不同功率驅(qū)動系數(shù)下光伏直驅(qū)冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)性能及老撾地區(qū)適用性分析*

CHAMPAMANY Souksakhone , 李明， 王良， 韓友華

(1.云南師范大學(xué) 太陽能研究所，云南 昆明 650500；2.云南師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，云南 昆明 650500)

1 引 言

隨著人類社會的不斷進(jìn)步，人類對能源的需求日益增大，大量使用傳統(tǒng)化石能源如煤炭、石油、天然氣等，不僅帶來了全球性的能源危機(jī)，且造成了日趨嚴(yán)重的環(huán)境問題[1].加快開發(fā)可持續(xù)及清潔能源進(jìn)程和提高現(xiàn)有傳統(tǒng)能源的利用效率是解決能源和環(huán)境問題的重要途徑.據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)達(dá)國家中建筑能耗占到社會總能耗的25%～40%[2].太陽能作為一種取之不盡用之不竭的可再生能源，是目前新能源利用的主要對象之一[3-4].近年來由于光伏組件價(jià)格逐漸降低，因而太陽能光伏空調(diào)技術(shù)也逐漸增多[5-9].楊雙等[10]對太陽能光伏直流空調(diào)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了分析，該空調(diào)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行期間的節(jié)電量最高達(dá)到77.8%，同時(shí)系統(tǒng)綜合能效比可達(dá)12.13.徐永鋒等[11-12]搭建了一套光伏直接驅(qū)動的空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過采用靜態(tài)制冰的方法，替代傳統(tǒng)光伏直驅(qū)空調(diào)系統(tǒng)中用來維持系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的蓄電池，有效降低光伏直驅(qū)空調(diào)系統(tǒng)的成本；并建立了系統(tǒng)光電能量特性理論模型，分析了光伏能源系統(tǒng)與制冰蓄冷系統(tǒng)中能量傳遞特性與火用效率.

光伏空調(diào)技術(shù)的不斷完善與成熟，將有效應(yīng)用于氣候炎熱地區(qū)，提高人民生活質(zhì)量.探索分析光伏直驅(qū)空調(diào)系統(tǒng)光伏組件功率與制冷的匹配性，獲得光伏制冷系統(tǒng)優(yōu)化性能，以此分析不同氣候條件下光伏空調(diào)使用特性及適用性具有重要意義.本文利用不同面積光伏陣列驅(qū)動冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，分析其實(shí)際工況下的實(shí)驗(yàn)性能，并與老撾氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬對比，探究系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)最佳光伏功率驅(qū)動系統(tǒng)特性.在此基地上，分析在老撾不同地區(qū)氣候條件下光伏制冷系統(tǒng)運(yùn)行的可行性，為光伏直驅(qū)冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)在老撾及東南亞國家的推廣利用提供相關(guān)聯(lián)的理論基礎(chǔ).

2 系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

光伏蓄冷空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括三部分，分別為光伏驅(qū)動部分、制冷蓄冷部分和房間用冷部分.光伏驅(qū)動部分包括光伏陣列、光伏逆控一體機(jī)；制冷蓄冷部分包括由渦旋變頻壓縮機(jī)、浸泡式蒸發(fā)器、冷凝器、冷凝風(fēng)扇、毛細(xì)管組成的熱泵機(jī)組和蓄冰桶組成；房間用冷部分包括變頻循環(huán)水泵、室內(nèi)風(fēng)冷機(jī)組和供冷空調(diào)房間.設(shè)備參數(shù)如表1所示.

表1 系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)表

光伏空調(diào)測試系統(tǒng)包括使用TYD-ZS2氣象生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站對氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，可對環(huán)境溫度、太陽能瞬時(shí)輻射及累計(jì)總輻射值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與記錄；使用Fluke2638A數(shù)據(jù)采集器對光伏空調(diào)系統(tǒng)各溫度點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集記錄；使用Solar300N太陽能光電分析儀對光伏直流電壓、電流、功率以及逆變后的交流電壓、電流、功率、逆變效率、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并自動記錄.各測試設(shè)備參數(shù)如表2所示.

表2 測試設(shè)備參數(shù)

2.2系統(tǒng)工作原理

光伏空調(diào)系統(tǒng)由單晶硅光伏陣列1-3將接收到的太陽能轉(zhuǎn)化為直流電輸出至光伏逆變控制一體機(jī)5，光伏逆控一體機(jī)通過調(diào)控后端壓縮機(jī)6和逆控機(jī)本身的阻抗實(shí)現(xiàn)對單晶硅光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤，使光伏陣列在變工況下可保持最大功率點(diǎn)輸出，經(jīng)過光伏逆控一體機(jī)的直流電被轉(zhuǎn)化為380 V交流電直接驅(qū)動熱泵機(jī)組壓縮機(jī)工作.

系統(tǒng)工作時(shí)，低壓氣態(tài)的制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓的氣體，制冷劑的沸點(diǎn)隨壓力的升高而升高；高沸點(diǎn)的冷媒進(jìn)入風(fēng)冷式冷凝器8液化，散熱風(fēng)扇7帶動空氣將冷媒放出的熱量帶走，制冷工質(zhì)液化變成液體，液態(tài)的制冷劑進(jìn)入毛細(xì)管9節(jié)流降壓后到達(dá)浸泡在蓄冰桶10內(nèi)的并聯(lián)式蒸發(fā)器11蒸發(fā)，制冷劑蒸發(fā)吸熱帶走蓄冰桶內(nèi)水的熱量，從而使蓄冰桶的水不斷降溫.升溫后的制冷劑重新回到壓縮機(jī)，并開始進(jìn)行下一輪的制冷循環(huán).蓄冰桶內(nèi)的水在蒸發(fā)器的制冷作用下不斷降溫，并在蒸發(fā)器表面不斷結(jié)冰.隨著機(jī)組持續(xù)運(yùn)行，蒸發(fā)器表面冰塊厚度逐漸增大，這一過程實(shí)質(zhì)為冷量轉(zhuǎn)化與存儲的過程.在用冷階段，打開系統(tǒng)供冷循環(huán)水泵12及室內(nèi)換冷風(fēng)機(jī)盤管，蓄冰桶內(nèi)的低溫水從蓄冰桶底部被循環(huán)水泵抽出，低溫水到達(dá)室內(nèi)換冷風(fēng)機(jī)盤管13后將冷量通過冷風(fēng)的形式傳遞給室內(nèi)，以達(dá)到室內(nèi)降溫的目的.換冷后的水重新循環(huán)至蓄冰桶，不斷將蓄冰桶內(nèi)冷水及冰的冷量傳遞交換至室內(nèi)，達(dá)到室內(nèi)持續(xù)供冷的目的.系統(tǒng)原理圖如圖1所示.

1-12串光伏組件；2-14串光伏組件；3-16串光伏組件陣列；4-光伏電源空氣開關(guān)；5-逆控一體機(jī)；6-壓縮機(jī)；7-冷凝風(fēng)扇；8-冷凝器；9-毛細(xì)管；10-蓄冰桶；11-并聯(lián)浸泡式蒸發(fā)器；12-變頻供冷循環(huán)水泵；13-室內(nèi)風(fēng)冷機(jī)組

圖1 系統(tǒng)原理圖

2.3 系統(tǒng)性能衡量

系統(tǒng)效率用系統(tǒng)制冷量Qc與系統(tǒng)接收的太陽輻照量Qs的比值COP來表示，系統(tǒng)制冷量Qc為蓄冰桶內(nèi)結(jié)冰后剩余水降溫的顯熱蓄能Q1、水變成冰部分的相變潛熱蓄能Q2、結(jié)冰水的降溫顯熱儲能Q3以及過冷冰的蓄能Q4之和來表示，太陽輻照量Qs為光伏板面積A與輻照量I乘積對時(shí)間t的積分，驅(qū)動功率系數(shù)ηP為光伏組件額定功率與壓縮機(jī)額定功率之比.各計(jì)算公式如下：

(1)

Qc=Q1+Q2+Q3+Q4

(2)

Q1=c1m1ΔT1

(3)

Q2=km2

(4)

Q3=c1m2ΔT2

(5)

Q4=c2m2ΔT3

(6)

(7)

(8)

式中，c1—水的比熱容，kJ·kg-1·℃-1；m1—結(jié)冰后蓄冰桶內(nèi)水的質(zhì)量，kg；ΔT1—結(jié)冰后蓄冰桶內(nèi)剩余水的溫度與降溫前的溫差，℃；k—水結(jié)成冰的相變潛熱，kJ·kg-1；m2—冰的質(zhì)量，kg；ΔT2—降溫前的水降到0 ℃的溫差，℃；c2—冰的比熱容，kJ·kg-1·℃-1；ΔT3—過冷冰溫度與0 ℃的溫差，℃；I—太陽輻照度，W·m-2；A—光伏板面積，m2；t—輻照記錄時(shí)間間隔，s；ηP—壓縮機(jī)驅(qū)動功率系數(shù)；PPV—光伏組件額定功率，W；PC—壓縮機(jī)額定功率，W.

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

光伏直驅(qū)制冷實(shí)驗(yàn)主要研究該系統(tǒng)在不同光伏面積即不同光伏組件功率驅(qū)動下的運(yùn)行特性，即在不同光伏陣列數(shù)量(以下簡稱串?dāng)?shù))下光伏組件功率與系統(tǒng)的匹配性.以此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對老撾不同地區(qū)氣象數(shù)據(jù)作模擬，獲得光伏制冷系統(tǒng)在老撾不同地區(qū)的運(yùn)行適用特性.

3.1 16串光伏組件驅(qū)動下光伏制冷系統(tǒng)運(yùn)行特性分析

16串驅(qū)動光伏制冷實(shí)驗(yàn)于2017年11月1日進(jìn)行，該模式采用16塊單晶硅光伏電池板作為動力源驅(qū)動制冷系統(tǒng)交流變頻壓縮機(jī)，光伏板總面積為20.4 m2.16串光伏組件最大功率點(diǎn)額定輸出功率為3 040 W，驅(qū)動功率系數(shù)為1.17.

實(shí)驗(yàn)于上午8∶54開始，該時(shí)刻外界環(huán)境溫度為12.4 ℃，桶內(nèi)平均水溫為10 ℃，開機(jī)時(shí)太陽瞬時(shí)輻照度為 501 W/m2，制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)啟動后瞬時(shí)功率為1 160 W，可保證系統(tǒng)壓縮機(jī)的穩(wěn)定啟動.制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)啟動后，蓄冰桶內(nèi)溫度逐漸下降至0 ℃后蒸發(fā)器表面開始結(jié)冰，至17∶22系統(tǒng)關(guān)機(jī)，桶內(nèi)冰塊溫度降為-4 ℃，環(huán)境溫度及桶內(nèi)溫度變化曲線如圖2所示.

圖2 蓄冰桶內(nèi)溫度及環(huán)境溫度變化曲線圖

Fig.2 Variation of temperature of the ice bucket and ambient temperature

系統(tǒng)開機(jī)后，壓縮機(jī)功率由378.6 W開始隨太陽瞬時(shí)輻射度的升高而升高，當(dāng)太陽輻照度達(dá)到1 019 W/m2時(shí)，系統(tǒng)壓縮機(jī)功率達(dá)到最大值1 850.83 W，且可較長時(shí)間保持在1 800 W左右運(yùn)行.13∶00后，由于天氣由晴天轉(zhuǎn)為多云天，太陽瞬時(shí)輻照度發(fā)生大范圍、無規(guī)律性波動，由于系統(tǒng)壓縮機(jī)直接由光伏電池板供電，系統(tǒng)壓縮機(jī)功率也隨之波動.當(dāng)輻照度低至158 W/m2，壓縮機(jī)功率下降至251 W，但仍可以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行.壓縮機(jī)功率及輻照度變化如圖3所示.

圖3 壓縮機(jī)功率與太陽瞬時(shí)輻照度對比變化圖

Fig.3 Comparison between compressor power and solar irradiance

制冷系統(tǒng)全天工作8.5 h，平均工作環(huán)境溫度為17 ℃，所接收到太陽輻射能共422.9 MJ.光伏逆變效率為93%，制冰量為208.6 kg，總制冷量為103.626 MJ，該系統(tǒng)整體太陽能制冷系數(shù)COP為0.24.

3.2 14串光伏組件驅(qū)動下光伏制冷系統(tǒng)運(yùn)行特性分析

14串驅(qū)動光伏制冷實(shí)驗(yàn)于2017年11月29日進(jìn)行，14塊單晶硅光伏電池板總面積為17.9 m2，14串光伏組件最大功率點(diǎn)額定輸出功率為2 660 W，驅(qū)動功率系數(shù)為1.02.實(shí)驗(yàn)于上午8:57開始，時(shí)刻環(huán)境溫度為6 ℃，桶內(nèi)平均水溫為6 ℃，開機(jī)時(shí)太陽瞬時(shí)輻照度為498 W/m2，壓縮機(jī)功率為1 104 W.隨著壓縮機(jī)的持續(xù)工作，蓄冰桶內(nèi)溫度逐漸下降開始結(jié)冰，至17∶30系統(tǒng)關(guān)機(jī)，桶內(nèi)溫度降為-8 ℃，環(huán)境溫度及桶內(nèi)溫度變化曲線如圖4所示.

圖4 蓄冰桶內(nèi)溫度及環(huán)境溫度變化曲線圖

Fig.4 Variation of temperature of the ice bucket and ambient temperature

系統(tǒng)開機(jī)后，壓縮機(jī)功率受太陽輻照度影響開始上升至1 800 W后，基本保持平穩(wěn)運(yùn)行，其間約1 h，天氣轉(zhuǎn)為多云，壓縮機(jī)功率有較大范圍波動，當(dāng)輻照度低至143 W/m2，壓縮機(jī)功率下降至300 W，仍可以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行.壓縮機(jī)功率與輻照度變化如圖5所示.

圖5 壓縮機(jī)功率與太陽瞬時(shí)輻照度對比變化圖

Fig.5 Comparison between compressor power and solar irradiance

制冷系統(tǒng)全天工作共8.5 h，平均工作環(huán)境溫度為15 ℃，全天接收到太陽輻射能共380.919 MJ，逆變效率為93%，制冰量為133.398 kg，總制冷量為64.424 MJ，系統(tǒng)整體COP為0.16.

3.3 12串光伏組件驅(qū)動下光伏制冷系統(tǒng)運(yùn)行特性分析

12串驅(qū)動光伏制冷實(shí)驗(yàn)于2017年11月28日進(jìn)行，該模式下光伏板總面積為15.4 m2.12串光伏組件最大功率點(diǎn)額定輸出功率為2 280 W，驅(qū)動功率系數(shù)為0.88.實(shí)驗(yàn)于上午8:56開始，時(shí)刻環(huán)境溫度為11 ℃，桶內(nèi)溫度由10 ℃開始下降，至17：36系統(tǒng)關(guān)機(jī)，桶內(nèi)冰層溫度降為-9 ℃，環(huán)境溫度及桶內(nèi)溫度變化曲線如圖6所示.

圖6 蓄冰桶內(nèi)溫度及環(huán)境溫度變化曲線圖

Fig.6 Variation of temperature of the ice bucket and ambient temperature

由圖7可知，系統(tǒng)工作全過程為晴天，無輻照及功率大范圍波動情況.壓縮機(jī)功率隨輻照增加至1 800 W后即保持穩(wěn)定運(yùn)行，其間兩次輻照度驟降，導(dǎo)致壓縮機(jī)功率發(fā)生波動，當(dāng)輻照度驟降至157 W/m2時(shí)，壓縮機(jī)功率降至300 W，未出現(xiàn)停機(jī)現(xiàn)象.

圖7 壓縮機(jī)功率與太陽瞬時(shí)輻照度數(shù)據(jù)圖

Fig.7 Comparison between compressor power and solar irradiance

制冷系統(tǒng)全天工作共8.5 h，平均工作環(huán)境溫度為17 ℃，接收到太陽輻射能共 356.74 MJ，逆控機(jī)逆變效率為93%，制冰量為152.226 kg，總制冷量為80.61 MJ，系統(tǒng)整體COP為0.22.

從上面三組實(shí)驗(yàn)可以看出，壓縮機(jī)功率配比系數(shù)為1.12時(shí)，壓縮機(jī)功率于輻照度700 W/m2時(shí)即可達(dá)到1 800 W，且該模式下壓縮機(jī)穩(wěn)定性較好，在輻照度大范圍波動時(shí)可維持較高的運(yùn)行功率.但該模式下隨輻照度的不斷升高，系統(tǒng)不能充分有效利用多出的太陽輻射能，從而造成能量的溢出浪費(fèi)；系數(shù)為1.02時(shí)，壓縮機(jī)功率在輻照度720 W/m2時(shí)達(dá)到1 800 W，可保持約6.5 h的穩(wěn)定運(yùn)行；功率系數(shù)為0.88時(shí)壓縮機(jī)功率在輻照度900 W/m2時(shí)方可達(dá)到1 800 W，但這一過程全天僅可保持約4 h，壓縮機(jī)由于長時(shí)間處于欠功率運(yùn)行，在該模式下長期工作將有損于壓縮機(jī)使用壽命.由此可見，合理選擇適當(dāng)?shù)墓β逝浔葘τ谔柲芄夥照{(diào)有效利用意義重大.

3.4 系統(tǒng)在老撾不同地區(qū)氣象數(shù)據(jù)適用性模擬

本文選擇老撾萬象、瑯勃拉邦、沙灣拿吉、巴色等四個(gè)不同地區(qū)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)適用性模擬，四個(gè)地區(qū)年平均空調(diào)需求量為2 000-3 000 h，有較大的空調(diào)使用需求，且各地區(qū)日平均輻照量分別為16.89、15.16、17.06、17.24 MJ/m2，可以很好地滿足該系統(tǒng)對太陽輻照的要求.本文將通過各地區(qū)輻照數(shù)據(jù)及環(huán)境溫度數(shù)據(jù)對系統(tǒng)適用性進(jìn)行模擬，取昆明地區(qū)實(shí)驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定性最好的16串光伏組件驅(qū)動模式，即壓縮機(jī)驅(qū)動功率系數(shù)為1.12，這樣可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定地在各地區(qū)穩(wěn)定運(yùn)行.老撾各地區(qū)年平均太陽輻照及環(huán)境溫度數(shù)據(jù)見表3.

表3老撾各地區(qū)年平均氣象數(shù)據(jù)

Table 3 Annual average meteorological data for four regions in Laos

項(xiàng)目萬象瑯勃拉邦沙灣拿吉巴色環(huán)境溫度/℃27.3225.2627.0828.18輻照度/(W·m-2)16.8915.1617.0617.24

按照老撾年平均氣象數(shù)據(jù)對光伏制冷系統(tǒng)在各地區(qū)的適用性進(jìn)行探究，以各地區(qū)氣象數(shù)據(jù)為依據(jù)，參考昆明地區(qū)驅(qū)動功率系數(shù)為1.12時(shí)的光伏制冰系統(tǒng)運(yùn)行性能，對該系統(tǒng)在各地區(qū)的制冰量進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果如表4所示.

表4 老撾各地區(qū)系統(tǒng)預(yù)測制冷量

由表4老撾各地區(qū)系統(tǒng)預(yù)測制冷量數(shù)據(jù)，可為太陽能光伏制冷系統(tǒng)在老撾各地區(qū)的使用提供理論研究依據(jù).用戶可根據(jù)系統(tǒng)制冷量的變化來匹配不同供冷需求的房間面積，以達(dá)到理想的供冷效果，同時(shí)保持較高的系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，以達(dá)到系統(tǒng)整體的最優(yōu)性能.

4 結(jié) 論

光伏制冷空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明具有較穩(wěn)定的運(yùn)行特性，由實(shí)驗(yàn)分析可得以下結(jié)論:

(1)該系統(tǒng)在不同串?dāng)?shù)的光伏電池板驅(qū)動下，達(dá)到系統(tǒng)啟動要求后，均可穩(wěn)定運(yùn)行.由于該系統(tǒng)為光伏直接驅(qū)動壓縮機(jī)運(yùn)行，系統(tǒng)穩(wěn)定性受輻照度影響較大，在多云工況輻照度不低于150 W/m2時(shí)未出現(xiàn)停機(jī)現(xiàn)象.16、14、12串光伏板驅(qū)動下該系統(tǒng)COP分別為0.24、0.16、0.22；

(2)由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，太陽能光伏制冷系統(tǒng)可根據(jù)不同氣象條件選擇不同串?dāng)?shù)(不同功率組合)的光伏板進(jìn)行驅(qū)動，在多云工況下可選擇驅(qū)動功率系數(shù)為1.12的運(yùn)行模式，以保證系統(tǒng)更高的穩(wěn)定性；在晴天工況下可選擇驅(qū)動系數(shù)為1.02的模式，既可保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，延長壓縮機(jī)的使用壽命，同時(shí)也能減少輻照度過高時(shí)造成的能量浪費(fèi)；系數(shù)為0.88的模式僅可用在輻照度極高的地區(qū)，以提高壓縮機(jī)使用壽命；

(3)由氣象數(shù)據(jù)可得，老撾大部分地區(qū)年需冷量較大，對老撾四個(gè)典型城市氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)適用性模擬發(fā)現(xiàn)，采用功率系數(shù)為1.12的光伏系統(tǒng)可在老撾實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)基本可滿足各地區(qū)用冷需求，用戶可根據(jù)預(yù)測系統(tǒng)制冷量來匹配用冷房間面積，以達(dá)到最優(yōu)的能量利用效果；

(4)由于該系統(tǒng)壓縮機(jī)由光伏電池板直接驅(qū)動，同時(shí)使用冰蓄冷代替蓄電池儲能，降低了系統(tǒng)成本的同時(shí)，也導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，在后期的工作中應(yīng)著力于提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，保證系統(tǒng)在變工況下的穩(wěn)定運(yùn)行，從而提高系統(tǒng)的整體能量轉(zhuǎn)換效率.