基于TRNSYS的CIGS薄膜光伏余熱-土壤源雙熱源熱泵系統(tǒng)模擬

于 靚,畢然冉,李辰琦,董玉寬

(沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110168)

太陽能作為極具發(fā)展前景的可再生能源,近年來已在我國得到了廣泛利用。其應(yīng)用方式主要有太陽能集熱系統(tǒng)、太陽能光伏系統(tǒng)、太陽能光電/光熱一體化(Photovoltaic/Thermal,PV/T)系統(tǒng)以及與其他可再生能源的耦合系統(tǒng)[1-2]。但在太陽能光伏系統(tǒng)中,光伏組件只能將18%的太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能,高達(dá)82%的能量都會(huì)作為熱能散失[3]。CIGS薄膜光伏電池作為第二代太陽能電池具有光電轉(zhuǎn)化效率高、弱光效應(yīng)好等優(yōu)勢,但它同樣面臨余熱積聚面板溫度升高帶來的光電轉(zhuǎn)化效率降低問題。根據(jù)Aish的實(shí)驗(yàn)研究表明,單晶硅、多晶硅、CIGS太陽能光伏電池分別在面板溫度由25℃升高至45℃時(shí)電量的下降程度依次為單晶硅(0.54%/℃)、多晶硅(0.49%/℃)、銅銦鎵硒(0.38%/℃)[4]。CIGS薄膜光伏電池的工作溫度每降低1℃,光電轉(zhuǎn)換效率可提高0.36%左右[5]。而熱泵cop值與蒸發(fā)溫度和冷凝溫度密切相關(guān),冷凝溫度趨于一定時(shí),蒸發(fā)溫度越高,熱泵的循環(huán)性能系數(shù)也越高。因此筆者將CIGS光伏組件余熱與土壤源熱泵組合形成CIGS-BIPV/T-土壤源雙熱源熱泵系統(tǒng),提高CIGS光電轉(zhuǎn)化效率及熱泵制熱性能,滿足居住建筑物用電、冷熱負(fù)荷及生活熱水的需求。由于太陽輻射產(chǎn)生的熱量沿電池層垂直厚度方向的導(dǎo)熱很微弱,而CIGS電池組件中電池層采用濺射法制成,厚度不超過10 μm[6],且可選用玻璃、金屬等柔性襯底,便于流體通道焊接,從而一體化制作PV/T組件。

1 組件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)中CIGS-BIPV/T組件的結(jié)構(gòu)如圖1所示,自上而下依次分別為鋼化玻璃蓋板、EVA膠合粘膜材料層、CIGS薄膜電池層、基底玻璃層?；撞Ａc下方的集熱背板在EVA膠粘膜的作用下緊密貼合,平行銅管焊接于背板下方,銅管與集熱板間的間隙使用熱絕緣材料填充。

圖1 CIGS-BIPV/T組件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of CIGS-BIPV/T module

2 物理模型及參數(shù)

2.1 建筑模型

選取沈陽市某別墅型建筑為實(shí)例,建筑總面積為300 m2,建筑高度為10.2 m。在DeST軟件中建立了如圖2所示的建筑模型。

圖2 DeST建筑模型圖Fig.2 Dest building model drawing

圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是嚴(yán)寒地區(qū)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容[7-10],建筑模型按照《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51350—2019)進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)選取,參數(shù)結(jié)果如表1所示。

表1 DeST建筑模型圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)選取Table 1 Thermal parameters of the envelope structure in the DeST building model

2.2 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)主要由CIGS-BIPV/T組件、熱泵機(jī)組、蓄熱水箱等設(shè)備模塊組成,其中CIGS-BIPV組件的參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 CIGS-BIPV/T組件主要參數(shù)選取Table 2 Main parameters of CIGS-BIPV module

在TRNSYS軟件中設(shè)置各模塊所需的參數(shù)和模擬量并輸入初始值,按照實(shí)際運(yùn)行方式進(jìn)行環(huán)路連接。構(gòu)建的CIGS-BIPV/T-土壤源雙熱源熱泵系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖3 CIGS-BIPV/T-土壤源雙熱源熱泵系統(tǒng)模型圖Fig.3 Model diagram of CIGS-BIPV/T-soil source double heat pump system

其中CIGS薄膜光伏電池產(chǎn)生電能用于建筑物內(nèi)生活用電,冬季工況時(shí),土壤源熱泵內(nèi)循環(huán)水流經(jīng)連接CIGS-BIPV/T組件背部帶走光伏余熱,余熱環(huán)路與地源側(cè)環(huán)路通過蓄熱水箱2進(jìn)行連接并由蓄熱水箱2完成光伏余熱與淺層地?zé)崮艿膮R聚與遷移,熱泵機(jī)組的循環(huán)方向?yàn)橹茻嵫h(huán);夏季工況時(shí)通過啟停裝置關(guān)閉蓄熱水箱2,兩個(gè)環(huán)路相互獨(dú)立,CIGS-BIPV/T組件的余熱用于加熱蓄熱水箱1中的生活熱水,滿足建筑物夏季的生活熱水需求,熱泵機(jī)組的循環(huán)方向?yàn)橹评溲h(huán)。冷卻水泵設(shè)置為定頻運(yùn)行,冷凍水泵設(shè)置為變頻運(yùn)行,根據(jù)DeST軟件得到的逐時(shí)負(fù)荷改變其逐時(shí)流量。DeST負(fù)荷數(shù)據(jù)以Type9e模塊鏈接,通過Type682鏈接至負(fù)荷側(cè)。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 建筑負(fù)荷分布

由DeST軟件模擬計(jì)算得全年8 760 h的建筑負(fù)荷分布結(jié)果如圖4所示。沈陽市為嚴(yán)寒地區(qū)典型城市,由于室外溫度的變化導(dǎo)致整個(gè)供暖期內(nèi)的熱負(fù)荷值波動(dòng)較大。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果顯示,全年累計(jì)采暖熱負(fù)荷值為13 121.54 kW·h,冷負(fù)荷值為1 874.15 kW·h,冷熱負(fù)荷都存在較為明顯的多峰值分布情況。總體來看,負(fù)荷的分布情況呈現(xiàn)為波動(dòng)型的正態(tài)分布。過渡季當(dāng)中未出現(xiàn)冷熱負(fù)荷共存的現(xiàn)象。

圖4 建筑全年逐時(shí)負(fù)荷分布圖Fig.4 Hourly load distribution of the building

3.2 雙水箱溫度分布情況

為便于系統(tǒng)的運(yùn)行和調(diào)節(jié),筆者設(shè)計(jì)了雙水箱運(yùn)行模式,其溫度變化趨勢以及波動(dòng)情況對比如圖5所示。由圖可知,兩種水箱的溫度分布基本保持一致。連接紅色光伏余熱環(huán)路與藍(lán)色地源側(cè)環(huán)路的蓄熱水箱1,其可利用能量效率基本與CIGS-BIPV/組件所接收的總輻射量變化趨勢大致相同,導(dǎo)致運(yùn)行過程中的溫度分布區(qū)間較大。尤其是在冬季運(yùn)行工況中的12月初供暖時(shí),系統(tǒng)并未實(shí)現(xiàn)全月供熱,故被有效利用的太陽輻射熱能較少,溫度分布的波動(dòng)情況較大。1月為采暖季最冷月，室外溫度最低,建筑采暖熱負(fù)荷增大,系統(tǒng)供熱量增大,CIGS-BIPV/T組件有效利用余熱量也增大。夏季工況中,由于室外氣溫較高,雙水箱運(yùn)行溫度的波動(dòng)情況較為一致,沈陽地區(qū)進(jìn)入到9月雨水天氣減少,主要以晴朗天氣為主,太陽輻射最為強(qiáng)烈,因此9月時(shí)水箱溫度達(dá)到峰值。雙水箱供熱系統(tǒng)中CIGS-BIPV/T環(huán)路采用獨(dú)立供/儲(chǔ)熱的方式,可通過對雙水箱溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,在不同的運(yùn)行工況下進(jìn)行智能切換來滿足不同室外氣象條件下室內(nèi)用能的需求。

圖5 雙水箱溫度分布情況Fig.5 Temperature distribution of double water tanks

3.3 系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

由于CIGS-BIPV/T組件空間位置關(guān)系是影響組件接收太陽輻射的關(guān)鍵因素,為了實(shí)現(xiàn)CIGS-BIPV/T-土壤源雙熱源熱泵系統(tǒng)中關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化匹配,筆者重點(diǎn)對組件的傾角、方位角進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化[11-13]。以組件整體表面所接受到的最高輻射量為目標(biāo)函數(shù),以組件的傾角和方位角為優(yōu)化變量,通過Genopt軟件調(diào)用Hooke-Jeeves算法對優(yōu)化變量進(jìn)行迭代計(jì)算優(yōu)化,計(jì)算過程結(jié)果如圖6所示。

圖6 迭代計(jì)算尋優(yōu)過程Fig.6 Iterative computational optimization process

Hooke-Jeeves算法通過不斷的變化目標(biāo)變量的參數(shù)取值進(jìn)行迭代計(jì)算,以證明算法的應(yīng)用合理性[14]。經(jīng)過76次迭代計(jì)算時(shí),目標(biāo)函數(shù)取得最大值,同時(shí)優(yōu)化變量得到最優(yōu)解。因此組件傾角設(shè)置范圍為42°到45°,方位角設(shè)置范圍為正南到南偏西1.56°時(shí)能夠獲得日最大發(fā)電量。

3.4 多元線性回歸計(jì)算

在CIGS-BIPV/T-土壤源雙熱源熱泵系統(tǒng)中,CIGS光伏余熱環(huán)路是影響系統(tǒng)運(yùn)行的重要組成環(huán)路,環(huán)路參數(shù)較多,參數(shù)之間互相耦合。因此對整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了線性相關(guān)水平分析,以發(fā)電功率為因變量,以太陽入射輻射、水箱溫度、室外氣溫和薄膜組件出水溫度為解釋變量建立多元線性回歸模型[15]?；貧w系數(shù)如表3所示,線性回歸模型參數(shù)值如表4所示,方差分析如表5所示。

表3 回歸系數(shù)表Table 3 Regression coefficient

表4 回歸模型參數(shù)值Table 4 Regression model parameters

表5 ANOVAaTable 5 ANOVAa

由表3可知,所選取的5個(gè)解釋變量的容差均大于0.1,同時(shí)方差膨脹因子VIF均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于10,表明這5個(gè)解釋變量的選取是合理的,不會(huì)存在多重共線性的問題。

由表4可以看出,調(diào)整后的R2為0.989,在其取值范圍(0,1)內(nèi),證明回歸模型的線性回歸效果顯著,模型的擬合程度較高。

從表5可以看出,方差檢驗(yàn)量的計(jì)算值為772 877.5,明顯大于F0.05,模型回歸效果顯著。同時(shí)差異性檢驗(yàn)值<0.05,方程具有明顯的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,能夠作為預(yù)測方程。光伏系統(tǒng)中的發(fā)電量預(yù)測模型:

y=0.119x1-0.001x2-0.003x3+

0.002x4+0.002 7x5+0.028.

(8)

式中:x1為太陽入射輻射;x2為室外氣溫;x3為1號水箱溫度;x4為2號水箱溫度;x5為CIGS-BIPV/T組件出水溫度。

4 結(jié) 論

(1)實(shí)例建筑全年累計(jì)采暖熱負(fù)荷13 121.54 kW·h,冷負(fù)荷1 874.15 kW·h,生活熱水年耗熱量12 455.48 kW,完全由CIGS-BIPV/T-土壤源雙熱源熱泵系統(tǒng)提供,系統(tǒng)能夠滿足建筑物內(nèi)冷熱負(fù)荷及生活熱水需求。

(2)對CIGS-BIPV/T組件的傾角和方位角進(jìn)行迭代優(yōu)化計(jì)算得出熱組件傾角的設(shè)置范圍為42°到45°,方位角設(shè)置范圍為正南至南偏西1.56°。在此放置條件下能夠獲得日最高發(fā)電量,其值為1.89(kW·h)/m2。

(3)CIGS-BIPV/T組件發(fā)電量多元線性回歸模型的R2為0.989,方差檢驗(yàn)量的計(jì)算值為772 877.5,明顯大于F0.05,線性回歸關(guān)系較好,模型的擬合度較高,預(yù)測方程能夠?qū)崿F(xiàn)對CIGS-BIPV/T組件發(fā)電量的精準(zhǔn)預(yù)測。組件全年發(fā)電量的預(yù)測值為5 427.35 kW·h。