光伏太陽(yáng)能熱泵的動(dòng)態(tài)分布參數(shù)模擬與實(shí)驗(yàn)研究

【摘要】： 隨著常規(guī)能源的日益枯竭和環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻,太陽(yáng)能因其清潔、無(wú)污染、可再生等顯著優(yōu)點(diǎn),受到人們的日益重視和青睞。光伏發(fā)電技術(shù)和太陽(yáng)能熱泵技術(shù)作為太陽(yáng)能利用的兩種不同方式,近幾十年來(lái)得到了迅速發(fā)展。 商用光伏電池組件的光電轉(zhuǎn)換效率約為6～15%,照射到光伏電池表面的太陽(yáng)能,超過(guò)85%的份額被反射或者轉(zhuǎn)換成熱能,其中一部分轉(zhuǎn)化成電池內(nèi)能,導(dǎo)致其工作溫度升高、光電轉(zhuǎn)換效率的下降。為了解決這一缺陷,在光伏電池背面鋪設(shè)流道,利用流體對(duì)光伏電池進(jìn)行降溫,改善其光電轉(zhuǎn)換效率,并將流體所吸收的熱量加以利用,即光伏光熱綜合利用(PV/T)技術(shù)?，F(xiàn)有的相關(guān)研究主要是針對(duì)以水和空氣為冷卻介質(zhì)的PV/T系統(tǒng)進(jìn)行的,相關(guān)研究結(jié)果顯示,以水為冷卻介質(zhì)能夠獲得比空氣更好的冷卻效果,但是水一般要上升到較高溫度(40℃以上)才能有效利用,這不可避免會(huì)降低對(duì)電池的冷卻效果。熱泵系統(tǒng)的制冷工質(zhì)在蒸發(fā)器中溫度較低而且波動(dòng)較小,如果采用制冷工質(zhì)對(duì)光伏電池進(jìn)行冷卻,既可以使光伏電池維持較低而且穩(wěn)定的工作溫度,提高其光電轉(zhuǎn)換效率,而且可以利用熱泵系統(tǒng)優(yōu)越的熱輸運(yùn)性能,得到遠(yuǎn)高于系統(tǒng)功耗的有效的熱能。 基于上述思想,我們提出了一種新型的光伏太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)(PhotovoltaicSolar Assisted Heat Pump,PV-SAHP)。該系統(tǒng)將光伏發(fā)電技術(shù)與直膨式太陽(yáng)能熱泵有機(jī)結(jié)合,在直膨式蒸發(fā)器的吸熱表面層壓光伏電池制成光伏蒸發(fā)器,使系統(tǒng)能夠同時(shí)輸出電能和熱能,提高了對(duì)太陽(yáng)能的綜合利用效率。 本文采用分布參數(shù)法建立光伏蒸發(fā)器的動(dòng)態(tài)模型,在模型中考慮由于摩擦所導(dǎo)致的工質(zhì)的沿程壓降及其對(duì)氣、液兩相工質(zhì)的密度、飽和溫度、比焓等物性參數(shù)的影響。以此基礎(chǔ),對(duì)光伏蒸發(fā)器在給定進(jìn)口參數(shù)和外界環(huán)境參數(shù)下全天的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬,并通過(guò)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。研究發(fā)現(xiàn),蒸發(fā)器的光電、光熱性能和工質(zhì)的壓力、溫度等相關(guān)參數(shù)的變化主要取決于太陽(yáng)輻照強(qiáng)度:環(huán)境溫度對(duì)蒸發(fā)器得熱量和光熱效率會(huì)產(chǎn)生一定的影響,隨著環(huán)境溫度的升高,有效減小了蒸發(fā)器的熱損,提高了蒸發(fā)器的得熱量和熱效率。數(shù)值模擬所給出的蒸發(fā)器的光電、光熱性能和光伏電池、集熱板的溫度分布與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果基本吻合,但是計(jì)算得到的制冷工質(zhì)壓降比實(shí)測(cè)的壓降偏小。 以蒸發(fā)器模型為基礎(chǔ),建立PV-SAHP系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分布參數(shù)模型,為了提高壓力的模擬計(jì)算精度,在蒸發(fā)器模型中引入制冷工質(zhì)摩擦壓降校正系數(shù)。對(duì)PV-SAHP系統(tǒng)在恒定冷凝水溫和變冷凝水溫工況下的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果顯示,PV-SAHP系統(tǒng)具備優(yōu)越的光電、光熱性能:在恒定冷凝水溫工況下,系統(tǒng)的平均光電轉(zhuǎn)換效率、光電功率和COP分別為13.11%、371.82W和4.3;變冷凝水溫工況下,系統(tǒng)的平均光電轉(zhuǎn)換效率、光電功率和COP分別為13.02%、455W和3.41。兩種工況下,系統(tǒng)的光電功率分別占?jí)嚎s機(jī)輸入功率的88.1%和85.5%,這意味著系統(tǒng)所輸出的電能能夠滿足自身大部分的電能需求。對(duì)比數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型具備較高的數(shù)值計(jì)算精度,能夠?qū)ο到y(tǒng)性能參數(shù)和工質(zhì)的動(dòng)態(tài)遷移情況進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。 以系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型為基礎(chǔ),根據(jù)熱力學(xué)第一定律和第二定律,采用能量效率和(火用)效率為性能評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)PV-SAHP系統(tǒng)與獨(dú)立商用PV組件和DX-SAHP系統(tǒng)以及兩者的簡(jiǎn)單疊加系統(tǒng)“PV+SAHP”系統(tǒng)的綜合性能進(jìn)行對(duì)比分析和研究。研究結(jié)果顯示,無(wú)論是從能量數(shù)量的角度,還是從能量品質(zhì)的角度來(lái)考慮,PV-SAHP系統(tǒng)的性能均高于獨(dú)立的商用PV組件、DX-SAHP系統(tǒng)和“PV+SAHP”系統(tǒng),這說(shuō)明以制冷工質(zhì)為冷卻介質(zhì),將光伏發(fā)電系統(tǒng)與太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的方式,能夠有效提高系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)能的綜合利用效率。本文還從理論上研究了光伏電池覆蓋率和蒸發(fā)器玻璃蓋板對(duì)系統(tǒng)性能的影響情況。研究結(jié)果表明,電池覆蓋率的增大使得系統(tǒng)的綜合性能得到了改善;而玻璃蓋板的存在,能夠提高系統(tǒng)的能量效率,但是卻會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)(火用)效率的降低。 為了研究熱泵系統(tǒng)在濕工況中以空氣為熱源的性能,建立了風(fēng)冷蒸發(fā)器和沉浸式水冷冷凝器的動(dòng)態(tài)分布參數(shù)模型,以空氣源熱泵(ASHP)系統(tǒng)為基礎(chǔ),對(duì)蒸發(fā)器和冷凝器在動(dòng)態(tài)溫度和濕度工況下,制冷工質(zhì)的遷移規(guī)律進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果顯示,根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型所得出的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果基本吻合;該研究結(jié)果為深入研究PV-SAHP系統(tǒng)在太陽(yáng)能不足的情況下,采用空氣熱源制取生活熱水和進(jìn)行室內(nèi)采暖的性能奠定了一定的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。 【關(guān)鍵詞】：光伏太陽(yáng)能熱泵 空氣源熱泵 光伏蒸發(fā)器 光電、光熱性能 光電轉(zhuǎn)換效率 性能系數(shù) 能量效率 (火用)效率 分布參數(shù)模型
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號(hào)】：TK513
【目錄】：

• 目錄5-10
• 摘要10-12
• Abstract12-15
• 第一章 緒論15-28
• 1.1 我國(guó)的能源概況15-18
• 1.2 太陽(yáng)能利用技術(shù)18-26
• 1.2.1 太陽(yáng)能光熱技術(shù)19-21
• 1.2.1.1 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)19
• 1.2.1.2 太陽(yáng)能空氣采暖系統(tǒng)19-20
• 1.2.1.3 太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)20-21
• 1.2.2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)21-22
• 1.2.3 太陽(yáng)能光伏光熱綜合利用技術(shù)22-24
• 1.2.4 光伏太陽(yáng)能熱泵24-26
• 1.3 分布參數(shù)模型26-27
• 1.4 本文主要內(nèi)容27-28
• 第二章 光伏太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)簡(jiǎn)介28-41
• 2.1 光伏太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的構(gòu)成和原理28-29
• 2.2 光伏太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)各主要部件結(jié)構(gòu)參數(shù)29-36
• 2.2.1 光伏蒸發(fā)器29-33
• 2.2.2 變頻壓縮機(jī)33-34
• 2.2.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)34-36
• 2.3 相關(guān)測(cè)試裝置36-40
• 2.4 本章小結(jié)40-41
• 第三章 光伏蒸發(fā)器的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證41-62
• 3.1 光伏蒸發(fā)器的數(shù)學(xué)模型41-45
• 3.1.1 制冷工質(zhì)的流動(dòng)傳熱模型41-43
• 3.1.2 光伏電池的能量平衡方程43
• 3.1.3 蒸發(fā)器集熱板的二維傳熱模型43-45
• 3.2 相關(guān)輔助參數(shù)計(jì)算公式45-50
• 3.2.1 制冷工質(zhì)的摩擦壓降45-46
• 3.2.2 制冷工質(zhì)與管壁的對(duì)流換熱系數(shù)46-47
• 3.2.3 制冷工質(zhì)物性參數(shù)47-48
• 3.2.4 電池封裝材料透過(guò)率及電池和集熱板有效吸收率48-50
• 3.3 光伏蒸發(fā)器動(dòng)態(tài)模型的求解50-53
• 3.3.1 光伏蒸發(fā)器的節(jié)點(diǎn)劃分50-51
• 3.3.2 光伏蒸發(fā)器動(dòng)態(tài)模型的離散51
• 3.3.3 計(jì)算流程51-53
• 3.4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試53-54
• 3.5 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的對(duì)比、分析和討論54-60
• 3.5.1 光伏蒸發(fā)器的壓力54-55
• 3.5.2 光伏電池和蒸發(fā)器集熱板的溫度55-56
• 3.5.3 蒸發(fā)器的光電性能56-57
• 3.5.4 蒸發(fā)器的光熱性能57-58
• 3.5.5 蒸發(fā)器的溫度分布58-59
• 3.5.6 工質(zhì)的干度和平均比焓59-60
• 3.6 本章小結(jié)60-62
• 第四章 光伏太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究62-85
• 4.1 光伏太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型63-69
• 4.1.1 光伏蒸發(fā)器模型63
• 4.1.2 變頻壓縮機(jī)模型63-66
• 4.1.3 電子膨脹閥模型66
• 4.1.4 水冷冷凝器模型66-67
• 4.1.5 水箱模型67-68
• 4.1.6 PV-SAHP系統(tǒng)性能指標(biāo)68-69
• 4.2 PV-SAHP系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型的求解69-71
• 4.2.1 PV-SAHP系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型的離散69
• 4.2.2 計(jì)算流程69-71
• 4.3 PV-SAHP系統(tǒng)在恒定冷凝水溫工況下的性能71-77
• 4.3.1 實(shí)驗(yàn)方案71-72
• 4.3.2 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的對(duì)比、分析和討論72-77
• 4.3.2.1 PV-SAHP系統(tǒng)的壓力72-74
• 4.3.2.2 PV-SAHP系統(tǒng)的冷凝功率74
• 4.3.2.3 壓縮機(jī)輸入功率74-75
• 4.3.2.4 PV-SAHP系統(tǒng)的COP75-76
• 4.3.2.5 PV-SAHP系統(tǒng)的光電性能76
• 4.3.2.6 PV-SAHP系統(tǒng)的光電光熱綜合性能76-77
• 4.4 PV-SAHP系統(tǒng)在變冷凝水溫工況下的性能77-83
• 4.4.1 實(shí)驗(yàn)方案77-78
• 4.4.2 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的對(duì)比、分析和討論78-83
• 4.4.2.1 PV-SAHP系統(tǒng)的壓力78-79
• 4.4.2.2 PV-SAHP系統(tǒng)的冷凝功率和水箱得熱79-80
• 4.4.2.3 水箱的冷凝水溫80-81
• 4.4.2.4 壓縮機(jī)輸入功率81
• 4.4.2.5 PV-SAHP系統(tǒng)的COP81-82
• 4.4.2.6 PV-SAHP系統(tǒng)的光電性能82-83
• 4.5 本章小結(jié)83-85
• 第五章 光伏太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的能量效率和(火用)效率分析85-104
• 5.1 各系統(tǒng)的能量效率分析和(火用)效率分析85-87
• 5.1.1 PV-SAHP系統(tǒng)的能量效率和(火用)效率85-86
• 5.1.2 商用PV組件的能量效率和(火用)效率86-87
• 5.1.3 DX-SAHP系統(tǒng)的能量效率和(火用)效率87
• 5.1.4 “PV+SAHP”系統(tǒng)的能量效率和(火用)效率87
• 5.2 PV-SAHP系統(tǒng)與商用PV組件的性能對(duì)比87-91
• 5.2.1 商用PV組件的動(dòng)態(tài)模型87-89
• 5.2.2 光電功率和光電轉(zhuǎn)換效率89
• 5.2.3 系統(tǒng)輸出的能量和能量效率89-90
• 5.2.4 系統(tǒng)輸出的(火用)和(火用)效率90-91
• 5.3 PV-SAHP系統(tǒng)與DX-SAHP系統(tǒng)的性能對(duì)比91-94
• 5.3.1 DX-SAHP系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型91
• 5.3.2 系統(tǒng)輸出的能量和能量效率91-93
• 5.3.3 系統(tǒng)輸出的(火用)和(火用)效率93-94
• 5.4 PV-SAHP系統(tǒng)與“PV+SAHP”系統(tǒng)的性能對(duì)比94-95
• 5.4.1 系統(tǒng)輸出的能量和能量效率94
• 5.4.2 系統(tǒng)輸出的(火用)和(火用)效率94-95
• 5.5 光伏電池覆蓋率對(duì)PV-SAHP系統(tǒng)性能的影響95-98
• 5.5.1 系統(tǒng)的光電功率和光電轉(zhuǎn)換效率95-96
• 5.5.2 系統(tǒng)的冷凝功率和壓縮機(jī)輸入功率96
• 5.5.3 系統(tǒng)的總能量收益和能量效率96-97
• 5.5.4 系統(tǒng)輸出的(火用)和(火用)效率97-98
• 5.6 蒸發(fā)器玻璃蓋板對(duì)PV-SAHP系統(tǒng)性能的影響98-102
• 5.6.1 PV-SAHP系統(tǒng)在有玻璃蓋板工況下的動(dòng)態(tài)模型98-99
• 5.6.2 系統(tǒng)的光電功率和光電轉(zhuǎn)換效率99-100
• 5.6.3 系統(tǒng)的冷凝功率和壓縮機(jī)輸入功率100-101
• 5.6.4 系統(tǒng)的總能量收益和能量效率101-102
• 5.6.5 系統(tǒng)輸出的(火用)和(火用)效率102
• 5.7 本章小結(jié)102-104
• 第六章 空氣源熱泵系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究104-121
• 6.1 空氣源熱泵系統(tǒng)(ASHP)簡(jiǎn)介104-106
• 6.1.1 壓縮機(jī)104
• 6.1.2 風(fēng)冷蒸發(fā)器104-106
• 6.1.3 沉浸式盤(pán)管水冷冷凝器106
• 6.2 ASHP系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型106-110
• 6.2.1 風(fēng)冷蒸發(fā)器模型106-108
• 6.2.1.1 制冷工質(zhì)流動(dòng)傳熱模型106
• 6.2.1.2 管壁能量平衡方程106-107
• 6.2.1.3 空氣的傳熱傳質(zhì)模型107-108
• 6.2.2 沉浸式盤(pán)管水冷冷凝器模型108
• 6.2.2.1 管壁能量平衡方程108
• 6.2.2.2 冷凝水能量平衡方程108
• 6.2.3 壓縮機(jī)模型108-109
• 6.2.4 毛細(xì)管模型109-110
• 6.2.5 ASHP系統(tǒng)的COP110
• 6.2.6 ASHP系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型的求解說(shuō)明110
• 6.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方案110-112
• 6.4 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的分析與討論112-119
• 6.4.1 系統(tǒng)冷凝水溫的變化情況112-113
• 6.4.2 系統(tǒng)的壓力分布113-114
• 6.4.3 系統(tǒng)的溫度分布114-117
• 6.4.4 系統(tǒng)的冷凝功率117-118
• 6.4.5 系統(tǒng)的總功耗118-119
• 6.4.6 系統(tǒng)的COP119
• 6.5 本章小結(jié)119-121
• 第七章 全文總結(jié)及后續(xù)工作展望121-124
• 7.1 本文主要工作及創(chuàng)新點(diǎn)121-122
• 7.2 后續(xù)工作展望122-124
• 參考文獻(xiàn)124-132
• 術(shù)語(yǔ)表132-134
• 圖表清單134-138
• 論文、獎(jiǎng)勵(lì)及科研情況138-141
• 致謝141

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多功能熱泵系統(tǒng)的智能控制及能效評(píng)價(jià)方法研究    江明旒

空氣源熱泵在西安地區(qū)的應(yīng)用研究    康彥青

家用空氣源熱泵供熱性能分析    蘭菁

無(wú)霜空氣源熱泵系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究    高強(qiáng)

復(fù)疊式蓄熱型空氣源熱泵熱水器動(dòng)態(tài)特性研究    朱鈺娟

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空氣源熱泵熱水器的換熱優(yōu)化設(shè)計(jì)    岳亞蛟

無(wú)霜空氣源熱泵系統(tǒng)噴淋溶液特性變化規(guī)律研究    閆凌

小型空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能熱水裝置的應(yīng)用性研究    王所平

蓄能型空氣源熱泵熱水機(jī)組的研究    呂永鵬

空氣源熱泵結(jié)霜/除霜特性的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究    陳軼光