不同地区太阳能PVT热泵系统仿真模拟与运行性能分析

2023-11-21陆王琳陆启亮鲍佳麒刘文杰代彦军

动力工程学报 2023年11期

陆王琳, 陈培, 陆启亮, 鲍佳麒, 刘文杰, 代彦军

(1．上海发电设备成套设计研究院有限责任公司,上海 200240; 2．上海交通大学机械与动力工程学院, 太阳能发电与制冷教育部工程研究中心,上海 200240)

近几十年来,全球能源消耗量和温室气体排放量快速上升,能源短缺和气候变暖问题日渐严重[1]。其中,建筑领域的能源消耗量占全球能源消耗总量的40%,其温室气体排放量也占全球温室气体排放总量的30%以上[2],预计在未来几十年内还将保持上升趋势[3-4]。因此,大力推动可再生能源技术在建筑领域的应用被认为是应对全球能源危机和气候问题的重要途径。

太阳能光伏发电技术和太阳能光热技术被应用于建筑领域。由于光伏技术的快速发展,太阳能光伏发电技术(如建筑接触式光伏(BAPV)[5]、建筑一体化光伏(BIPV)[6])的成本下降,发电效率得到提高,因而在建筑领域得到快速推广。太阳能光热技术(如平板集热器[7]、真空管集热器[8])在供暖和生活热水领域已经得到广泛应用,被认为是高效廉价的技术途径。然而,上述2种太阳能利用技术均只能以一种形式对太阳能进行利用,太阳能综合利用率不高。此外,对于光伏组件,未被利用的太阳能会转化为工作废热,使得组件温度上升,在温度效应下组件发电效率下降[9],其使用寿命受到影响。

太阳能光伏光热(PVT)技术[10]是将换热结构与光伏组件相耦合,通过集热介质(空气[11]、水[12]、纳米流体[13]、热泵工质[14]等)带走光伏组件的工作废热,在实现太阳能热电联产、提高太阳能综合利用效率的同时,也提高了光伏组件的发电效率。其中,直膨式太阳能PVT热泵技术是将PVT技术与热泵相结合,可有效提高集热效率和热能输出品位[15]。李冠群[16]对基于微通道吹胀式组件的直膨式PVT热泵进行了性能仿真,结果表明,系统全年平均集热效率可达71%,全年平均性能系数(COP)可达3.0。Zhou等[17]研究了基于微通道组件的直膨式PVT热泵系统,系统发电效率和集热效率分别可达15.4%和56.6%,平均COP为4.7%。Shao等[18]将直膨式PVT组件作为建筑屋顶,并将其与热泵系统相结合,系统的电效率为11.23%,在夏季时,其最大集热效率可达120%,最大COP为6.0。Lu 等[19]研究了一种带补气增焓的直膨式PVT热泵热水系统在冬季的运行性能,当供水温度为50 ℃时,系统在多云的冬季工况下COP为2.59。Yao 等[20]对一种带补气增焓的直膨式PVT热泵系统进行了仿真,结果表明,当环境温度为-10 ℃、辐照强度为500 W/m2时,系统COP可达4.0。此外,Yao 等[15]搭建了直膨式太阳能PVT热泵系统实验台架,对系统的运行性能进行了分析,并证明了其减碳潜力。

目前,对于直膨式太阳能PVT技术及热泵系统的研究多集中于组件优化[21]以及系统在一定环境条件下的运行性能。针对环境条件的时空差异性对运行性能的影响研究较为缺乏。为充分体现直膨式PVT热泵系统的运行性能优势,以进一步推广其应用,有必要对系统在不同地区和环境条件下的运行性能及其波动进行探究。

笔者通过建立直膨式太阳能PVT热泵系统的仿真模型,结合不同地区的环境条件,分析了系统在不同地区供暖季内的运行性能,包括热力性能、集热性能和发电性能,以更好地体现环境条件的时空差异性对系统运行的影响。

1 太阳能PVT热泵系统

直膨式太阳能PVT热泵系统如图1所示。该系统由光伏发电模块和热力循环模块组成。其中,通过光伏逆变一体机,光伏发电模块可将光伏组件产生的直流电存储至蓄电池,也可将其转化为交流电输出至电网,或用于驱动热力循环模块中的压缩机。

图1 直膨式PVT热泵系统示意图Fig.1 Schematic diagram of direct-expansion PVT heat pump system

热力循环模块由PVT集热/蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀组成。其中,由光伏组件和吹胀式集热背板组成的PVT集热/蒸发器是该系统的核心部件。在系统工作过程中,热泵工质(R134a、R410A等)流经PVT集热/蒸发器的集热背板,带走光伏组件发电时产生的工作废热,可达到降低组件温度、提高组件发电效率的效果。热泵工质吸收热量后蒸发形成蒸汽,过热蒸汽经压缩机增压提温为高温高压气体,经压缩机出口排出进入冷凝器释放热量,用以供热。冷凝后的热泵工质继续流经膨胀阀进行节流后,流入PVT集热蒸发器,完成完整的热力循环。

在辐照条件良好的条件下,由于入射太阳辐照效应,直膨式PVT热泵系统的蒸发温度可以得到有效提高,相应地,其热力性能相比于传统空气源热泵具有显著优势。

2 数学模型及实验验证

2.1 数学模型

图2给出了直膨式PVT热泵系统的热力学模型。其中,I为组件正面入射太阳辐照强度;Ir为背部散射辐射强度;Qe为组件发电功率;Qc为冷凝功率;Wele为压缩机输入功率;T为温度;h为比焓;p为压强;下标ei、eo分别表示集热/蒸发器进口和出口,ci和co分别表示冷凝器进口和出口,e和c分别表示蒸发器和冷凝器。

图2 直膨式PVT热泵系统热力学模型Fig.2 Thermodynamics model of direct-expansion PVT heat pump system

2.1.1 PVT/蒸发集热器

PVT集热/蒸发器的结构和物理模型见图3。其中,hcv、hrd分别为对流与辐射传热系数,Qth为热泵工质的得热功率,Ib为背部散射辐射。

图3 PVT集热/蒸发器结构和物理模型Fig.3 Structure and physical model of PVT collector/evaporator

组件工作时产生的废热Qabs为:

Qabs=A[τgαpI(1-ηe)+αbIb]

(1)

式中:A为集热/蒸发器面积,m2;τg为PV面盖玻璃透射率;αp为PV电池吸收率;αb为集热/蒸发器下表面吸收率;ηe为PV发电效率。

光伏发电效率ηe与组件温度存在负相关关系。

ηe=ηrc[1-βPV(Tp-Trc)]

(2)

式中:ηrc为组件在参考温度Trc(25 ℃)下的发电功率;Tp为PV组件温度,℃;βPV为PV组件的温度系数,K-1。

PVT集热/蒸发器向环境的热损失QL为:

QL=ULA(Tp-Ta)

(3)

(4)

式中:UL为总热损系数,W/(m2·K);Rg、REVA和Rr分别为玻璃面盖、EVA胶膜和集热背板的热阻,m2·K/W;Ta为环境温度,℃。

热泵工质的得热功率Qth即为系统的蒸发功率,需满足以下关系:

Qth=Qabs-QL

(5)

此外,热泵工质的得热功率还需满足以下关系:

Qth=F′[Qabs-AUL(Tw-Ta)]

(6)

式中:Tw为流体平均温度,℃;F′为集热/蒸发器的无量纲效率因子,与集热背板的流道结构、组件的总热损系数、集热背板的导热系数和流道内对流传热系数有关[22]。

2.1.2 压缩机

流经压缩机的热泵工质质量流量qm为:

qm=λqV,th/νsuc

(7)

式中:λ为压缩机容积效率,其受压缩机压比影响;qV,th为压缩机理论输气体积流量,m3/h;νsuc为压缩机吸气比容,m3/kg。

压缩机功率We为:

We=qm(hci-heo)/ηele

(8)

式中:ηele为压缩机电效率[23]。

压缩机出口焓,即冷凝器入口焓满足以下关系:

hci=heo+(hcs-heo)/ηex

(9)

式中:hcs为压缩机等熵压缩后的焓,kJ/kg;ηex为压缩机的等熵效率。

2.1.3 冷凝器与膨胀阀

冷凝功率Qc为:

Qc=qm(hci-hco)

(10)

流经膨胀阀前后,工质的焓满足如下关系:

hco=hei

(11)

2.2 系统评价指标

为评价系统的运行性能,以系统的蒸发温度、性能系数、单板得热功率、得热效率和发电增益作为评价指标,分别对系统的热力性能、集热性能和发电性能进行评价。

性能系数CCOP为:

CCOP=Qc/We

(12)

发电增益B为:

(13)

式中:PPVT为直膨式太阳能PVT热泵的发电量,kW·h;PPV为外界条件一致的条件下,光伏系统的发电量,kW·h。

得热效率ηth为:

ηth=Qth/I

(14)

2.3 模型验证

基于上述理论模型建立了PVT热泵系统的仿真模型。图4对比了实验与仿真得到的系统瞬时COP和压缩机功耗,以验证模型的可靠性。相比于实验结果,仿真所得的系统瞬时COP平均误差为2.1%,压缩机功耗的最大瞬时误差为3.9%。这表明仿真模型具有可靠性。实验系统的配置见表1。

表1 PVT热泵系统实验配置

3 结果与分析

针对太阳能PVT热泵供暖系统在不同地区(北京、拉萨、兰州)的日间运行性能进行仿真。采暖季为每年11月1日至次年2月28日,共4个月;系统运行时间为每日9:00—17:00,共8 h。选取5个冷凝温度来研究具有不同供暖末端(地板采暖、风机盘管、暖气片)的PVT热泵供暖系统的运行性能。表2给出了太阳能PVT热泵系统仿真模拟的相关参数。

表2 太阳能PVT热泵系统的相关参数

图5为不同地区采暖季PVT热泵系统日均蒸发温度的波动情况。由于入射太阳辐照效应,在辐照条件良好的条件下,系统日均蒸发温度可接近甚至超过当地日间平均环温。当冷凝温度为50 ℃时,位于北京和兰州的PVT热泵系统的供暖季平均蒸发温度分别为1.9 ℃和-0.9 ℃,接近于供暖季平均日间环温(2.4 ℃和0.8 ℃)。由于拉萨的PVT热泵系统平均辐照强度较大,其供暖季平均蒸发温度为11.6 ℃,高于其供暖季日间平均环温(5.7 ℃)。相比于空气源热泵系统,PVT热泵系统的蒸发温度得到有效提高,预计系统的热力学性能将得到显著改善。

图5 不同地区采暖季PVT热泵日均蒸发温度

图6为各地区采暖季不同冷凝温度水平下PVT热泵系统日均COP的变化情况。在冷凝温度为50 ℃的条件下,北京、拉萨、兰州的PVT热泵系统在采暖季的平均COP分别为3.67、5.01和3.41。PVT热泵供暖系统在拉萨具有较为显著的性能优势,较北京和兰州分别提升了36.5%和44.4%,说明系统运行性能对辐照强度的变化较为敏感,平均辐照强度的增大可显著提高PVT热泵系统的热力性能。表3给出了各地区PVT热泵供暖系统在不同冷凝温度下的采暖季平均COP以及最冷月的平均COP。在不同冷凝温度下,相比北京和兰州地区,系统在拉萨的COP分别提升40%和50%左右。

图6 不同地区采暖季PVT热泵的日均COP

表3 不同地区PVT热泵采暖季平均COP以及最冷月平均COP

图7为各地区采暖季不同冷凝温度下PVT热泵系统日均单板得热功率的波动情况。随着冷凝温度的升高,不同城市的PVT热泵系统日均单板得热功率均有所下降。当冷凝温度从40 ℃增至60 ℃时,北京、拉萨、兰州的PVT热泵系统的采暖季平均单板得热功率分别下降13.3%、9.3%和12.0%。表4给出了各地区PVT热泵采暖季平均单板得热功率和得热因子在不同冷凝温度下的情况。虽然随着冷凝温度的升高,PVT集热/蒸发器的得热性能有所下降,但均达到50%,较之太阳能平板集热器的得热功率有所提升,说明该集热/蒸发器具有较为良好的集热性能。

图7 不同地区采暖季PVT热泵日均单板得热功率

表4 不同地区PVT热泵采暖季平均单板得热功率/得热因子

图8为各地区不同冷凝温度下采暖季PVT热泵系统组件日平均温度的波动情况。在冷凝温度为50 ℃的条件下,北京、兰州的PVT热泵供暖系统在供暖季的日间平均组件温度分别为5.3 ℃和2.4℃,略高于其供暖季平均日间环温(2.4 ℃和0.8 ℃)。随着冷凝温度的提高,不同地区PVT热泵系统的组件温度均有一定提升。以安装在拉萨地区的PVT热泵系统为例,随着冷凝温度由40 ℃提升至60 ℃,其供暖季日间平均组件温度由15.7 ℃上升至18.6 ℃。

图8 不同地区采暖季PVT热泵的日均组件温度

表5给出了在不同冷凝温度下各地区PVT热泵采暖系统采暖季平均发电效率和发电增益的情况。由于组件温度上升,随着冷凝温度升高,不同地区PVT热泵系统的发电效率均有所下降。随着冷凝温度由40 ℃提升至60 ℃,北京、拉萨、兰州PVT热泵系统的发电增益分别下降0.96%、1.41%和1.18%。在各冷凝温度下,PVT热泵系统的发电增益均在4%以上。