光伏直驅(qū)冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)電能特性及蓄冷供冷性能分析

尹卓， 李國(guó)良， 李明， 羅熙， 王良

(1.云南師范大學(xué)太陽(yáng)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)

在建筑能耗中，空調(diào)的耗能占比極大，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出以太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的空調(diào)來(lái)緩解能源危機(jī)，達(dá)到節(jié)能減排的目的.太陽(yáng)能空調(diào)[1-4]有光熱驅(qū)動(dòng)及光伏驅(qū)動(dòng)兩種模式，經(jīng)過不斷研究，由光熱驅(qū)動(dòng)的太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)性能系數(shù)(COP,coefficient of performance)可達(dá)到0.18[5-8]，但光熱驅(qū)動(dòng)的太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)在性價(jià)比、運(yùn)行穩(wěn)定性方面仍需要進(jìn)行改善,隨著光伏組件性能的提升及價(jià)格的下降，光伏驅(qū)動(dòng)的空調(diào)更有發(fā)展優(yōu)勢(shì).光伏空調(diào)大多要采用蓄電池蓄電，蓄電池的使用會(huì)造成初始投資過大，且使用后的廢舊蓄電池的處理對(duì)環(huán)境的污染也不容小覷.

為研究太陽(yáng)能光伏空調(diào)在無(wú)蓄電池條件下的運(yùn)行特性，本文構(gòu)建了光伏直驅(qū)變頻壓縮機(jī)靜態(tài)制冰蓄冷的水冷空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)典型多云天氣下直驅(qū)電能特性、壓縮機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性能、輻照度匹配、壓縮機(jī)能效比、光伏陣列光電轉(zhuǎn)換效率、系統(tǒng)COP及蓄冷供冷效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，為光伏直驅(qū)模式應(yīng)用于太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)提供參考.

1 系統(tǒng)組成及工作原理

光伏直驅(qū)變頻壓縮機(jī)制冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)原理圖如圖1所示.系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由光伏陣列接收太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)逆控一體機(jī)后輸出三相交流電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)壓縮機(jī)運(yùn)行.在制冷循環(huán)中，壓縮機(jī)排出高溫高壓氣體進(jìn)入風(fēng)冷式冷凝器換熱，然后經(jīng)節(jié)流閥降壓進(jìn)入蓄冰桶內(nèi)的盤管式蒸發(fā)器，蒸發(fā)器吸收桶內(nèi)水的熱量以達(dá)到降溫制冰的目的，經(jīng)換熱后的制冷劑被吸入到壓縮機(jī)，完成一個(gè)循環(huán).在用冷循環(huán)中，采用變頻水泵將蓄冰桶內(nèi)的冰水運(yùn)輸?shù)绞覂?nèi)的換熱風(fēng)機(jī)盤管，為26 m2房間輸送冷風(fēng)，換熱后的冷水回到蓄冰桶內(nèi)，完成一個(gè)循環(huán).空調(diào)系統(tǒng)各部分規(guī)格參數(shù)如表1.

1.光伏組件 2.光伏逆控一體機(jī) 3.交流壓縮機(jī) 4.冷凝器風(fēng)扇 5.冷凝器 6.節(jié)流閥 7.蒸發(fā)器 8.蓄冰桶 9.溫度傳感器 10.儲(chǔ)液器 11.數(shù)據(jù)采集器 12.電磁流量計(jì) 13.變頻水泵 14.室內(nèi)換熱盤管 15.供冷房間(26 m2)

圖1光伏直驅(qū)制冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)示意圖

Fig.1Schematicdiagramoficestoragecoldsystemdirectlydrivenbyphotovoltaic

表1 系統(tǒng)部件參數(shù)

2 系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)

制冷系統(tǒng)性能用系統(tǒng)COP來(lái)進(jìn)行評(píng)估[9]，光伏發(fā)電的電能質(zhì)量可依據(jù)國(guó)際大電網(wǎng)委員會(huì)提出的三相不平衡度[10-11]進(jìn)行評(píng)估.

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

3.1 電能特性分析

分布式光伏直驅(qū)制冰蓄冷實(shí)驗(yàn)在某典型多云天氣下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為8∶41-17∶10，上午少云，下午為多云天氣，最高輻照度為1 019 W/m2，實(shí)驗(yàn)期間的輻照總量21.095 MJ/m2，平均環(huán)境溫度為22 ℃.

經(jīng)計(jì)算，光伏逆控一體機(jī)的平均逆變效率約為96%，光伏陣列經(jīng)過逆變變頻后的全天三相電壓和電流的不平衡度平均值分別為0.18%和1.53%，最大不平衡度為0.75%和1.99%左右，電能質(zhì)量符合《電能質(zhì)量三相電壓不平衡GB/T 15543-2008》標(biāo)準(zhǔn).

基于本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)試結(jié)果表明：當(dāng)瞬時(shí)輻照度為111 W/m2時(shí)壓縮機(jī)即可啟動(dòng)運(yùn)行，此時(shí)壓縮機(jī)運(yùn)行功率為269.1 W，運(yùn)行頻率為11.8 Hz，當(dāng)瞬時(shí)輻照度大于774 W/m2時(shí)，壓縮機(jī)可在其最佳運(yùn)行頻率60 Hz左右運(yùn)行.系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果如表2所示.

表2 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

3.2 蓄冷供冷性能分析

實(shí)驗(yàn)過程中系統(tǒng)的冷凝器、蒸發(fā)器及蓄冰桶內(nèi)冷凍水溫度變化如圖2所示.在蓄冷過程中，冷凝器的表面溫度先小幅度上升然后逐漸下降；蓄冰桶內(nèi)蒸發(fā)器溫度變化情況與冷凝器相反，在14∶26左右下降到最低溫度-14.4 ℃，然后逐漸上升.制冷過程一直持續(xù)到輻射強(qiáng)度低于111 W/m2，之后由于輻照度不足(17∶10)，制冷停止，系統(tǒng)開始為房間供冷.在為房間提供冷風(fēng)的過程中，室內(nèi)溫度、環(huán)境溫度及風(fēng)機(jī)出口溫度情況如圖3所示.到21∶35左右時(shí)，蒸發(fā)器表面溫度與蓄冰桶內(nèi)冷凍水溫度趨于一致(見圖2)，表明冰已經(jīng)完全融化，后期只有蓄冰桶內(nèi)的冰水供冷.當(dāng)供冷到00∶35左右時(shí)，蓄冰桶內(nèi)水溫上升到11.7 ℃，該溫度已低于國(guó)家水冷空調(diào)的供冷標(biāo)準(zhǔn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，制冷系統(tǒng)在白天工作9 h蓄冷，可以在夜間為26 m2房間供冷7.4 h.

圖2制冷供冷循環(huán)過程中冷凝蒸發(fā)部件溫度變化

Fig.2Temperaturechangeofthecondenserandevaporatorinrefrigerationandcoolingcycle

圖3 供冷循環(huán)過程中室內(nèi)外溫度變化

Fig.3Temperaturechangeinsideandoutsideincoolingcycle

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過構(gòu)建光伏直驅(qū)冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的電能特性及供冷性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，得出以下結(jié)果：

1)分布式光伏直驅(qū)變頻壓縮機(jī)制冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)在瞬時(shí)輻照度為111 W/m2時(shí)即可啟動(dòng)運(yùn)行，壓縮機(jī)運(yùn)行功率為269.1 W，運(yùn)行頻率為11.8 Hz，系統(tǒng)可在輻照度波動(dòng)情況下全天運(yùn)行.

2)逆變變頻后的三相電壓和電流的不平衡度平均值分別為0.18%和1.53%，光伏陣列經(jīng)過逆變變頻后的電能質(zhì)量達(dá)到中國(guó)三相電不平衡度規(guī)范性的標(biāo)準(zhǔn).

3)在典型的多云天氣情況下，光伏直驅(qū)系統(tǒng)中光電轉(zhuǎn)換效率為10.99%，且壓縮機(jī)的總耗電量為13.695 kWh，系統(tǒng)制冰量為124.6 kg，制冷機(jī)組能效比2.11，系統(tǒng)COP為0.232.制冷系統(tǒng)在白天工作9 h進(jìn)行蓄冷，可以在夜間為26 m2房間供冷7.4 h.