MHPA是由多个铝合金微热管制成的新型导热组件。相比于传统热管，MHPA具有以下优势：①传热能力较高，微槽增加了热管的传热面积，并增加了蒸发部分和冷凝部分中的薄液膜的数量；②可靠性较高，各微热管独立工作，互不影响；③接触热阻较小，形状平坦，易与传热表面结合[4]。

图2为MHPA实物图和横截面示意图。

图2 MHPA实物图和横截面示意图Fig.2 The physicalmap and schematic cross-section ofMHPA

MHPA-PV/T收集器由光伏板、MHPA、保温材料和联箱等部分构成。其中，光伏板采用英利能源有限公司的YL200P-35b型多晶硅电池板，最大功率为200W，光伏电池覆盖率为95%；以上述光伏板为基板，利用导热硅胶将热管的蒸发段粘接在光伏背板上，热管冷凝端插入联箱，与流经联箱的循环水直接接触，其中热管数量为10个，热管间间距为75mm；最后在MHPA-PV/T收集器的背面和联箱的周围利用保温材料进行封装，以提升该收集器的保温性能。

MHPA-PV/T收集器的实物图和横截面示意图如图3所示。

图3 MHPA-PV/T收集器的实物图和截面示意图Fig.3 The physicalmap and schematic cross-section of MHPA-PV/T collector

MHPA-PV/T收集器各组成部分的型号尺寸如表1所示。

表1 MHPA-PV/T收集器各组成部分的型号与尺寸Table 1 Themodel and size of each componentof MHPA-PV/T collector

1.2 热泵系统

热泵系统的蒸发器和冷凝器均为板式换热器。热泵蒸发端与MHPA-PV/T收集器相连接，热泵冷凝端与恒温水浴锅相连接；热泵压缩机为丹弗斯SC10G型压缩机；毛细管的长度为1.6m，内径为1mm；制冷剂为R134a型制冷剂。热泵系统实物图如图4所示。恒温水浴锅用于模拟恒温供热，设定温度为45±0.5℃。

图4 热泵系统实物图Fig.4 The physicalmap of heat pump system

1.3 蓄电系统

蓄电系统主要由光伏逆变控制器和蓄电池组成。光伏逆变控制器能够实现交、直流电逆变转换，并将光伏电能储存于蓄电池中。光伏逆变控制器的型号为AT12220S，标准工况下其输入直流电压为12 V，输出交流电压为220 V，输出频率为50Hz。蓄电池由2块密封式铅酸蓄电池（12 V，100 A·h）串联而成。

2 评价指标与测试内容

2.1 评价指标

本文主要从热、电性能和热泵COP这3个方面对微热管阵列式PV/T热泵系统进行评价。因此，选取的评价指标有热功率、热效率、电功率、电效率、光电光热综合效率和COP等。

微热管阵列式PV/T热泵系统热功率Qth和热效率ηth的表达式分别为

式中：cw为循环水的比热容，J/（kg·℃）；mw为循环水的质量流量，kg/s；Tw，o，Tw，i分别为PV/T收集器的出口温度和进口温度，℃；G为太阳辐射强度，W/m2；APV/T为PV/T收集器的面积，m2。

微热管阵列式PV/T热泵系统电功率Qe和电效率ηe的表达式分别为

式中：U为光伏输出电压，V；I为光伏输出电流，A；APV为光伏电池的净面积，m2。

由于光伏板的电池覆盖率为95%，因此，APV=0.95APV/T。

PV/T收集器可以同时收集电能和热能，但由于热能和电能的品位不同，因此须通过计算公式将其电效率进行转化，从而获得PV/T收集器在同一能源品位（热能）基础上的光电光热综合效率。光电光热综合效率η0的计算式为[9]

式中：ζ为常规火力发电厂的发电效率，为0.38。

热泵的性能系数COP的表达式为

式中：Qcon为热泵系统的冷凝换热量，W；Ncom为热泵压缩机功率，W。

2.2 测量内容

测量内容主要根据评价指标的需求来确定，测量内容包括微热管阵列式PV/T热泵系统的温度、电压、电流、功率，以及室外温度和太阳辐射强度。微热管阵列式PV/T热泵系统中各测量点位置如图5所示。

图5 微热管阵列式PV/T热泵系统中各测量点位置Fig.5 Eachmeasurement point in themicro heat pipe array PV/T heat pump system

本文采用铂电阻温度传感器测量温度，该传感器的设备型号为WZP-01，测量精度为A级。采用太阳能辐射传感器测量太阳辐射强度，该传感器的设备型号为TBQ-2B，测量精度为2.0%。采用电磁流量计测量循环工质的流量，该流量计的设备型号为SE115MM，测量精度为0.5%。采用直流电流传感器测量光伏板的输出电流，该传感器的设备型号为WBI1022F21，测量精度为1.0%。采用直流电压传感器测量光伏板的输出电压，该传感器的设备型号为WBV342U01-S，测量精度为0.2%。采用功率传感器（有用功率）测量热泵压缩机的功率，该传感器的设备型号为WBP112S41，测量精度为0.5%。以上所有传感器的数据均通过Agilent34972A型数据采集仪进行采集和记录。

3 实验结果与误差分析

3.1 实验测试结果

微热管阵列式PV/T热泵系统的试验台搭建于北京建筑大学实验二号楼的楼顶，微热管阵列式PV/T热泵系统中的MHPA-PV/T收集器的安装倾角为30°，热泵蒸发侧循环水系统与冷凝侧循环水系统的循环水流量均为6 L/min，测试时间为2019年6月1号9：00-16：00，数据采集时间间隔为10min。测试时间段内室外温度和太阳辐射强度随时间的变化情况如图6所示。

图6 测试时间段内室外温度和太阳辐射强度随时间的变化情况Fig.6 The variation ofoutdoor temperature and solar radiation intensity with time during the test period

由图6可知，测试时间段内，室外温度的最大值和平均值分别为36.6℃和30.9℃；太阳辐射强度的最大值和平均值分别为978W/m2和829 W/m2。

微热管阵列式PV/T热泵系统的热量传递过程如下：①光伏板收集的热量通过热管传递给流经联箱的循环水；②循环水携带热量流至热泵蒸发侧换热器，并将热量传递给热泵蒸发端；③热泵系统将热泵蒸发端的热量传递至热泵冷凝端；④热泵冷凝端向恒温水浴锅进行放热。其中光伏板、热泵蒸发端和热泵冷凝端是影响微热管阵列式PV/T热泵系统换热过程的主要换热节点。

图7为测试时间段内微热管阵列式PV/T热泵系统主要换热节点温度随时间的变化情况。

图7 测试时间段内微热管阵列式PV/T热泵系统主要换热节点温度随时间的变化情况Fig.7 The temperature variation ofmain heatexchange nodes ofMHPA-PV/T heat pump system with time during the test period

由图7可知，热泵冷凝端冷凝温度在测试时间段内基本无变化，平均冷凝温度为44.8℃，这是由于热泵冷凝端与恒温水浴锅相连，而恒温水浴锅的温度始终保持稳定所导致的。MHPA-PV/T收集器表面温度和热泵蒸发端温度均呈现先上升后下降的趋势，该变化趋势与太阳辐射强度的相同，这是由于影响MHPA-PV/T收集器表面温度的最主要因素为太阳辐射强度。由于MHPA-PV/T收集器本身具有一定的蓄热性，因此，热泵蒸发端温度变化滞后于MHPA-PV/T收集器表面。由图7还可以看出，MHPA-PV/T收集器表面温度与热泵蒸发端温度相差较大，这是由于手工制作的MHPA-PV/T收集器在保温和粘接等工艺存在瑕疵，导致MHPA-PV/T收集器换热效果较差。

图8为测试时间段内MHPA-PV/T收集器热功率和热效率随时间的变化情况。

由图8可知，测试时间段内，MHPA-PV/T收集器热功率的平均值为444.8W，MHPA-PV/T收集器热功率的变化趋势为9：00-11：30时间段缓慢上升、12：30-16：00时间段快速下降，在11：30-12：30达到最大值。这是由于MHPA-PV/T收集器热功率的大小主要取决于该集热器与热泵蒸发端之间的换热效果，因此，MHPA-PV/T收集器热功率的变化规律与MHPA-PV/T收集器和热泵蒸发端之间温差的变化规律相似（MHPA-PV/T收集器和热泵蒸发端的温度变化见图7）。由图8还可以看出，测试时间段内，MHPA-PV/T收集器的热效率呈现逐渐减小的变化趋势，平均热效率为38.7%。这是由于在9：00-12：30，MHPA-PV/T收集器热功率的增幅小于太阳辐射强度，在12：30-16：00，MHPA-PV/T收集器热功率的降幅大于太阳辐射强度导致的。

图8 测试时间段内MHPA-PV/T收集器热功率和热效率随时间的变化情况Fig.8 The variation of thermal power and thermal efficiency of MHPA-PV/T collectorwith time during the test period

图9为测试时间段内热泵压缩机功率、冷凝换热功率和COP随时间的变化情况。

图9 测试时间段内热泵压缩机功率、冷凝换热功率和COP随时间的变化情况Fig.9 The variation of compressor power，condensation power and COP of heat pump with time during the test period

由图9可知，测试时间段内，热泵冷凝换热功率和热泵COP均呈上升趋势，热泵压缩机功率基本保持不变。热泵冷凝换热功率和热泵COP呈现上升趋势是由于热泵压缩机功率和热泵冷凝温度基本保持稳定，但热泵蒸发温度整体呈上升趋势所导致的。热泵压缩机的平均功率为478.8W；热泵冷凝换热功率的最大值和平均值分别为1 409.4W和1 313W；热泵COP的最大值和平均值分别为2.9和2.7。导致热泵COP较小的原因有两个：①热泵设备老化（使用时间超过4 a）；②热泵选型偏大，即热泵的额定制冷量远高于MHPA-PV/T收集器的热功率。

为体现微热管阵列式PV/T热泵系统与PV系统的电性能差异，本文搭建了一组PV系统，PV系统中的光伏板与MHPA-PV/T收集器中的光伏板相同。

测试时间段内，微热管阵列式PV/T热泵系统和PV系统中，光伏板的温度随时间的变化情况如图10所示。

图10 测试时间段内，微热管阵列式PV/T热泵系统和PV系统中，光伏板的温度随时间的变化情况Fig.10 The variation of photovoltaic panel temperature of micro heat pipe array PV/T heat pump system and PV system with time during the test period

由图10可知，微热管阵列式PV/T热泵系统中光伏板的温度低于PV系统。PV系统和微热管阵列式PV/T热泵系统的光伏板的最高温度分别为56.2℃和33.9℃，平均温度分别为50.2℃和31.5℃，平均温度的差值为18.7℃。

测试时间段内，微热管阵列式PV/T热泵系统和PV系统的电功率、电效率随时间的变化情况如图11所示。

图11 测试时间段内微热管阵列式PV/T热泵系统和PV系统的电功率、电效率随时间的变化情况Fig.11 The variation of electric power and efficiency of PV/T systemmicro heat pipe array PV/T heat pump system and PV system with time during the test period

由图11可知，测试时间段内，PV系统的平均电功率和平均电效率分别为91.6W和9.4%。微热管阵列式PV/T热泵系统的平均电功率和平均电效率分别为118.5W和12.0%，与PV系统相比分别提高了29.4%和27.7%，这是由于微热管阵列式PV/T热泵系统对光伏板温度的有效控制使得微热管阵列式PV/T热泵系统的电效率和电功率高于PV系统。由图11还可以看出，2个系统的电功率均呈现先上升后下降的变化趋势，该变化趋势与太阳辐射强度的相同，这是由于太阳辐射强度是影响光伏板发电功率的最主要因素。在15：30之后，由于微热管阵列式PV/T热泵系统的保温和循环水温度升高的作用，使得光伏板的散热减弱，导致微热管阵列式PV/T热泵系统的电效率和电功率略低于PV系统。

根据式（5）计算得到微热管阵列式PV/T热泵系统在测试时间段内的光电光热综合平均效率为70.3%。