李魁星 楊磊 鄭曉峰 楚毅
1.青島海爾新能源電器有限公司 青島海爾 266103;2.數(shù)字化家電國家重點實驗室 山東青島 266101
光伏發(fā)電技術(shù)自20世紀70年代在民用領(lǐng)域推廣以來,廣泛應(yīng)用于通信、交通信號、管網(wǎng)保護和為邊遠地區(qū)的居民供電[1]。近年來,隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)的性價比提高,開始從特殊場合應(yīng)用轉(zhuǎn)向商業(yè)化應(yīng)用。進入20世紀90年代,光伏發(fā)電技術(shù)和其他可再生能源技術(shù)一樣,成為減少溫室效應(yīng)的重要技術(shù)手段。光伏和熱泵熱水器結(jié)合為一個系統(tǒng)具有很多優(yōu)點[5]。首先,光伏板將太陽能轉(zhuǎn)化為高品位的電能驅(qū)動壓縮機,從而加熱生活用水;其次,夏天光伏的發(fā)電量大,光伏熱泵熱水器可以最大限度的利用太陽能加熱生活用水,冬天光伏發(fā)電將太陽能轉(zhuǎn)化為水的熱能儲存在水箱內(nèi),滿足用戶夜間用水的需求;最后,加熱水的過程中利用綠色、清潔、廉價的能源,可以緩解能源危機、減少污染物排放[6]。
本文設(shè)計的光伏熱泵系統(tǒng)如圖1所示,系統(tǒng)選用410A環(huán)保冷媒、變頻壓縮機,可工作在-15℃的工況下,且衰減較小。
可分為兩個運行過程:
第一,光照充足,光伏模塊整流之后輸出直流電壓高于市電整流之后的母線電壓,此時優(yōu)先使用光伏發(fā)電,驅(qū)動變頻壓縮機,低壓氣態(tài)冷媒被變頻壓縮機吸入氣缸壓縮后,變?yōu)楦邷馗邏旱倪^熱蒸汽,經(jīng)壓縮機排氣閥流入微通道冷凝器,發(fā)生冷卻、冷凝過程,熱泵水箱里的水被加熱,冷媒冷卻過冷后流經(jīng)儲液罐、過濾器,最后通過電子膨脹閥節(jié)流降溫降壓,流入蒸發(fā)器進行對流換熱來吸收陽光和空氣中的低品位能源使自身受熱蒸發(fā),變?yōu)檫^熱蒸汽,最后通過吸氣口進入壓縮機,完成一次循環(huán)。此過程完全利用綠色能源,加熱生活用水,節(jié)能環(huán)保效果顯著。
第二,光照不足,光伏模塊整流之后輸出直流電壓低于市電整流之后的母線電壓,此時優(yōu)先使用市電,驅(qū)動變頻壓縮機,完成與過程一相同的一次冷媒循環(huán),為了盡可能多的利用太陽光的能量,本系統(tǒng)設(shè)計了電加熱棒,用于消耗光伏發(fā)的電,加熱生活用水。
圖1 光伏熱泵系統(tǒng)示意圖
圖2所示為市電和光伏電混合供電系統(tǒng)模式圖,熱泵優(yōu)先使用光伏發(fā)電,市用交流電作為補充,兩者可實現(xiàn)瞬時切換。系統(tǒng)的工作原理為:市電經(jīng)整流電路整流后,變?yōu)橹绷麟奦1加在直流母線上,約310V;光伏板受到太陽輻照產(chǎn)生直流電,經(jīng)過全橋逆變,首先將直流電逆變成高頻交流電,再經(jīng)過高頻變壓器升壓,整流濾波后V2可直接并在直流母線上,控制部分會實時跟蹤組件的最大功率點,將組件所發(fā)的電能,以最大功率輸出到直流母線上。太陽輻照較強,光伏電整流濾波后V2≥V1時,熱泵優(yōu)先使用光伏電;太陽輻照不夠,光伏電整流濾波后V2<V1時,市電作為補充能源使用,此時,K1接通光伏電被電加熱棒消耗,用于加熱生活用水。
為了驗證本文設(shè)計的光伏熱泵熱水器節(jié)能效果,搭建圖3所示的實驗平臺。光伏板選型參數(shù)如表1所示;選用額定輸入功率240W的變頻壓機,額定制熱量1000W,抽真空保壓后灌注冷媒400g;水箱容積80L,采用搪瓷內(nèi)膽、微通道換熱。在不同環(huán)境溫度下,分別使用光伏熱泵熱水器(在實驗室模擬一天中太陽輻照度)、壓機額定輸入功率240W的普通熱泵熱水器、電加熱棒1000W的電熱水器,將80L水從15℃加熱到55℃,記錄耗電量、加熱時間。
表1 光伏板選型參數(shù)
圖2 光伏熱泵供電系統(tǒng)模式圖
圖3 光伏熱泵實驗平臺
圖4 耗電量測試
圖5 加熱時間測試
在環(huán)境溫度7℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、43℃工況下,用實驗室恒溫水箱中的水注滿80L熱水器水箱,開啟循環(huán)泵將水箱中的冷水攪拌均勻,使其穩(wěn)定在15±0.5℃,開啟光伏熱泵、普通熱泵、電加熱將水箱中的冷水加熱至設(shè)定溫度,停機后,開啟循環(huán)泵將水箱中的熱水攪拌均勻,確保熱水溫度在55±0.5℃。記錄耗電量和加熱時間,多次實驗取平均值,以減小誤差對實驗結(jié)果的影響。
耗電量可以通過實驗臺位儀表讀取,三種熱水器在不同環(huán)境溫度下的耗電量如圖4所示,由圖可知:熱泵熱水器節(jié)能效果比電熱水器好很多,而光伏熱泵熱水器比熱泵熱水器更節(jié)能;環(huán)境溫度越高,節(jié)能效果越明顯。
每次加熱完成,記錄本次加熱周期的時間,三種熱水器在不同環(huán)境溫度下的加熱時間如圖5所示,由圖可知:光伏熱泵熱水器和熱泵熱水器加熱時間相差很小,環(huán)境溫度越高加熱時間越短;電熱水器加熱速度最快,環(huán)境溫度為43℃時,三種熱水器加熱時間趨于相同。
本文設(shè)計的新型光伏變頻熱泵熱水器,在不同工況下做實驗測得耗電量、加熱時間,并同條件下電熱水器、普通熱泵熱水器的實驗數(shù)據(jù)對比,可總結(jié)如下:
(1)采用光伏發(fā)電和市電混合供電的方式,優(yōu)先使用光伏發(fā)電,市電作為補充,盡可能多的利用光伏電,使用綠色清潔能源,減少污染物排放;
(2)優(yōu)化電控方案,考慮到蓄電池成本高、更換周期短、占地面積大,省去常規(guī)的光伏系統(tǒng)中的蓄電池;
(3)在安裝空間和太陽輻照足夠的前提下,光伏熱泵熱水器在節(jié)能效果上明顯優(yōu)于普通熱泵熱水器和電熱水器。
[1] 馬勝紅,許洪華. 光伏發(fā)電縱橫談[J]. 太陽能,2004(1).
[2] EPLA. Global Market Outlook for Photovoltaic until 2015[OL]. 2010.
[3] 中國新能源與可再生能源年鑒2010[Z]. 北京:中國可再生能源協(xié)會,2011.
[4] 沈輝,曾祖勤. 太陽能光伏發(fā)電技術(shù)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,2005: 40-70.
[5] 李景明,王紅巖,趙群. 中國新能源資源潛力及前景展望[J]. 天然氣工業(yè),2008, 28(1): 149-153.
[6] 宋光前,徐新華,吳丹. 復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)及運行控制模擬分析[J]. 制冷與空調(diào),2013, 27(3):280-283.