蓄熱型太陽能光伏光熱組件與熱泵一體化系統(tǒng)模擬研究

（上海理工大學 環(huán)境與建筑學院，上海 200093）

0 引言

對太陽能的光熱高效利用是緩解目前建筑能耗高、污染嚴重等問題的有效途徑之一。目前太陽能的應用方向主要分為光伏和光熱兩個部分。傳統(tǒng)的光伏組件仍有很大一部分太陽能未被利用，其中一部分被反射，另一部分加熱了組件使其溫度升高，這些能量的流逝造成了太陽能利用效率的下降并降低了系統(tǒng)穩(wěn)定性［1］。針對此問題，Russell于1977年提出了光伏/光熱（PV/T）的概念［2］，即將光伏組件和集熱器結(jié)合起來，集熱器帶走光伏板熱量并加以利用，同時還能對太陽能電池進行降溫以提高其電效率，此系統(tǒng)可以大大提升太陽能的綜合利用效率。自PV/T系統(tǒng)提出以來，國內(nèi)外許多學者對此進行了大量研究，包括PV/T系統(tǒng)傳熱性能的分析以及PV/T熱水系統(tǒng)等［3-6］。近年來一些學者對PV/T組件結(jié)合熱泵的系統(tǒng)進行了研究。荊樹春等［7］建立了聯(lián)合熱泵的光伏光熱一體化系統(tǒng)和水冷式光伏光熱一體化系統(tǒng)的數(shù)學模型，研究表明聯(lián)合熱泵的光伏光熱系統(tǒng)的電池溫度遠遠低于水冷式光伏光熱系統(tǒng)，并且提高了電效率和熱效率。周偉等［8］將PV/T熱泵與空氣源熱泵結(jié)合成雙源熱泵，通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，相較于單太陽能和單空氣能，雙熱源并聯(lián)模式所需的加熱時間更短。陳劍波等［9-10］搭建了結(jié)合光伏光熱組件和空氣源熱泵的雙源熱泵系統(tǒng)，并進行了一系列研究，得出雙源熱泵機組比單一空氣源熱泵機組更加高效與節(jié)能。

然而，目前對于蓄熱型太陽能光伏光熱組件與熱泵一體化系統(tǒng)的整體能效進行深入研究較少。本文以效率作為整體效能指標，并對蓄熱型太陽能光伏光熱組件與熱泵一體化系統(tǒng)進行模擬優(yōu)化。其中，蓄熱水箱對蓄熱型太陽能光伏光熱組件與熱泵一體化系統(tǒng)整體能效有較大影響，其原因在于蓄熱水箱的容量能夠影響光伏光熱組件的降溫效果，進而影響光伏的發(fā)電效率。同時蓄熱水箱作為熱泵機組的低位熱源，其容量也會影響熱泵的制熱效率。此外，蓄熱水箱與光伏光熱組件的集熱循環(huán)水路主要依靠集熱循環(huán)水泵來連接。理論來說，集熱循環(huán)水泵流量越大集熱效果會越明顯，熱泵制熱效率會越好。但考慮到水泵的流量越大其耗電量也會越多，所以系統(tǒng)的綜合效率不一定會有提升。

因此，本文重點從蓄熱水箱容量和集熱循環(huán)水泵流量兩方面對蓄熱型太陽能光伏光熱組件與熱泵一體化系統(tǒng)進行模擬研究。

1 系統(tǒng)工作原理

圖1示出了蓄熱型太陽能光伏光熱組件與熱泵一體化系統(tǒng)原理，該系統(tǒng)主要由光伏光熱組件和熱泵機組兩部分組成。其中，系統(tǒng)光伏光熱組件總面積為9.18 m2。光伏光熱組件可以將太陽輻射中0.6～0.7 μm波段部分通過光電轉(zhuǎn)換以實現(xiàn)電能輸出，其余波段則通過光熱轉(zhuǎn)換變成熱泵的低位熱源存儲于集熱水箱內(nèi)，用來制取生活熱水；除此之外，當陰雨天氣集熱水箱溫度降低時熱泵機組也可從室外空氣內(nèi)吸收熱量來制取熱水。其中熱泵機組的主要部件參數(shù)見表1。詳細試驗臺介紹可參見文獻［11-14］。

圖1 蓄熱型太陽能光伏光熱組件與熱泵一體化系統(tǒng)原理

表1 熱泵機組主要部件材料清單

PV/T組件中需要測量的溫度主要是集熱循環(huán)水管道進出口水溫和蓄熱水箱內(nèi)水溫，溫度傳感器選用Pt100鉑電阻，該鉑電阻的量程為-150～150 ℃，精度等級為A級；熱泵部分溫度采集主要包括蓄熱水箱和供熱水箱的溫度采集，該溫度采集使用T型熱電偶，試驗選用的T型熱電偶量程為-200～+350 ℃。電磁流量計用來測量PV/T組件中集熱循環(huán)水的流速，其詳細參數(shù)見表2。電參數(shù)的測量是由PV/T組件與交直流防雷配電柜連接，再與逆變器相連，利用逆變器可以輸出相關(guān)的發(fā)電參數(shù)，如實時發(fā)電量、累計發(fā)電量、發(fā)電輸出功率、交直流電壓和交直流電流等參數(shù)。

表2 電磁流量計參數(shù)

2 系統(tǒng)效率分析

目前PV/T與熱泵一體化系統(tǒng)的效率主要通過電效率、熱效率以及熱泵的制熱效率來評價，缺乏統(tǒng)一的衡量標準。同時，為了區(qū)分電能與熱能品位的不同，本文考慮使用的概念，通過計算系統(tǒng)整體的效率來評價系統(tǒng)的綜合性能，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的優(yōu)化。

圖2 PV/T-SAHP組件模型

本文采用Jeter［15］提出的太陽能輻射效率的計算公式，得出太陽輻射公式為：

式中 Esolar——太陽能輻射，W；

Qsolar——PV/T組件接收到的太陽輻射能，W；

T0，TS—— 環(huán)境溫度、太陽輻射溫度，K，取TS=6 000 K；

I ——PV/T組件表面太陽輻射強度，W/m2；

A ——PV/T 組件表面面積，m2。

光伏組件的電功率WP可利用光伏發(fā)電輸出的電壓U和電流I得到，PV/T組件電效率為：

水源側(cè)熱泵的制熱效率（COP）計算式為：

式中 W ——壓縮機功率，W；

QH——熱泵的制熱量，W。

式中 mL——冷凝水循環(huán)流量，kg/s；

c ——比熱容，J/（kg·℃）；

Tout，Tin——冷凝水循環(huán)進、出口水溫，℃。

3 模擬優(yōu)化及結(jié)果分析

3.1 系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建

本文采用TRNSYS軟件進行模擬。模型中氣象參數(shù)模塊可以讀取上海地區(qū)典型年氣象參數(shù)，主要選用Type50作為光伏光熱組件模塊，Type225作為水-水源熱泵模塊。根據(jù)蓄熱型太陽能光伏光熱與雙源熱泵一體化系統(tǒng)的設計方案，建立系統(tǒng)的仿真模型如圖3所示。

圖3 蓄熱型太陽能光伏光熱組件與熱泵一體化系統(tǒng)模型

3.2 系統(tǒng)仿真模型驗證

試驗裝置位于上海某大學經(jīng)濟與管理中心樓屋頂，選取2014年5月15日的試驗數(shù)據(jù)。并在該天對蓄熱型太陽能光伏光熱組件與熱泵一體化系統(tǒng)進行模擬，將模擬結(jié)果與實測結(jié)果進行比較，如圖4，5所示。由圖中可以看出，蓄熱水箱、供熱水箱和發(fā)電量的模擬數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)之間平均誤差分別為6.01%，4.50%，5.76%。因此，可以認為模擬結(jié)果具有比較高準確性，該仿真模型有一定的可靠度。

圖4 兩水箱溫度的試驗與模擬結(jié)果對比

圖5 發(fā)電量的試驗與模擬結(jié)果對比

3.3 蓄熱水箱容量的優(yōu)化研究

根據(jù)相關(guān)研究，太陽能集熱器每1 m2的集熱面積對應所需的蓄熱水箱容量約為40～100 L，本試驗系統(tǒng)搭建時蓄熱水箱的容量是根據(jù)：每m2太陽能集熱器面積需要75 L的蓄熱水箱容積來確定的［16］。系統(tǒng)光伏光熱組件組件總面積為9.18 m2，對應的蓄熱水箱容積為688 L，考慮到光伏光熱組件表面有一層單晶硅，其加熱熱水主要依靠傳熱，因此光伏光熱組件的集熱效率要低于太陽能平板集熱器，一般平板集熱器的集熱效率在40%～80%范圍內(nèi)。

綜合考慮上述條件后本文選取300，500，700 L 3種不同容量的蓄熱水箱，并通過系統(tǒng)仿真模擬來研究3種具有不同規(guī)格水箱的系統(tǒng)的運行狀況，分析各容量下系統(tǒng)的性能指標，以得出最佳的蓄熱水箱容量。此部分選取了典型夏季工況進行模擬研究。本文選取蓄熱水箱容量為300 L時的模擬結(jié)果做具體分析。

3.3.1 蓄熱水箱容量為300 L時的模擬結(jié)果

圖6示出蓄熱水箱容量為300 L時2水箱溫度變化的模擬結(jié)果。從圖中可以看出，系統(tǒng)開啟后，供熱水箱的溫度上升，蓄熱水箱的溫度下降。這是由于蓄熱水箱從光伏光熱組件處獲得的集熱量低于熱泵從蓄熱水箱處吸取的熱量導致的。在達到最低值20.87 ℃之后蓄熱水箱溫度開始上升，這是因為隨著供熱水箱的溫度接近設定值，熱泵從蓄熱水箱中的取熱量在減少，同時隨著太陽輻射強度的增大蓄熱水箱從光伏光熱組件處獲取的集熱量也在增多。最后蓄熱水箱溫度基本保持在48 ℃左右。

圖6 蓄熱水箱容量300 L時2個水箱溫度變化

蓄熱水箱容量設定為300 L時，系統(tǒng)的發(fā)電效率逐時變化如圖7所示。從圖中可以觀察到系統(tǒng)開啟后光伏組件的發(fā)電效率有明顯的提升，這是由于蓄熱水箱溫度持續(xù)降低為光伏組件起到了降溫的作用，從而提高了其發(fā)電效率。隨著光照強度增大，集熱循環(huán)水和光伏光熱組件的溫度上升，發(fā)電效率開始下降，之后受環(huán)境溫度降低的影響發(fā)電效率有短暫上升。全天系統(tǒng)電效率的平均值為12.34%。

圖7 蓄熱水箱容量300 L時系統(tǒng)電效率變化

圖8 蓄熱水箱容量300 L時系統(tǒng)效率變化

從圖可以看出，由于9：00系統(tǒng)中熱泵機組、集熱循環(huán)水泵、熱水泵均開啟導致系統(tǒng)的效率迅速降低。之后隨著熱泵制熱運行的開始，系統(tǒng)的效率開始上升。最后由于供熱水箱溫度接近設定值后熱泵機組制熱量逐漸減少直至熱泵機組停機，系統(tǒng)的效率也迅速降低至13.39%。

3.3.2 蓄熱水箱不同容量情況下系統(tǒng)的綜合分析圖9，10分別示出了不同容量時蓄熱水箱的平均溫度變化和系統(tǒng)電效率變化情況。結(jié)合兩圖可以看出，當水箱溫度越低時系統(tǒng)的電效率反而會越高，這是因為水箱溫度越低時集熱循環(huán)水的溫度也越低，對光伏板的降溫效果會越好，從而系統(tǒng)電效率越高。

圖9 不同容量時蓄熱水箱溫度變化

圖10 不同容量時系統(tǒng)電效率變化

系統(tǒng)剛開啟階段，由于熱泵從水箱的取熱量大于集熱循環(huán)的集熱量，所以水箱溫度持續(xù)降低，且水箱容量越小溫度降低越快，所以此階段300 L水箱的溫度最低，對應的發(fā)電效率最高。熱泵開啟時間段內(nèi)300，500，700 L水箱對應的系統(tǒng)平均電效率分別為12.94%，12.89%，12.88%。

熱泵機組停機后，蓄熱水箱不再供熱，只接受光熱組件對水箱的蓄熱。此時水箱容量越大溫度升高越慢，所以該階段內(nèi)700 L水箱的溫度最低，其發(fā)電效率最高。整個模擬過程中的300，500，700 L水箱對應的系統(tǒng)平均電效率分別為12.34%，12.48%，12.56%，可見700 L時系統(tǒng)全天平均電效率略高于其他兩種情況。

圖11示出熱泵運行期間系統(tǒng)各運行效率的匯總圖，從圖中可以看出，受蓄熱水箱溫度的影響700 L時熱泵COP最高，300 L時系統(tǒng)的電效率最高，但通過效率計算可以發(fā)現(xiàn)500 L時系統(tǒng)的整體效率是最高的。

圖11 不同容量時熱泵運行期間系統(tǒng)各效率匯總

綜合來看，3種蓄熱水箱容量下系統(tǒng)全天的平均電效率隨容量增大而增大，但還需考慮熱泵機組的制熱效率，發(fā)現(xiàn)當水箱容量為500 L時熱泵加熱所需的時間最短且該容量下熱泵制熱期間系統(tǒng)的效率最高，因此判斷3種不同容量的情況下，當蓄熱水箱容量為500 L時，系統(tǒng)整體的運行性能最優(yōu)。

3.4 集熱循環(huán)水泵流量的優(yōu)化研究

本文選取 0.9，1.1，1.3，1.5 m3/h 4 種不同的集熱循環(huán)水泵流量進行了模擬，通過分析各性能指標得出最佳流量。本處選取的室外工況與3.1中相同，均為典型夏季工況。本文選取集熱循環(huán)水泵流量為0.9 m3/h時的模擬結(jié)果做具體分析。

3.4.1 集熱循環(huán)水泵流量為0.9 m3/h時的模擬結(jié)果

圖12示出了集熱循環(huán)水泵流量為0.9 m3/h時系統(tǒng)2水箱溫度的變化情況。熱泵機組開啟后供熱水箱水溫在10：24達到50 ℃，熱泵的加熱時間為84 min，供熱水箱溫升速率達到為0.24 ℃/min。蓄熱水箱溫度受熱泵持續(xù)取熱的影響一直在降低。之后熱泵取熱量減少直至為0，同時隨著輻射增強蓄熱量增大，蓄熱水箱溫度持續(xù)上升，最終保持41 ℃左右。

圖12 流量0.9 m3/h時2水箱溫度變化

集熱循環(huán)水泵流量為0.9 m3/h時系統(tǒng)電效率變化情況如圖13所示。隨著熱泵和集熱循環(huán)水泵的開啟，蓄熱水箱的溫度持續(xù)降低對光伏組件的降溫效果明顯，因此可以看到系統(tǒng)的電效率有顯著提升，之后由于環(huán)境溫度和集熱循環(huán)水泵溫度上升，電效率緩慢下降。系統(tǒng)全天的平均電效率為12.48%。

圖13 流量0.9 m3/h時系統(tǒng)電效率變化

圖14示出集熱循環(huán)水泵流量為0.9 m3/h時系統(tǒng)效率變化的模擬結(jié)果。從圖中可以看出，系統(tǒng)各機組開啟的瞬間系統(tǒng)效率會短暫降低，之后隨著熱泵制熱量的上升，系統(tǒng)效率開始隨之上升。熱泵制熱量降低直至熱泵關(guān)機階段，系統(tǒng)效率迅速降低，在10：24熱泵關(guān)機時降至13.36%，整個制熱過程中系統(tǒng)平均效率為14.19%，之后受發(fā)電效率緩慢下降的影響，系統(tǒng)效率也緩慢降低。18：00后由于發(fā)電量逐漸小于水泵耗電量，系統(tǒng)效率迅速降低。

圖14 流量0.9 m3/h時系統(tǒng)效率變化

3.4.2 集熱循環(huán)水泵不同流量時系統(tǒng)的綜合分析

通過對4種流量下系統(tǒng)運行的模擬結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)：系統(tǒng)供熱水箱和蓄熱水箱溫度在不同流量時的差別很小，蓄熱水箱溫度的變化趨勢相同，最終溫度均穩(wěn)定在41 ℃左右，全天各流量下蓄熱水箱的溫差不大于0.2 ℃，可見改變集熱循環(huán)水泵的流量并不能明顯提高系統(tǒng)的蓄熱量，蓄熱水箱作為熱泵的低位熱源也就間接導致熱泵的制熱效果并未得到明顯提升，4種流量時供熱水箱均是經(jīng)過84 min加熱到設定的50 ℃。

圖15示出4種不同流量情況下系統(tǒng)的電效率變化，圖中可以看出4種情況下系統(tǒng)的電效率變化趨勢一致，各時刻的電效率差異也不大，主要原因是改變集熱循環(huán)水泵流量并不能明顯影響光伏光熱組件的蓄熱量，因此對光伏板的降溫效果差異不大。0.9，1.1，1.3，1.5 m3/h 4種不同流量下系統(tǒng)的全天平均電效率分別為12.48%，12.48%，12.49%，12.49%，可見提高集熱循環(huán)水泵的流量對系統(tǒng)電效率的提升影響有限。

圖15 不同流量時系統(tǒng)電效率變化

為得出系統(tǒng)最佳流量，必須綜合系統(tǒng)的電效率、熱泵制熱效率和系統(tǒng)耗電量等其他運行參數(shù)的影響。圖16為4種情況下系統(tǒng)在開啟熱泵期間的各運行效率匯總，由于作為低位熱源的蓄熱水箱的溫度差別很小，所以4種情況下熱泵的COP均為5.78。系統(tǒng)電效率隨流量增大略有提升，但總體差別也并不明顯。系統(tǒng)效率在流量為0.9與1.1 m3/h時相差不大分別為14.19%和14.20%，受流量增大水泵耗電量也隨之增大的影響，1.3與1.5 m3/h時系統(tǒng)的效率略有降低，分別為14.12%和14.09%。

圖16 不同流量時熱泵運行期間系統(tǒng)各效率匯總

綜合上述分析：增加集熱循環(huán)水泵流量并不能明顯提升系統(tǒng)電效率和COP，4種流量下系統(tǒng)的全天平均電效率最大相差僅為0.01%，基本可以忽略其差異，熱泵COP與制熱時間也均相同；電效率和COP基本一致，但耗電量隨流量增大而增大，因此綜合計算系統(tǒng)效率后得出流量為1.1 m3/h時效率最高，從而可以確定集熱循環(huán)水泵流量為1.1 m3/h時，系統(tǒng)整體的運行性能最優(yōu)。

4 結(jié)論

（1）對系統(tǒng)蓄熱水箱的大小進行了模擬優(yōu)化，分別對蓄熱水箱為300，500和700 L時系統(tǒng)的運行狀況進了模擬，通過計算系統(tǒng)效率，得出蓄熱水箱最佳容量為500 L。

（2）對集熱水泵流量進行了模擬優(yōu)化，分別對集熱水泵流量為0.9，1.1，1.3和1.5 m3/h時系統(tǒng)的運行狀況進了模擬，通過計算系統(tǒng)效率，得出集熱水泵最佳流量為1.1 m3/h。

另外，本文仿真模擬只針對典型夏季工況中的一天進行的，各效率間差別不夠明顯。接下來的工作將針對此系統(tǒng)進行全年仿真模擬，以獲得差別更為明顯的仿真結(jié)果。