太陽能光伏空調(diào)研究及進展

陳雪梅 王如竹 李勇

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240）

太陽能光伏空調(diào)研究及進展

陳雪梅 王如竹 李勇

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240）

本文從目前傳統(tǒng)空調(diào)技術(shù)的能量利用效率和光伏發(fā)電的光電轉(zhuǎn)換效率的提升說明了太陽能光伏空調(diào)廣泛應(yīng)用的主要技術(shù)條件已經(jīng)成熟；從光伏組件價格下降、光伏系統(tǒng)投資回收期縮短和光伏安裝占地面積減小說明光伏空調(diào)的經(jīng)濟成本已經(jīng)下降到可與傳統(tǒng)空調(diào)競爭的范圍。文中介紹了四種光伏空調(diào)的結(jié)構(gòu)，描述了其實際運行測試的實驗過程、各評價指標及運行效果，提出太陽能光伏空調(diào)需要深入研究的方向，即高效率的光伏直驅(qū)空調(diào)、光伏空調(diào)與補貼政策、控制策略、行為與節(jié)能的關(guān)系，以及光伏空調(diào)設(shè)計軟件。

太陽能；光伏；空調(diào)系統(tǒng)

太陽能光伏空調(diào)的概念很早就被提出了，但由于光伏組件效率低和價格高的限制，它在各種太陽能空調(diào)中一直處于被忽視的狀態(tài)［1-3］。近年來，隨著光伏組件價格的大幅度下降，光伏空調(diào)的初始投資也相應(yīng)下降，在各種太陽能空調(diào)中顯示出了價格優(yōu)勢［4-5］，其應(yīng)用價值逐漸得到重視，對它的研究也多了起來，許多實際應(yīng)用案例證明了它運行穩(wěn)定、節(jié)約市電和性能較高的特點。光伏空調(diào)作為龐大的制冷空調(diào)市場和潛力巨大的光伏發(fā)電市場的結(jié)合點，其巨大的市場潛力越來越受到人們的關(guān)注。

據(jù)統(tǒng)計顯示［6］，我國建筑能耗占社會總能耗的27.6%，尤其以建筑空調(diào)能耗較大，一般賓館、寫字樓空調(diào)能耗約占建筑總能耗的30%～40%，大中型商場空調(diào)能耗高達50%。建筑空調(diào)的節(jié)能已成為國家節(jié)能減排的重要內(nèi)容之一。光伏空調(diào)利用儲量豐富、分布廣泛和清潔的太陽能獲得舒適的室內(nèi)環(huán)境，自發(fā)自用，不需要或者很少需要電能，其設(shè)備簡單，運行可靠。另一方面，在沒有空調(diào)或采暖需求時，并網(wǎng)光伏空調(diào)的光伏系統(tǒng)就是一個光伏電站，所發(fā)的電量能以顯著高于常規(guī)電源的上網(wǎng)電價賣出［7］，安裝光伏系統(tǒng)也能夠享受政府的補貼［8］。

未來空調(diào)的選擇必將會越來越多地強調(diào)其環(huán)境影響，比如二氧化碳的排放。Wang C G等［9］分析了安裝于長沙的光伏空調(diào)，考慮施工過程的碳排放，與傳統(tǒng)空調(diào)相比，一臺額定制冷量為7.12 kW的光伏空調(diào)，光伏組件安裝容量為1700 W時，僅在每年的制冷和供暖季節(jié)就能夠減少約0.427 t碳排放。Otanicar T等［4］比較了多種太陽能空調(diào)（光伏空調(diào)、吸收式空調(diào)、吸附式空調(diào)和除濕空調(diào)）在其生命周期內(nèi)（此處均假設(shè)為20年）的碳排放，研究過程中將集熱器或光伏組件、儲能裝置和制冷劑三部分引起的溫室效應(yīng)也換算成碳排放量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)光伏空調(diào)的二氧化碳總排放量最少?？梢?，光伏空調(diào)是環(huán)境友好的，能在一定程度上有助于實現(xiàn)節(jié)能減排的目標。

中國許多城市面臨夏季用電高峰問題，造成過多的電力設(shè)備投資，因城市電力緊張出現(xiàn)的“拉閘限電”情況也時有發(fā)生，給人們帶來諸多不便［10］。峰值一般出現(xiàn)在炎熱的午后，此時空調(diào)負荷最大。而夏季空調(diào)負荷最高的時段也對應(yīng)于光照最強和光伏發(fā)電量最大的時段，因此，光伏空調(diào)利用陽光做“免費”的熱量搬運工，能起到很好的“削峰”作用，從而緩解用電高峰問題。

本文回顧了國內(nèi)外光伏空調(diào)的研究進展，首先介紹了光伏空調(diào)的系統(tǒng)及分類，其次從技術(shù)成熟和經(jīng)濟成本兩個方面說明了光伏空調(diào)能夠得到推廣應(yīng)用，然后列舉了獨立光伏空調(diào)和并網(wǎng)光伏空調(diào)的實際運行案例，各項測試指標顯示了其良好的運行效果，最后總結(jié)了光伏空調(diào)在未來可深入研究的問題。

1　光伏空調(diào)系統(tǒng)及分類

傳統(tǒng)的蒸氣壓縮式空調(diào)利用電網(wǎng)提供的電能驅(qū)動壓縮機工作，而光伏空調(diào)的能量主要來源于光伏陣列，不用或者少用電網(wǎng)的電能。常見的空調(diào)種類繁多，家用小型空調(diào)有窗式、分體掛壁式、分體柜式等，小型集中空調(diào)有風(fēng)管式系統(tǒng)、冷/熱水機組、變制冷劑流量系統(tǒng)等，商用大型集中空調(diào)有離心式冷水機組、螺桿式冷水機組等，這些空調(diào)形式均可以與光伏陣列結(jié)合，設(shè)計滿足不同制冷量需求的光伏空調(diào)。

光伏空調(diào)按照是否接入電網(wǎng)可以分為獨立型和并網(wǎng)型兩種。獨立光伏空調(diào)不與電網(wǎng)連接，一般配備蓄電池或者緩沖電池以保證能量的持續(xù)供應(yīng)，非常適用于偏遠無電地區(qū)，主要由光伏陣列、空調(diào)設(shè)備、蓄電池組或緩沖電池和充放電控制器等組成。其中交流型獨立光伏空調(diào)應(yīng)包含逆變器。圖1所示為交流型獨立光伏空調(diào)的結(jié)構(gòu)及能量流動的方向。并網(wǎng)光伏空調(diào)以電網(wǎng)作為能量緩沖、儲存和補給的媒介，主要由光伏陣列、空調(diào)設(shè)備和逆變器（直流無逆流系統(tǒng)不需要逆變器）等組成。按照光伏所發(fā)的剩余電量是否反饋給電網(wǎng)，并網(wǎng)光伏空調(diào)又可以細分為有逆流系統(tǒng)和無逆流系統(tǒng)［11］。有逆流系統(tǒng)的能量可以在電網(wǎng)與光伏空調(diào)之間雙向流動，光伏所發(fā)的電能優(yōu)先供空調(diào)使用，超出空調(diào)需求的電量反饋給電網(wǎng)，不足的電量由電網(wǎng)補充；無逆流系統(tǒng)的能量只在電網(wǎng)與光伏空調(diào)之間單向流動，超出空調(diào)需求的電量不反饋給電網(wǎng)從而不能被利用，不足的電量由電網(wǎng)補充。圖2所示為交流型并網(wǎng)有逆流光伏空調(diào)的結(jié)構(gòu)及其能量流動的方向。

圖1　交流型獨立光伏空調(diào)結(jié)構(gòu)及能量流動示意圖Fig.1 AC stand-alone PV air conditioning system and its energy flows

圖2　交流型并網(wǎng)有逆流光伏空調(diào)結(jié)構(gòu)及能量流動示意圖Fig.2 AC grid-connected round-way PV air conditioning system and its energy flows

按照空調(diào)設(shè)備使用交流電還是直流電，光伏空調(diào)可以劃分為交流型和全直流型兩種。交流型光伏空調(diào)可以在傳統(tǒng)空調(diào)的基礎(chǔ)上改造而成，由逆變器將光伏所發(fā)的直流電轉(zhuǎn)換為交流電供空調(diào)使用。目前處于光伏空調(diào)發(fā)展的初期，研究者多針對這種光伏空調(diào)進行研究。全直流型光伏空調(diào)（或稱光伏直驅(qū)空調(diào)）中的空調(diào)設(shè)備能夠不經(jīng)過逆變器的轉(zhuǎn)換直接利用光伏所發(fā)的直流電。在目前的空調(diào)設(shè)備中，壓縮機電機和室內(nèi)外風(fēng)機多使用永磁同步電機和直流無刷電機［12-13］，電機工作過程中需要將電網(wǎng)的工頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電，而全直流型光伏空調(diào)減少了“直流-交流-直流”的轉(zhuǎn)換，能夠提升能量的利用效率［14］。最近幾年，全直流光伏空調(diào)已有生產(chǎn)和應(yīng)用［15-16］。

2　技術(shù)進展與經(jīng)濟分析

2.1技術(shù)成熟

光伏空調(diào)是基于光伏發(fā)電技術(shù)與空調(diào)技術(shù)發(fā)展而來的?？照{(diào)技術(shù)的應(yīng)用已有近百年歷史，傳統(tǒng)蒸氣壓縮式空調(diào)一般都有較高的能量利用效率，即能效比（EER）和性能系數(shù)（COP）較高，意味著獲得單位制冷量或供熱量僅需要使用少量電能，使光伏空調(diào)需要的光伏電池板安裝面積降低，從而經(jīng)濟成本也降低。近年來，采用永磁同步電機驅(qū)動的變頻空調(diào)的應(yīng)用和普及［12］也為利用光伏所發(fā)的直流電提供了便利。利用光伏所發(fā)的直流電直接驅(qū)動空調(diào)設(shè)備，不經(jīng)過“直流-交流-直流”的轉(zhuǎn)換，能在一定程度上提高能量的利用效率。

光伏空調(diào)的應(yīng)用也得益于晶硅電池光電轉(zhuǎn)換效率的提高，因為這使得光伏組件的成本與所需的安裝面積均大幅度下降。光伏空調(diào)一般由安裝于屋頂?shù)膯尉Ч杌蛘叨嗑Ч韫夥M件提供電能。目前，多晶硅電池量產(chǎn)效率為18% ～18.5%，單晶硅電池量產(chǎn)效率為19.8% ～21%［17］。多晶硅電池的效率普遍較單晶硅的低，但由于多晶硅太陽能電池的生產(chǎn)成本相對較低，發(fā)展十分迅速，截至2011年，多晶硅太陽能電池的市場份額已經(jīng)占各類太陽能電池的57.8%［18］。

光伏空調(diào)在國內(nèi)外已經(jīng)有了實際應(yīng)用案例，測試結(jié)果顯示光伏發(fā)電和空調(diào)耗電有較好的匹配關(guān)系，光伏空調(diào)有較高的太陽能利用效率，運行中只需要很少或者不需要電網(wǎng)提供的電能，可以起到很好的節(jié)電和削峰效果。以下將詳細分析幾類光伏空調(diào)實際的運行情況。

2.2經(jīng)濟成本

初始投資在某種程度上決定了技術(shù)的推廣。在過去的幾十年，光伏電池的價格居高不下，使得光伏發(fā)電少人問津。而最近幾年，光電轉(zhuǎn)換效率提高，光伏組件價格大幅下降，光伏發(fā)電得到越來越多的關(guān)注。國際光伏技術(shù)路線圖（ITRPV-2015）［19］給出了光伏組件的價格隨光伏產(chǎn)業(yè)累計出貨量（即光伏生產(chǎn)廠家賣出的光伏組件功率總和）的變化關(guān)系以及未來幾年的預(yù)測結(jié)果，如圖3所示。圖中的黑點表示從1976年到2014年12月的光伏組件平均價格與累計出貨量的關(guān)系?？梢钥闯?，盡管在100 MWp處出現(xiàn)波動，但出貨量小于3.1 GWp（截至2003年底）時，每個點基本呈線性分布，這表明每次光伏組件的累計出貨量翻倍時，平均的賣出價格就會下降21%。圖中有較大差異的黑點是由2003—2013年之間的巨大市場波動造成的?？招膱A點表示ITRPV對未來幾年光伏組件的價格與出貨量的預(yù)測結(jié)果。光伏組件價格的下降扭轉(zhuǎn)了光伏空調(diào)的不利局面，初始投資已與其他各種太陽能空調(diào)相差不大或者更低［5］。據(jù)預(yù)測，在未來一段時間，光伏空調(diào)的初始投資將繼續(xù)下降，下降幅度將大于其他太陽能空調(diào)［4］。

圖3　光伏組件價格與累計出貨量的變化關(guān)系以及未來的變化趨勢［19］Fig.3 Learning curve ofmodule price as a function of cumulative PV module shipmentsw ith historic price data and the ITRPV 5 th edition cost trend［19］

從初始投資的角度來看，光伏空調(diào)遠高于傳統(tǒng)空調(diào)，這主要是因為光伏組件的初始投資較高，幾乎占整個系統(tǒng)的一半［4］。但從整個生命周期來看，光伏空調(diào)與傳統(tǒng)空調(diào)相比的經(jīng)濟效益問題歸結(jié)于光伏發(fā)電部分的回收期問題。考慮政府對光伏發(fā)電的補貼政策［8］，如果光伏空調(diào)所發(fā)的電量能得到與光伏發(fā)電站同樣的補貼，經(jīng)濟效益可以比傳統(tǒng)空調(diào)更好。屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)不同的運營模式和補貼政策，回收期差異較大。邵漢橋等［20］詳細分析了居民和工商業(yè)分布式光伏電站在我國Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ類太陽能資源地區(qū)的經(jīng)濟效益，結(jié)果顯示光伏系統(tǒng)的靜態(tài)投資回收期通常為5～11年。按照最近2年光伏電池的出貨價格以及光伏電站的補貼政策估算，光伏空調(diào)的投資回收期有可能降至3～5年。光伏空調(diào)的光伏發(fā)電部分能在生命周期內(nèi)收回成本并盈利，使得光伏空調(diào)與傳統(tǒng)空調(diào)相比有更好的經(jīng)濟效益，甚至可以在生命周期內(nèi)實現(xiàn)全部免費使用的空調(diào)。

隨著光伏發(fā)電的大范圍應(yīng)用，光伏發(fā)電的政府補貼必將會越來越少。如果不考慮補貼政策，光伏空調(diào)相比于傳統(tǒng)空調(diào)是否還具有優(yōu)勢呢？本文首先考慮居民用光伏空調(diào)中光伏部分的回收期。利用邵漢橋等［20］介紹的武漢某居民用3 kW分布式光伏電站為例，總造價為27 000元，年發(fā)電量為3 219 kW·h，假設(shè)光伏發(fā)電100%被空調(diào)自用，則平均每個月空調(diào)使用光伏電268.25 kW·h。按照文中調(diào)研的階梯電價計算，年光伏電收益為1 897元，扣除150元的維護費用后得到1 747元，則靜態(tài)投資回收期為15.5年。工商業(yè)電價比民用電價高，因此供工商業(yè)用戶使用的光伏空調(diào)會更具吸引力。以邵漢橋等［20］研究的武漢某工商業(yè)廠房的200 kW光伏電站為例，總造價為180萬元，年發(fā)電量為214 500 kW·h，假設(shè)光伏發(fā)電100%被空調(diào)自用。按照文中的工商業(yè)電價計算，年光伏電收益為21.1萬元，扣除1萬元的維護費用后得到20.1萬元，則靜態(tài)投資回收期為9年?？梢钥闯觯词雇耆豢紤]光伏的補貼政策，光伏空調(diào)相比于傳統(tǒng)空調(diào)仍然有較明顯的優(yōu)勢，尤其是對于工商業(yè)用戶來說。

光伏空調(diào)初始投資的降低，除了由于光伏組件本身價格的降低，也由于較高的空調(diào)能量利用效率和光電轉(zhuǎn)換效率使得所需的光伏陣列面積降低。Otanicar T等［4］比較了適于家庭使用（制冷量為17.58 kW）的多種太陽能空調(diào)系統(tǒng)需要的光伏組件或者集熱器面積，結(jié)果發(fā)現(xiàn)光伏空調(diào)與其他太陽能空調(diào)相比，需要的安裝面積最少。Hartmann N等［21］以辦公建筑為例，模擬了并網(wǎng)光伏空調(diào)和單效LiBr吸收式空調(diào)相比于傳統(tǒng)空調(diào)的節(jié)能與經(jīng)濟情況，結(jié)果顯示:節(jié)約等量的一次能源，吸收式空調(diào)需要的平板集熱器面積比光伏空調(diào)需要的光伏組件面積約多出六倍。而在均節(jié)約36%的一次能源的情況下，光伏空調(diào)與傳統(tǒng)空調(diào)相比，投資相當于吸收式空調(diào)的73%。從節(jié)約一次能源和經(jīng)濟成本兩個方面分析，光伏空調(diào)均優(yōu)于吸收式空調(diào)。對于屋頂資源有限的城市居民來說，光伏空調(diào)比其他太陽能空調(diào)更有吸引力。

3　光伏空調(diào)典型案例分析

3.1小型獨立光伏空調(diào)

小型獨立光伏空調(diào)系統(tǒng)用蓄電池作為能量存儲和緩沖單元，不需要接入電網(wǎng)，通過調(diào)節(jié)蓄電池和光伏系統(tǒng)的容量比例，便可滿足大部分情況的能量需求。該類空調(diào)尤其適用于偏遠缺電地區(qū)單個房間的冷暖需求。其主要缺點是蓄電池的壽命短、投資高，并且如遇到連續(xù)的陰雨天氣，空調(diào)可能因為供電不足而無法使用。

上海交通大學(xué)Li Y等［22］實驗研究了獨立光伏空調(diào)在以上海為代表的夏熱冬冷地區(qū)的運行情況。實驗將一臺家用變頻空調(diào)增加光伏組件、控制器、逆變器和電池組后改造為光伏空調(diào)。所增加的光伏組件的相關(guān)參數(shù)見表1，被改造的變頻空調(diào)的相關(guān)參數(shù)見表2，該光伏空調(diào)的連接電路與測試點分布如圖4。光伏組件的安裝容量為1.92 kWp，系統(tǒng)安裝于面積為23.5 m2的房間內(nèi)，空調(diào)在白天的運行時間設(shè)置為9∶00～17∶00，用以模擬辦公建筑的空調(diào)使用情況。該系統(tǒng)在夏季某晴朗白天的制冷模式下和冬季某晴朗白天的供暖模式下的實驗結(jié)果說明:光伏陣列在夏日和冬日實測的光電轉(zhuǎn)換效率分別為11.9%和12.4%，逆變器的實際轉(zhuǎn)換效率為70% ～80%；系統(tǒng)的太陽保證率（solar fraction，即光伏電池板供給的總電量與空調(diào)實際耗電量之比）在夏日和冬日分別約為80%和85%，即光伏發(fā)電量可以滿足建筑物白天的大部分冷熱負荷需求，而夏日較高的制冷負荷使得系統(tǒng)的太陽保證率比冬日低；該系統(tǒng)有較高的太陽能利用效率，其COPsolar（即空調(diào)制冷量或供熱量與太陽輻射量之比）在夏季制冷時為0.32，在冬季供暖時為0.37；太陽能直接利用率（solar direct consumed ratio，即光伏發(fā)電量中直接經(jīng)逆變器被空調(diào)利用的部分與光伏總發(fā)電量的比值）在夏日和冬日分別為78%和70%，可見夏日的光伏發(fā)電與空調(diào)耗電有更好的匹配性。

表1　光伏組件參數(shù)［22］Tab.1 The parameters of PV module［22］

表2　變頻空調(diào)參數(shù)［22］Tab.2 The parameters of inverter air conditioner［22］

3.2小型并網(wǎng)家用光伏空調(diào)

小型并網(wǎng)光伏空調(diào)系統(tǒng)用電網(wǎng)作為能量存儲和緩沖單元，主要滿足單個房間的冷暖需求，根據(jù)用戶能夠提供的光伏安裝面積，光伏部分的安裝容量可大可小。該類空調(diào)與小型獨立光伏空調(diào)相比造價更低，而且不受連續(xù)陰雨天氣的限制。

圖4　獨立光伏空調(diào)連接電路與測試點示意圖［22］Fig.4 The circuit and test points of stand-alone PV air conditioning system［22］

Aguilar F J等［23］將一臺家用變頻空調(diào)器改造為光伏空調(diào)，用來研究并網(wǎng)無逆流光伏空調(diào)對位于西班牙的某辦公建筑的制冷和供熱情況，該光伏空調(diào)的連接電路及測試點分布見圖5。該光伏空調(diào)的光伏系統(tǒng)容量為0.69 kWp。實驗研究了該系統(tǒng)的太陽能貢獻率（solar contribution，即光伏空調(diào)使用的光伏電量與總耗電量之比），空調(diào)設(shè)備的制冷能效比EEREQ和供暖性能系數(shù)COPEQ（即制冷量或供暖量與空調(diào)設(shè)備耗電量之比），以及系統(tǒng)的制冷能效比EERSYST和供暖性能系數(shù)COPSYST（即制冷量或供暖量與系統(tǒng)消耗的電網(wǎng)電量之比），制冷季節(jié)和供暖季節(jié)在不同時間段的各月平均結(jié)果列于表3。該系統(tǒng)在夏季和冬季都能穩(wěn)定運行，夏季的節(jié)能效果明顯優(yōu)于冬季，一方面是因為夏季的制冷能效比較高，即每單位電能可以得到更多制冷量，另一方面是因為夏季太陽能貢獻率較高，使得光伏空調(diào)比傳統(tǒng)空調(diào)節(jié)約更多電能。

圖5　并網(wǎng)光伏空調(diào)連接電路及測試點示意圖［23］Fig.5 The setup and test points of grid-connected PV air conditioning system［23］

3.3小型并網(wǎng)多聯(lián)機系統(tǒng)

小型并網(wǎng)光伏空調(diào)系統(tǒng)非常適合于滿足別墅的需求，如屋頂光伏系統(tǒng)設(shè)計得當，便可能提供所有的空調(diào)用能，余電還能供給其他電器，有望實現(xiàn)家庭“零耗電”。

光伏直驅(qū)變頻多聯(lián)機系統(tǒng)于2015年4月中旬在上海交通大學(xué)中意綠色能源樓（經(jīng)緯度:31.02°N，121.44°E）安裝和調(diào)試完成，實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。該系統(tǒng)屬于小型并網(wǎng)有逆流空調(diào)系統(tǒng)，包含兩臺制冷量和制熱量分別為33.5 kW和37.5 kW的光伏直驅(qū)變頻多聯(lián)機機組，該多聯(lián)機機組由格力電器股份有限公司提供，型號為GMV-Y335WM/A。光伏系統(tǒng)由晶科能源控股有限公司提供的38塊組件構(gòu)成，組件型號為JKM265P-60，總安裝容量為10.07 kWp，預(yù)計光伏系統(tǒng)年發(fā)電量約為11 000 kW·h。光伏直驅(qū)變頻多聯(lián)機機組可以直接利用光伏陣列所發(fā)的直流電，避免了“直流-交流-直流”的轉(zhuǎn)換，僅將大于空調(diào)負荷的光伏電量進行逆變上網(wǎng)，可以提高能源利用效率。該系統(tǒng)還能夠通過“好e控”實現(xiàn)能量的偵測、顯示和管理，方便用戶做出適當?shù)哪茉礇Q策選擇。

表3　并網(wǎng)光伏空調(diào)實驗測量結(jié)果［23］Tab.3 The testing results of grid-connected PV air conditioning system［23］

該光伏直驅(qū)變頻多聯(lián)機系統(tǒng)自安裝以來，運行效果較好。表4所示為系統(tǒng)分別在4月12日和5月20日的運行情況，表中當天的氣溫和當天水平面總輻射量由安裝于中意綠色能源樓樓頂?shù)臍庀笳咎峁溆鄶?shù)據(jù)由光伏空調(diào)系統(tǒng)的能源管理中心“好e控”提供，數(shù)據(jù)記錄時間均為下午16∶40左右。這兩日的最高氣溫均出現(xiàn)在午后14∶00左右，由于氣候并不炎熱，空調(diào)的當天耗電量較小，光伏發(fā)電滿足空調(diào)的負荷之后，仍然有較多的電量經(jīng)室外機的逆變單元逆變之后輸入電網(wǎng)。

表4　光伏直驅(qū)變頻多聯(lián)機系統(tǒng)在2015年4月12日和5月20日的運行情況

3.4大型并網(wǎng)光伏空調(diào)

大型并網(wǎng)光伏空調(diào)系統(tǒng)對工業(yè)建筑的用戶吸引力最大。因為工業(yè)建筑內(nèi)部對空調(diào)的需求量很大，加上工業(yè)用電的電費比居民用電的高，導(dǎo)致每年的電費很高。而工業(yè)建筑常常有很大的屋頂空間，如果能鋪上光伏陣列，光伏空調(diào)自發(fā)自用，便能節(jié)省很大的電費開支。

珠海某辦公樓工程總面積約8 000 m2，建筑冷負荷為2 790 kW。該辦公樓安裝的400 kW光伏直驅(qū)變頻離心機系統(tǒng)［14］截至2015年10月已穩(wěn)定運行了兩年，該系統(tǒng)屬于并網(wǎng)有逆流系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖6。其光伏安裝容量為390.5 kWp，年發(fā)電量約40萬kW·h。圖7所示為該系統(tǒng)在空調(diào)使用季節(jié)（5～10月）的發(fā)用電情況，僅在空調(diào)使用季節(jié)光伏發(fā)電量總計為17.9萬kW·h，空調(diào)耗電量為14.1 萬kW·h，實現(xiàn)了能量的自給自足。在非空調(diào)使用季節(jié)，該系統(tǒng)的光伏陣列相當于光伏電站，所發(fā)的電能可全部供給電網(wǎng)或者供給辦公樓的其他電器，能夠獲得較好的經(jīng)濟效益。該系統(tǒng)使用了無DC/ DC的光伏直驅(qū)控制技術(shù)和三元換流控制策略，與光伏發(fā)電加空調(diào)系統(tǒng)的模式相比，能量利用效率提高了6%～8%。

4　需要深入研究的問題

光伏空調(diào)在未來將有助于有效解決能源和環(huán)境等相關(guān)問題，但目前對光伏空調(diào)的研究才剛剛起步，大部分研究均局限于討論光伏空調(diào)應(yīng)用的可行性。光伏技術(shù)和空調(diào)技術(shù)均已有較長的應(yīng)用時間和較廣的應(yīng)用范圍，兩者的結(jié)合（即光伏空調(diào)）也有許多實際的應(yīng)用案例。光伏組件的價格下降以后，光伏空調(diào)的經(jīng)濟成本大幅度下降，在未來還有很大的降價空間。

圖6　光伏直驅(qū)變頻離心機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖［14］Fig.6 The structure of PV direct-driven inverter centrifugal system［14］

圖7　光伏直驅(qū)變頻離心機系統(tǒng)發(fā)用電統(tǒng)計圖［14］Fig.7 The power generation and consumption of PV directdriven inverter centrifugal system　14］

國內(nèi)外研究者通過實驗驗證了光伏空調(diào)能夠穩(wěn)定運行，實驗和模擬結(jié)果顯示光伏空調(diào)有較高的能量利用效率。各方面均顯示光伏空調(diào)的實際應(yīng)用是可行的。迫于能源和環(huán)境的壓力，光伏空調(diào)在未來必將得到更加廣泛的應(yīng)用，但仍然還有很多工作要做。

1）對并網(wǎng)有逆流系統(tǒng)而言，交流型光伏空調(diào)的能量損失比全直流光伏空調(diào)大，原因在于:逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電和空調(diào)內(nèi)部再將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。逆變器的最大效率雖然能夠達到97% ～99%［24-25］，但在工程實例中，其實際效率通常偏低，特別是逆變器輸入功率較小的情況［26-27］。此外，目前變頻空調(diào)已經(jīng)得到普及，其壓縮機電機基本為永磁同步電機［12］，在工作時空調(diào)內(nèi)部會經(jīng)歷一個將電網(wǎng)的工頻交流電轉(zhuǎn)換成直流電的過程，該過程對應(yīng)一定的電能損失。用光伏所發(fā)的直流電直接驅(qū)動的全直流光伏空調(diào)（即光伏直驅(qū)空調(diào)）相比于交流型光伏空調(diào)，可以省去“直流-交流-直流”的轉(zhuǎn)換過程。因此，根據(jù)光伏發(fā)電的特點，設(shè)計發(fā)電和用電高度匹配度高的光伏直驅(qū)空調(diào)從而提高能量利用效率將是未來研究的一個重點。

2）為了縮短光伏系統(tǒng)的投資回收期，研究設(shè)計電量管理策略時應(yīng)該將光伏空調(diào)與補貼政策相結(jié)合。由于并網(wǎng)有逆流光伏空調(diào)的光伏電大部分沒有反饋進入公共電網(wǎng)，而是直接被空調(diào)利用，該部分光伏電便不能享受到光伏并網(wǎng)發(fā)電的補貼政策，從而造成一定的經(jīng)濟損失。因此，針對光伏空調(diào)的特點制定相應(yīng)的計量和補貼政策，從而鼓勵其推廣和應(yīng)用，就變得十分必要。

3）光伏空調(diào)的復(fù)雜功能和高能量利用率的實現(xiàn)依賴有效的控制策略，實現(xiàn)針對性強的控制策略將是未來的一個研究重點。以并網(wǎng)有逆流系統(tǒng)為例，首先光伏發(fā)電具有不穩(wěn)定的特點，空調(diào)耗電也處于動態(tài)變化中，為了使能量達到平衡，電網(wǎng)在供電與受電之間動態(tài)轉(zhuǎn)換，則要求控制策略實現(xiàn)能量的快速高效管理，并且不對電網(wǎng)造成較大沖擊；其次，為了獲得最大的經(jīng)濟效益，控制策略將有助于根據(jù)買進和賣出的電價政策實現(xiàn)光伏電的上網(wǎng)控制，以及空調(diào)優(yōu)先使用光伏電還是市電；最后，光伏空調(diào)有可能成為建筑的能量管理中心，智能的控制策略將能夠記錄和分析建筑能量使用情況，從而改善能量管理方式實現(xiàn)建筑節(jié)能。

4）空調(diào)節(jié)能的研究，不應(yīng)該局限于對空調(diào)技術(shù)的研究，還應(yīng)該研究人的行為習(xí)慣與空調(diào)節(jié)能的關(guān)系。有研究發(fā)現(xiàn)［28］，節(jié)能行為對降低空調(diào)能耗有較大作用，因此有必要通過研究行為習(xí)慣與空調(diào)的關(guān)系設(shè)計有效的節(jié)能運行模式以及引導(dǎo)人們的節(jié)能行為。

5）太陽能光伏空調(diào)的推廣應(yīng)用必須充分考慮所在地點的經(jīng)緯度、太陽能資源、建筑物朝向、建筑物熱負荷等綜合情況，結(jié)合全生命周期以及能源價格等，通過模擬分析獲得最優(yōu)的太陽能光伏系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)的電力配置方案是應(yīng)該重點考慮的實際問題。相關(guān)設(shè)計軟件的開發(fā)和應(yīng)用能夠幫助設(shè)計人員做出最優(yōu)化的配置方案，并通過模擬分析明確地告知用戶太陽能光伏空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)用電量、投資回報和系統(tǒng)效率等情況。

5　結(jié)論

隨著光伏發(fā)電技術(shù)和空調(diào)技術(shù)日趨成熟，光伏組件價格的下降和效率的提高，以及光伏系統(tǒng)的補貼政策等因素，光伏空調(diào)相比于傳統(tǒng)空調(diào)有很明顯的優(yōu)勢，特別是針對工商業(yè)用戶。通過幾類常見光伏空調(diào)系統(tǒng)的實際運行案例和各項測試指標均顯示了其良好的運行效果。未來尚需進一步研究光伏發(fā)電和空調(diào)耗電高度匹配的光伏直驅(qū)空調(diào)以提高能量的利用效率，針對光伏空調(diào)自發(fā)自用的特點制定合適的計量和補貼政策以鼓勵光伏空調(diào)的推廣應(yīng)用，制定光伏空調(diào)的智能控制策略以實現(xiàn)其穩(wěn)定運行、最大經(jīng)濟效益和建筑的能源管理，研究行為習(xí)慣與空調(diào)節(jié)能的關(guān)系，以及開發(fā)光伏空調(diào)的設(shè)計模擬軟件。

［1］ 李戩洪，馬偉斌，江晴.我國首座大型太陽能空調(diào)系統(tǒng)［J］.制冷學(xué)報，1999，20（2）:25-30.（LI Jianhong，MA Weibin，JIANG Qing.The first large solar air-conditioning system in China［J］.Journal of Refrigeration，1999，20（2）: 25-30.）

［2］ 李欣，羅軍.綠色建筑中的空調(diào)應(yīng)用技術(shù)［J］.制冷與空調(diào)（北京），2006，6（5）:10-13.（LIXin，LUO Jun.Application of air-conditioning technique to green architecture ［J］.Refrigeration and Air-conditioning，2006，6（5）:10-13.）

［3］ 楊堅，栗志，李芷昕.太陽能制冷技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢［J］.能源科學(xué)進展，2007，3（2）:7-11.（YANG Jian，LIZhi，LIZhixin.Application and developing trend of solar cooling technologies［J］.Advances in Energy Sciences，2007，3（2）:7-11.）

［4］ Otanicar T，Taylor R A，Phelan P E.Prospects for solar cooling-An economic and environmental assessment［J］. Solar Energy，2012，86（5）:1287-1299.

［5］ Lazzarin R M.Solar cooling:PV or thermal？A thermodynamic and economical analysis［J］.International Journal of Refrigeration，2014，39:38-47.

［6］ 溫宇光.淺談暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的若干問題及措施［J］.建材與裝飾，2007（12X）:3-5.（WEN Yuguang. Some issues and measures for the energy saving of HVAC system［J］.Construction Materials and Decoration，2007（12X）:3-5.）

［7］ 黃海濤，顧群音，曹煒.分布式光伏上網(wǎng)電價國際經(jīng)驗及其對我國的啟示［J］.價格月刊，2014（5）:1-4. （HUANG Haitao，GU Qunyin，CAOWei.International experiences of distributed photovoltaic feed-in tariff and its enlightenment to China［J］.Prices Monthly，2014（5）:1-4.）

［8］ 中國8省15市光伏補貼政策一覽［EB/OL］.（2015）［2015-10-10］.http://www.jinkosolar-shop.com/page. php？m=jinko&id=27.

［9］ Wang C G，Gong G C，Su H，et al.Efficacy of integrated photovoltaics-air source heat pump systems for application in Central-south China［J］.Renewable&Sustainable Energy Reviews，2015，49:1190-1197.

［10］邢碧云，梁靜，衛(wèi)婧菲.論夏季用電高峰分段配電的必要性［J］.科技資訊，2014（6）:131，136.（XING Biyun，LIANG Jing，WEI Jingfei.The necessity of time subsection during the summer peak of electricity consumption［J］. Science and Technology Information，2014（6）:131，136.）

［11］呂光昭，李勇，代彥軍，等.獨立光伏空調(diào)系統(tǒng)冬季采暖性能分析［J］.太陽能學(xué)報，2013，34（7）:1166-1171. （LYU Guangzhao，LIYong，DAIYanjun，etal.Analysis on the heating performance of photovoltaic air conditioning system［J］.Acta Energiae Solaris Sinica，2013，34（7）:1166-1171.）

［12］張斯瑤.變頻空調(diào)壓縮機電機的參數(shù)辨識［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

［13］李善根.變頻控制技術(shù)在空調(diào)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢（一）［J］.電源世界，2015（4）:49-53.（LIShangen.Variable frequency control technology in the application status and development trend of air conditioning［J］.TheWorld of Power Supply，2015（4）:49-53.）

［14］張海波.光伏直驅(qū)變頻離心機系統(tǒng)技術(shù)介紹［J］.潔凈與空調(diào)技術(shù)，2014（3）:82-84.（ZHANG Haibo.Introduction to the technique of photo voltaically driven centrifuger system with frequency conversion［J］.Contamination Control&Air-conditioning Technology，2014（3）:82-84.）

［15］呂光昭.獨立光伏空調(diào)系統(tǒng)的研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2012.

［16］能發(fā)電的用電大戶格力光伏直驅(qū)變頻中央空調(diào)盛夏熱銷［EB/OL］.（2015-07-30）［2015-10-10］.http://www. qianhuaweb.com/2015/0730/2878503.shtm l.

［17］提升效率、降低衰減是提高光伏發(fā)電性價比的關(guān)鍵突破口（2）［EB/OL］.（2015-09-16）［2015-10-10］.http:// guangfu.bjx.com.cn/news/20150916/664059-2.shtml.

［18］沈文忠.太陽能光伏技術(shù)與應(yīng)用［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，2013:32.

［19］Metz A，Demenik G，Richter A，et al.International technology roadmap for photovoltaic（ITRPV）［EB/OL］.（2015-04）［2015-10］.http://www.itrpv.net/Reports/Downloads/.

［20］邵漢橋，張籍，張維.分布式光伏發(fā)電經(jīng)濟性及政策分析［J］.電力建設(shè)，2014，35（7）:51-57.（SHAO Hanqiao，ZHANG Ji，ZHANGWei.Economy and policy analysis of distributed photovoltaic generation［J］.Electric Power Construction，2014，35（7）:51-57.）

［21］Hartmann N，Glueck C，Schmidt F P.Solar cooling for small office buildings:Comparison of solar thermal and photovoltaic options for two different European climates ［J］.Renewable Energy，2011，36（5）:1329-1338.

［22］Li Y，Zhang G，Lv G Z，et al.Performance study of a solar photovoltaic air conditioner in the hot summer and cold winter zone［J］.Solar Energy，2015，117:167-179.

［23］Aguilar F J，Quiles PV，Aledo S.Operation and energy efficiency of a hybrid air conditioner simultaneously connected to the grid and to photovoltaic panels［J］.Energy Procedia，2014，48:768-777.

［24］組串式光伏逆變器［EB/OL］.（2015）［2015-10-10］.http://www.sungrowpower.com/product.php？page= 1&menu=1&cate=12.

［25］王亮.組串式逆變器在大型并網(wǎng)電站中應(yīng)用的經(jīng)濟可行性［J］.有色冶金節(jié)能，2014，30（3）:56-58.（WANG Liang.The economic viability analysis of string inverter used in large-scale grid-connected PV power station［J］.Energy Saving of Non-ferrous Metallurgy，2014，30（3）:56-58.）

［26］劉小平，王麗娟，王炳楠，等.光伏并網(wǎng)逆變器戶外實證性測試技術(shù)初探［J］.新能源進展，2015，3（1）:33-37.（LIU Xiaoping，WANG Lijuan，WANG Bingnan，etal.Preliminary study on outdoor testing technology of photovoltaic grid-connected inverter［J］.Advances in New and Renewable Energy，2015，3（1）:33-37.）

［27］何志誠，呂建，楊洪興.50kWp屋頂分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究［J］.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2014，33（5）:71-73.（HE Zhicheng，LYU Jian，YANG Hongxing.The study of a 50 kWp residential rooftop distributed PV system［J］. Building Energy&Environment，2014，33（5）:71-73.）

［28］李兆堅，江億.我國城鎮(zhèn)住宅夏季空調(diào)能耗狀況分析［J］.暖通空調(diào)，2009，39（5）:82-88.（LIZhaojian，JIANG Yi.Analysis on cooling energy consumption of residential buildings in China′s urban areas［J］.Journal of HV&AC，2009，39（5）:82-88.）

Wang Ruzhu，male，professor in solar cooling，Institute of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiao Tong University，+86 10-34206548，E-mail:rzwang@sjtu.edu.cn.Research fields:energy reuse in air conditioning system；thermally driven refrigeration technologies by low-grade heat；utilization of sustainable energy and energy saving in buildings；cryogenic heat transfer and cryogenic system.

Study and Development of Photovoltaic Air Conditioning System

Chen Xuemei Wang Ruzhu Li Yong
（Institute of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai，200240，China）

The photovoltaic（PV）air conditioning system is introduced in this paper aswell as its classification.Both the high efficiency of the traditional air conditioning system and the improvementof photoelectric conversion efficiency indicate that themain technologies for the extensive applications of PV air conditioning system are available.On the other hand，the investments of PV air conditioning system have been decreased significantly due to the price drop of the PV modules，the shortening of PV system pay-back time and the reduction of total necessary PV module areas.The structures of four kinds of PV air conditioning systems and their test conditions are described in detail here，and the testing results show their satisfying performance.Finally，this paper discusses five issues for our future work，namely，high-efficiency PV direct-driven air conditioning system，subsidy supports for PV air conditioning system，control strategies，the interactions between human behaviors and energy saving of air conditioning system and developing software for designing PV air conditioning system.

solar；photovoltaic；air conditioning system

About the

TK511.3；TU831.3

A

0253-4339（2016）05-0001-09

10.3969/j.issn.0253-4339.2016.05.001

國家自然科學(xué)基金國際（地區(qū)）合作與交流項目（5151101162）資助。（The projectwas supported by the Key Project of the Natural Science Foundation of China for International Academic Exchanges under the Contract（No.5151101162）.）

2015年12月14日

簡介

王如竹，男，教授，上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，（021）34206548，E-mail:rzwang@sjtu.edu.cn。研究方向:制冷空調(diào)中的能源利用；低品位熱能制冷技術(shù)；太陽能與自然能源利用與建筑節(jié)能；低溫傳熱與低溫系統(tǒng)。