基于动态分布参数模型的光伏太阳能热泵系统的数值模拟

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1、第29卷第l2期太阳能学报Vo1．29．No．122008年12月ACTAENERGIAES0LARISSINICADec．，2008基于动态分布参数模型的光伏太阳能热泵系统的数值模拟何汉峰，季杰，裴刚，何伟，刘可亮(中国科学技术大学热科学和能源工程系，合肥230026)摘要：采用分布参数法，根据平衡均相流理论，建立了光伏太阳能热泵(PV．SAHP)系统的动态分布参数模型。通过数值模拟对系统在动态工况下的光电光热性能进行研究。研究结果显示PV—SAI-IP系统具备优越的光电光热性能，系统的COP为3．1～5．8，全天的平均值为4．8，明显高于普通的风冷热泵；系统光

2、电转换效率为12．38％～13．31％；系统全天的平均光电功率为375W，相当于系统平均功耗(474．8W)的79％。对模拟结果进行对比分析后发现系统光电光热性能主要由太阳辐照强度所决定，并受环境温度的影响。关键词：太阳能热泵；光伏蒸发器；动态；数值模拟；分布参数；性能系数中图分类号：qK514，YK511．2文献标识码：A才能有效利用，由于光伏电池与底板的接触热阻，电U刖罱池与冷却水之间存在一定的温差，随着水温的上，直膨式太阳能热泵(DX—SAHP)系统因其优越的光伏电池的光电转换效率明显下降。热泵系统的制热输运性能长期以来受到广泛关注。国外许多学者冷工质在蒸发

3、器中温度较低且波动较小，如果以制在理论和实验方面做了大量研究工作¨J。近年冷工质对光伏电池进行冷却，既可以使光伏电池维来，上海交通大学l5，、哈尔滨工业大学l7]、天津大持较低而且可以稳定的工作温度，提高光电转换效学l8等高校的学者通过理论分析和实验测试等手段率。此外，还可以利用热泵系统优越的热输运性能，对DX—SAHP系统的性能进行了较深入的研究。得到远高于功耗的有效热能。随着技术的发展和产业规模的扩大，近几年来基于上述思想，作者提出了一种新型的光伏太光伏电池的成本逐步下降，为光伏发电技术的大规阳能热泵系统(PvSolarAssistedHeatPump，PV．

4、模应用奠定了一定的基础。但是，从目前的情况来SAHP)。该系统将光伏发电技术与直膨式太阳能看，光伏电池的能量利用率依然较低，照射到电池表热泵有机结合，在直膨式蒸发器的吸热表面层压光面的太阳能只有不到20％的份额被转化成电能，其伏电池制成光伏蒸发器，使得系统具备光电光热综余能量被转化成热能，一部分散失到环境中，另一部合利用能力，提高了系统对太阳能的综合利用效率。分使得光伏电池的温度升高，导致电池光电转换效作者曾对光伏蒸发器在稳态工况下的光电光热性能率下降(工作温度每上升1℃，发电效率下降3％o～进行了初步研究_l驯，研究结果显示，系统具备较高5‰)。解决这一问题的有

5、效方法是利用冷却工质对的光电光热性能，在相同工况下，光伏蒸发器的光电光伏电池进行冷却，降低其工作温度以提高光电转转换效率明显高于同尺寸的商业光伏组件的发电效化效率，并对冷却工质所吸收的热能进行利用，提高率；光伏蒸发器的得热功率比传统直膨式蒸发器略系统对太阳能的综合利用效率。基于这一思想，国微降低，但是其综合能量收益则有了显著提高。内外许多学者以水和空气为冷却工质进行了大量研本文以均相流理论为基础，建立了PV．SAHP系究工作。研究结果表明，水的冷却效果明显比统的动态分布式参数模型，对系统在动态工况下的空气好，但是水一般要上升到较高温度(40℃以上)光电光热性能进行

6、研究。收稿日期：200705—22基金项目：国家自然科学基金(5O478【)23；50708105)；安徽省自然科学基金(070414161)通讯作者：季杰(1963一)，男，博士、教授，主要研究方向为太阳能利用，空调、热泵，建筑节能。jijie@ustc．edu．c：n12期何汉峰等：基于动态分布参数模型的光伏太阳能热泵系统的数值模拟守恒、动量守恒和质量守恒原理得到如下系统模型。1光伏蒸发器的结构2．1制冷工质的分布参数模型光伏蒸发器是PV．SAHP系统的核心部件，其具如图3所示，选取节点为控制容积，根据质量体结构如图1、图2所示。单个蒸发器模块尺寸为守恒、动量

7、守恒和能量守恒推导出光伏蒸发器和冷1．01m×0．73m；制冷管道长为6m，内外径分别6mm凝器中制冷工质的分布参数模型。和8mm，管间距W=0．13m。PV—SAHP系统的蒸发一三垦鎏：器阵列由9块蒸发器模块构成，其中每3块蒸发器串联成一路，3路再进行并联，总集热面积5．49rn2，光伏电池面积4．59rT12。制冷管道光电池铝合金板薄铝板图3控制吞i不恿图Fig．3Controlvolumefortherefrigerantside质量守恒方程：绝热层+=0(1)式中，10——工质的平均密度，k∥rn3，定义如下：图1光伏蒸发器模块局部剖面图Fig．1Cros

8、s-sec