光伏太陽能熱泵的理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、光伏電池的轉(zhuǎn)換效率隨著工作溫度的升高而下降，這常常會(huì)導(dǎo)致光伏電池在無冷卻的條件下效率較低。為了降低光伏電池的工作溫度，利用這部分熱量，并同時(shí)提高太陽能的利用率，對太陽能進(jìn)行光電、光熱綜合利用是一個(gè)很好的選擇。近年來這方面的研究在國內(nèi)外得以逐漸展開。 參閱相關(guān)文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)：光電/光熱綜合利用的研究主要有以下兩種方式：一種是利用水作為冷卻介質(zhì)，被加熱后用來作為生活用水，或者作為熱泵系統(tǒng)的輔助熱源；另一種是利用空氣作為冷卻介質(zhì)，加熱后

2、的空氣被導(dǎo)入到室內(nèi)給房間采暖或進(jìn)行其它形式的再利用。相關(guān)的研究表明：采取了上述冷卻措施后，光伏電池的效率得以明顯改善，同時(shí)太陽能的綜合利用率也得以顯著提高。 然而為了使水或空氣可以達(dá)到直接利用或雨利用的目的，常常希望冷卻介質(zhì)的能達(dá)到較高的溫度，這和提高光伏電池效率的方向是背道而馳的。為了從根本上解決這個(gè)問題，我們提出了一種新型的太陽能綜合利用方案：即把光伏集熱器和熱泵系統(tǒng)直接偶合起來，利用溫度較低的制冷劑帶走光伏集熱器的熱量，由

3、此可以達(dá)到很好的冷卻效果，并可以在熱泵的冷凝端輸出品質(zhì)提升后的熱量用于采暖或制取生活用熱水。這種系統(tǒng)被稱為光伏太陽能熱泵 (photovoitaic solar assisted heat pump, PV-SAHP)，對其進(jìn)行的相關(guān)研究表明該系統(tǒng)具有優(yōu)良的熱性能，并且光伏電池的轉(zhuǎn)換效率也得以顯著提高。 本文利用分布參數(shù)模型對光伏太陽能熱泵系統(tǒng)的核心部件—光伏蒸發(fā)器進(jìn)行了深入的數(shù)值研究，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)件了 PV-SAHP 系統(tǒng)模

4、型，研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)、太陽輻射強(qiáng)度、環(huán)境參數(shù)等因素的改變對光伏蒸發(fā)器和整個(gè)熱泵系統(tǒng)性能的影響。對光伏蒸發(fā)器的模擬采用了分布參數(shù)法，相對于集總參數(shù)法而言，這種方法具有更高的精度。它能夠給出光伏蒸發(fā)器各組件的溫度分布以及能量流動(dòng)特點(diǎn)，并同時(shí)給出光伏蒸發(fā)器的熱/電輸出等。 在上述理論模擬的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并搭建了光伏太陽能熱泵實(shí)驗(yàn)臺。并在合肥冬季的氣候條件下，進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。對實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對比分析，二者具有很高的一致性

5、，驗(yàn)證了所建模型具有較高的精度。研究結(jié)果表明光伏蒸發(fā)器的熱效率可以達(dá)到0.53～0.75：電效率可以達(dá)到0.124～0.135；綜合效率可達(dá)到0.64～0.87，與同類型的集熱器相比高出約 10％以上。光伏太陽能熱泵的COP最高達(dá)到8.4，平均COP為6.5。由此可見光伏太陽能熱泵具有非常優(yōu)越的性能。采用上述模型，本文還對光伏太陽能熱泵的變頻率工作特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。由于光伏太陽能熱泵是工作在寬幅變動(dòng)的太陽輻射和環(huán)境溫度下，因此必須