光伏太阳能热泵系统课程设计

光伏太阳能热泵系统

摘要：近些年一种全新的PV-SAHP系统对太阳能光伏发电系统中电池板过热问题提出解决方案，它利用光伏发电——热泵热水器联合系统对电池板进行冷却，同时对热泵工质进行加热，以期望同时提高光电转化效率和热泵能效比。，

关键词：光伏太阳能热泵系统、光伏发电、热泵热水器、效率

1.引言

几十年来能源问题越来越突出，已经成为困扰全人类的一大难题。而太阳能可再生、无污染、储量巨大，是公认的理想能源。因此关于太阳能利用的研究一直在进行，而近些年这个问题的热度也不断提升。如今，太阳能利用已初具规模，太阳能热水器已经十分普及，太阳能光伏发电也向着高效率，低成本的方向发展。

本文首先阐述太阳能光伏发电、空气源热泵热水器和太阳能热泵的研究和发展情况，提出系统中存在的问题和解决方案。在第三部分中介绍光伏发电——热泵热水器联合系统的工作原理。通过对系统的效率、?损失、经济效益等方面进行对比分析我们可以明显看到联合系统的优势。

2.太阳能光伏发电、热泵热水器的发展

2.1太阳能光伏发电

1893年，法国科学家贝克雷尔（Becqurel）发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏特效应”，简称“光伏效应”。

1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。

20世纪70年代以来，现代工业快速发展，能源问题逐渐暴露。于是，人们将目光投向了可再生能源。太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦时，人类如果能将其中的万分之一转化为电能，每年的发电量将会是地球能耗的几十倍。于是，上世纪80年代以来，太阳能电池种类逐渐增多，市场日益扩大。20世纪90年代后，光伏发电快速发展。到2006年，世界上已经建成了10多座兆瓦级光伏发电系统，6个兆瓦级的联网光伏电站。

根据《2013-2017年中国光伏发电产业市场前瞻与投资战略规划分析报告》【2】调查数据显示，2011年，全球光伏新增装机容量约为27.5GW，较上年的18.1GW 相比，涨幅高达52%，全球累计安装量超过67GW。全球近28GW的总装机量中，有将近20GW的系统安装于欧洲，但增速相对放缓，其中意大利和德国市场占全球装机增长量的55%，分别为7.6GW和7.5GW。2011年以中日印为代表的亚太地区光伏产业市场需求同比增长129%，其装机量分别为2.2GW，1.1GW和350MW。此外，在日趋成熟的北美市场，去年新增安装量约2.1GW，增幅高达84%。

其中中国是全球光伏发电安装量增长最快的国家，2011年的光伏发电安装量比2010年增长了约5倍，2011年电池产量达到20GW，约占全球的65%。截至2011年底，中国共有电池企业约115家，总产能为36.5GW左右。

如果光伏发电成本过高问题能够得到解决，太阳能发电产业会有无穷的潜力，这对于缓解能源危机也有重大意义。

2.2热泵热水器

十九世纪早期法国科学家萨迪·卡诺（SadiKarnot）在 1824年首次以论文提出“卡诺循环”理论，这成为热泵技术的起源。1852年英国科学家开尔文（L.Kelvin）提出，冷冻装置用于加热，将逆卡诺循环用于加热的热泵设想。

1912年瑞士的苏黎世成功安装一套以河水作为低位热源的热泵设备用于供暖，这是早期的水源热泵系统，也是世界上第一套热泵系统。热泵工业在20世纪40年代到50年代早期得到迅速发展，家用热泵和工业建筑用的热泵开始进入市场，热泵进入了早期发展阶段。

同太阳能光伏发电系统一样，热泵在上世纪70年代也迎来了发展的黄金时期。热泵新技术层出不穷，热泵的用途也在不断的开拓，广泛应用于空调和工业领域，在能源的节约和环境保护方面起着重大的作用。

如今市场上最常见的是空气源热泵热水器。顾名思义，空气源热水器即吸收空气中的热量进行加热的装置。相比于直接使用电加热，空气源热泵在一般情况下可以把能耗降低到1/4【3】。由于它耗电少，与太阳能热水器相比受天气影响较小，有着独特的优势。

2.3太阳能热泵系统

太阳能热泵系统是指以太阳能为热源的热泵系统。太阳能热泵系统克服了普通风冷热泵系统在高纬度地区的冬季容易因结霜导致系统效率偏低甚至无法运行的缺陷,而且提高了系统的蒸发温度,改善了系统的性能。SAHP系统主要分为两种类型:(1)间接式太阳能热泵系统太阳能集热系统和热泵循环各自独立,两者通过换热器实现能量交换;(2)直膨式太阳能热泵系统,把太阳能集热器和热泵蒸发器结合成一体,热泵工质在太阳能集热器中流动,直接吸收投射到集热器表面的太阳能【4】。

2.4光伏太阳能热泵（PV-SAHP）系统及研究现状

太阳能光伏发电效率随电池板温度升高而降低。当电池板温度较高时，有必要进行降温。单一的降温方法消耗电能，收益很少甚至得不偿失，实际生产和生活中极少进行降温。而且传统降温方法使得电池板上的热量白白流走。

同时，热泵热水器的COP值随环境温度升高而升高。如果把光伏电池板作为热泵热水器的热源，使得光伏电池板的温度保持在较低水平。这样不但能给电池板降温，保证发电效率，而且还提高了热泵热水器的能效比。光伏电池板便成为集热、发电一体的光伏蒸发器。

光伏光热综合利用的概念首先是由Kern和Rusell【5】提出的，之后针对类似PV/T系统有大量的研究。近年来，中国科学技术大学提出将光伏电池和直膨式太阳能热泵相结合，构成PV-SAHP系统。刘可亮【6】对PV-SAHP系统进行了理论建模和实验测量两方面的研究。何汉峰【4】根据天气状况的变化，对该系统进行了动态参数的分析，并考量了该系统的经济性。裴刚【7】通过改变系统的各个参数，研究了PV-SAHP系统的性能变化。

3.PV-SAHP系统原理

3.1热泵热水器循环

热泵热水器循环示意图如下：

图3.1 空气源热泵原理

制冷工质在蒸发器中吸热汽化，之后进入压缩机进行绝热压缩，压力和温度增大，进入水箱中冷凝放热从而给水加热。通过绝热节流过程后，温度和压力降低，再次进入蒸发器循环。

对于热泵循环（如图3.2）的分析，需要确定蒸发温度和冷凝温度，即T3和T1。理想状态下，T3即为热水的温度，T1为环境温度。实际上无法做到，工质与冷热源的温度不可能相同，需要保留5℃的传热温差。

当工质吸热温度和放热温度已知时，查表可得出3~4过程和5~1过程的压力以及各点的焓值。评估热泵性能使用能效比【1】

(COP)H=

Q(供热量）

W（压缩机耗功）

（3.1）

在图3.2的制冷循环中，供热量q1=?2??4

压缩机耗功w=?2??1

(COP)H=?2??4

21

（3.2）

当进行过冷处理后，

(COP)H=?2??

4′

21

（3.3）

3.2光伏蒸发器

光伏蒸发器是光伏太阳能热泵的核心部件，是在太阳能电池的基础上，整合

热泵的蒸发器部分，通过制冷工质的流动带走板上的热量。 3.2.1光伏电池【8】

光伏电池利用的是光生伏打效应。太阳光照在半导体p-n 结上，形成新的空穴--电子对。在电场的作用下形成电流。目前地面光伏系统大量使用的是以硅为基底的硅太阳能电池，可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池。

本文以单晶硅电池作为研究对象。电池的覆盖材料为双层真空玻璃,并加盖

泡沫玻璃作为热绝缘材料。光伏电池净接收的太阳能可以用下式表示

q p =I(1?γc )τc αp (3.4)

式中： I ——照射到电池板上的辐射强度(W/m 2) γc ——覆盖层反射率 τc ——覆盖层透射率

αp ——电池吸收太阳能的比例

入射的太阳能一部分直接转化为电能，发电量为

q e =ηp q p (3.5)

式中ηp 光伏电池的光电转换效率。研究表明ηp 随着温度的升高而降低，满足

关系式

ηp =ηrc [1?βp t p ?t rc ]

(3.6)

图3.2 热泵循环的温熵图和压焓图

其中

ηrc——光伏电池在温度t rc下的标准效率

βp——光伏效率的温度系数（℃?1）

计算中各参数采用的值见于下表

3.2.2散热量分析

在没有制冷装置的情况下，经过简化后，电池板散热量的公式可以写成

Q l=U l(t p?t a）（3.7）其中

t p——光伏电池温度

t a——环境温度

U l——热损失系数，由以下三项组成

U l=U iso+?rad+?out（3.8）式中

U iso——热绝缘材料的导热损失系数

?rad——线性化的热辐射损失系数

?out——外部空气对流热损失系数

这三个系数可由以下方法导出

?out=2.08+3.0u w (3.9) 式中u w表示风速。

U iso=(δiso

k iso

+

1

?out

)?1

(3.10)

其中δiso、k iso分别表示热绝缘层的厚度和导热系数。

?rad取文献中的计算值。

该部分计算需要的值见下表。

3.3光伏太阳能热泵系统

系统原理图如下：

图3.3 光伏太阳能热泵系统

根据3.1和3.2的推导，光伏蒸发器的热平衡方程如下

q p?q e?q l=q2(3.11) q2表示热泵蒸发器的制冷功率。本文中，选取热泵工质为R134a。如果冷凝端温度不变，过冷温度保持5℃，?2、?4′和?1完全由t P确定。此时热泵的各个参数值是t p的一元函数。

4.理想状态下系统参数分析

根据式3.11可以知道，在太阳辐射、热泵取热，电池板自身散热的共同作用下，光伏蒸发器最终会稳定在某个温度，该温度实际上取决于热泵蒸发器的制冷功率。在本段的分析中，取光伏蒸发器最终的稳定温度t P为自变量，分析系统

的各个参数。这些分析都基于如下假设：

1.光伏蒸发器的面积为1m2。

2.冷凝器端工质温度为65℃，用以加热60℃的淋浴用热水。环境温度为25℃。

3.在管道中流动的过程没有压力损失。

4.压缩机中进行的是严格的可逆定熵的压缩过程。

分析中使用了Solkane6.0软件。该软件在指定工质种类和循环主要参数之后，可以计算出循环中各个点的参数和系统的制冷功率、制热功率、压缩机功率和能效比。

图4.1 Solkane6.0软件界面

4.1 COP H

图4.2COP H随t p变化规律

与卡诺逆循环相同，光伏蒸发器温度越高，即越接近热端温度，系统能效比越高。

4.2光伏电池发电功率与系统净发电功率

图4.3q e(w)随t p变化规律

该关系由式3.6直接得出，是一线性负相关关系。

净发电量q e,net的计算公式为

q e,net=q e?w c (4.1) 式中w c表示压缩机耗功。

经过处理，关系图如下:

图4.4q e,net (w)随t p变化规律

可以看到，随着温度的升高，净发电量是增加的，这与电池功率的变化恰好相反。原因在于，随着电池温度t p上升，光伏电池的输出功率确实会下降，但热泵节省电能的效应更为明显

4.3 制热量q1

图4.5q1(w)随t p变化规律

电池板温度越高，系统能够输送给热水的能量越少，这也是容易理解的，因为电池板温度高说明落到电池上的大部分热量都用来使电池升温而没有被蒸发器带走。

4.4净收益?

系统的净收益?E ex计算公式如下

E ex,net=q e,net+E x,Q (4.2)

式中，E x,Q代表热水得到的热量?，且

E x,Q=1?T0

T3

q1

(4.3)

T0代表环境温度298K，T3即为热水温度333K。

作出曲线如下图

图4.6E ex,net(w)随t p变化规律

可以看出在42℃附近，净收益?取到极值。原因在于，净发电量和制热量随着t p变化的规律是相反的，存在一个点使得净收益?取到极大。

4.5结论

经过以上分析可以发现，当把PV-SAHP看作一个系统时，随着光伏蒸发器终温的变化，大部分参数都是单调变化的。这说明电池发电效率的变化虽然存在，但相较于热泵能效比改变引起的变化还是非常小的，因此单从电力输出的角度来说，给电池板降温带来的效应并不明显。

同时也应该注意到，给电池板降温还有其他的好处，如减缓胶膜等组件的氧化速度，延长电池的使用寿命。

5.经济效益分析

目前市场上常用的热水器有电热水器、太阳能热水器、空气源热水器几种。本部分借助合理估算，从经济性的角度，将这几种装置与光伏太阳能热泵进行比较。为便于比较，假定这几种装置实现的功能是每天利用2个小时，将100L 10℃的水加热到60℃，设备投资通过网络报价平台获得。

5.1电热水器

电热水器的价格约为1000元。每年的花费为

M=365?p?cm(t2?t1) (5.1) 其中p为电价0.5元/度。代入计算得到年花费为1064.6元。

5.2太阳能热水器

目前100L普通太阳能热水器的价格约为2000元。假设每年有8个月可以完全用太阳能加热，其他时间需要电辅助加热，则类似5.1式的计算，年花费为354.9元。

5.3空气源热水器

相比以上两种，空气源热水器的价格较高，取当前平均水平4000元。由于空气源热水器能效比随环境温度变化，取全年平均值为4，则年花费为266.1元。

5.4光伏太阳能热泵

第4章的分析中指定了热泵的工况（环境温度25℃，太阳辐射强度1000W/m2）,实际上全年只有大约4个月的天气能达到该水平。

在第4章提到的工况下，选取t p为30℃进行分析。此时COP为6.88，制热

功率为544.1W/m2,而功能要求加热功率达到2916.7W，因此需要购置电池板5.4m2。当前单晶硅电池的价格约为450元/m2,加之逆变器等配套设备，该部分投资约为3600元。加上热泵投资3500元，总费用为7100元。

假设全年有340天电池可以正常工作，每天发电6小时，根据第4章中的分析，发电功率平均为120W/m2,经计算全年可发电1321.9度。全年有4个月COP

值为6.88，其余时间取平均值4，可以得到全年压缩机耗电458.0度，因此全年可以净发电863.9度，收益432.0元。

5.5结论

将以上结果列成表格

装置设备投资年费用

电热水器1000元1064.6元

太阳能热水器2000元354.9元

空气源热泵4000元266.1元

光伏太阳能热泵7100元收入432.0元经过比较可以看到，如果PV-SAHP系统的稳定性足够好，相比于电热水器、太阳能热水器、空气源热泵多花的投资分别可以在4年、6.5年、4.4年内收回。考虑到光伏系统可以转化太阳能，对节能的贡献也是不可忽视的。

6.结论

本文对于光伏太阳能热泵系统进行了原理、能效和经济性的分析。由于选取的模型是理想的，与现实情况会有一些偏差，但对于考察PV-SAHP系统的产出和可行性还是有一定指导意义的。

相比其他形式的取热方式，PV-SAHP由于光伏蒸发器温度更高而更加节能，且能输出电能这一高品位能量。而相比单一的光伏电池，该系统又能电热两用，提高光伏的转化效率。目前制约其发展的仍是设备价格，若其成本问题得到解决，则对于太阳能的综合利用是有很大意义的。

参考文献

[1] 史琳，吴晓敏，段远源. 工程热力学[M].北京，清华大学出版社，2011.

[2] 2013-2017年中国光伏发电产业市场前瞻与投资战略规划分析报告

[3] 许忠良.浅谈空气能热水器的应用[J].建筑节能.2012.

[4] 何汉峰.光伏太阳能热泵的动态分布参数模拟与实验研究[D].中国科学技术大学.2008

[5]Jr.E.C.Kern,M.C.Russell. CombinedPhoto-Voltaic and Thermal Hybrid Collector

System[J]. 1978.

[6]刘可亮.光伏太阳能热泵的理论和实验研究[D].中国科学技术大学.2007

[7]裴刚.光伏太阳能热泵系统及多功能热泵系统的综合性能研究[D].中国科学技术大学.2006.

[8] 冯琳.光伏太阳能热泵系统的模拟研究和经济性分析[D].南京理工大学.2011

[9]李郁武.直膨式太阳能热泵热水器热力性能分析及优化设计[J].太阳能学报2007

[10]汤珂、金圣涵、杜强、金滔.太阳能电池与热泵热水器联合运行系统性能分析[J].新能源及工艺.2010

[11]吕学梅、孙宗义、曹张驰、张磊.电池板温度及辐射量变化对光伏发电量影响的趋势面分析[J].2012

[12]王建辉、刘自强、刘伟、周泉、彭国辉.地源热泵辅助太阳能采暖系统的研究[J].河北工业科技.2013