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發(fā)布時間：2020-06-02 09:02:20
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摘 要： 基于PVT系統(tǒng)存在太陽能間歇性，無法保證光熱轉(zhuǎn)換連續(xù)進(jìn)行的特點，以及存在集熱后太陽能電池背板溫度過高，導(dǎo)致電池板光伏發(fā)電效率下降的缺陷。采用地源熱泵與PVT系統(tǒng)相結(jié)合，解決了單純PVT系統(tǒng)在日照不充足情況下熱量不能連續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)的問題，提高了系統(tǒng)的熱能利用率。 同時系統(tǒng)采用定溫加熱、溫差循環(huán)技術(shù)，有效降低了太陽能電池背板的溫度，提高了太陽能電池的光伏發(fā)電效率和地源熱泵的工作效率以及系統(tǒng)在不同工況下連續(xù)運行的可靠性和穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞： 地源熱泵； PVT； 應(yīng)用研究； 定溫加熱
中圖分類號： TN911?34； TK519 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）22?0168?03
0 引 言
地源熱泵是一種利用淺層地?zé)豳Y源，依據(jù)逆卡諾循環(huán)工作原理，既可供熱又可制冷，能實現(xiàn)蒸發(fā)器與冷凝器功能轉(zhuǎn)換的設(shè)備。它利用淺層地表一年四季溫度均相對穩(wěn)定的特性，通過輸入較少的高位能電能，實現(xiàn)熱能從低溫向高溫的轉(zhuǎn)移，并取得較多的熱能[1]。熱泵機組冬季把熱量從地下取出來供給室內(nèi)，此時土壤作為熱泵機組的“熱源”；夏季把室內(nèi)熱量取出來釋放到地下，此時土壤作為熱泵機組的“冷源”。和其他電加熱、燃料燃燒加熱等傳統(tǒng)加熱方式比較，它從地下環(huán)境吸取熱量傳遞給高溫物體，將低位熱源輸送到高溫?zé)嵩?，只需供給少量高位能就可以高效地從周圍環(huán)境提取低位能，是一種高效節(jié)能、無污染、可再生、可持續(xù)發(fā)展的能源先進(jìn)利用形式。對節(jié)約常規(guī)能源、緩解大氣污染和溫室效應(yīng)具有積極的作用[2]。
1 目前PVT系統(tǒng)存在的問題
PVT系統(tǒng)是集太陽能光伏發(fā)電和光熱為一體的系統(tǒng)稱為太陽能光伏光熱聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，簡稱PVT。它包含光伏（PV）與光熱（PT）兩部分，其集太陽能電池和太陽能集熱器于一體，利用光生伏特效應(yīng)，使光能轉(zhuǎn)化為直流電，再經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)化為工頻交流電供人們使用，通過電池板發(fā)電得到電收益。同時將太陽能電池板光電轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的部分熱能，通過熱交換收集起來，不斷被轉(zhuǎn)化出來的熱量加熱熱水，供人們使用，從而實現(xiàn)PVT系統(tǒng)的熱電聯(lián)供[3]。
PVT系統(tǒng)通常包括：PVT組件、匯流箱、逆變器、純水箱、板式換熱器、蓄熱水箱。其中PVT組件是其核心內(nèi)容，包括：玻璃蓋板、電池板、集熱器、導(dǎo)熱硅脂層、水管、絕熱層等。在玻璃蓋板與電池板之間設(shè)有空氣層，以便減少電池板正面的熱損失。導(dǎo)熱硅脂層強化了電池板與集熱器之間的傳熱，絕熱層減少了集熱器背部的熱損失。水管均勻安裝在集熱器上，保證水管內(nèi)的溫度一致，蓄熱水箱儲存吸熱后的熱水[4]。
PVT集熱器產(chǎn)生的熱量溫度一般在30～60 ℃，適用于家用熱水、采暖和其他對低溫?zé)崃坑写罅啃枨蟮墓?、民用或工業(yè)領(lǐng)域[5]?？紤]到電能是高品位能量，熱能是低品位能量，首要目的是設(shè)法提高光伏發(fā)電效率，獲得更多的電能，以縮短發(fā)電系統(tǒng)投資回收期。同時獲得的熱能作為副產(chǎn)品，能產(chǎn)生一定量的熱水。但是PVT系統(tǒng)在陰雨天氣及晚上等日照不充足的時間，存在無法全天候保證光熱轉(zhuǎn)換的問題，導(dǎo)致熱水供應(yīng)無法連續(xù)進(jìn)行，同時集熱后太陽能電池背板溫度過高，造成電池板光伏發(fā)電效率下降，影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作[6?7]。
2 地源熱泵?PVT系統(tǒng)
2.1 系統(tǒng)工作原理
地源熱泵?PVT系統(tǒng)則實現(xiàn)太陽能與地源熱泵的綜合利用，地源熱泵與太陽能相結(jié)合具有很好的互補性[8]。太陽能可以提高地源熱泵的進(jìn)液溫度，提高運行效率；地源熱泵可以補償太陽能日照影響的間歇性[9]。系統(tǒng)利用太陽能作為蒸發(fā)器熱源，將地源熱泵和PVT系統(tǒng)有機結(jié)合在一起，在陰雨天及夜晚，地源熱泵作為加熱系統(tǒng)的輔助熱源，全天候工作提供熱水或熱量，能有效的解決在陰雨天及夜晚等日照不充足的情況下，PVT熱水供應(yīng)不穩(wěn)定不連續(xù)的問題[10]。對太陽能系統(tǒng)來說集熱器表面溫度越低，越有利于提高太陽能光伏發(fā)電效率，地源熱泵?PVT系統(tǒng)能夠及時帶走電池板背板的熱量，調(diào)節(jié)電池板的溫度，提高太陽能電池板的發(fā)電效率。而集熱器吸收的熱量同時作為地源熱泵的低溫?zé)嵩矗岣吡说卦礋岜玫墓嵝阅芎凸ぷ餍蔥11?12]。
2.2 系統(tǒng)構(gòu)成及優(yōu)點
圖1是地源熱泵?PVT系統(tǒng)的示意圖。整個系統(tǒng)主要由太陽能集熱器、地源熱泵壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器、蓄熱器等組成。液態(tài)工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)吸熱后變?yōu)榈蜏氐蛪哼^熱蒸汽，在地源熱泵壓縮機中經(jīng)過絕熱壓縮后變?yōu)楦邷馗邏簹怏w，再經(jīng)冷凝器定壓冷凝為高壓中溫的液體，放出工質(zhì)的氣化熱，與冷凝水進(jìn)行熱交換，使冷凝水被加熱為熱水并存儲在蓄熱器中，供用戶使用。
地源熱泵?PVT系統(tǒng)的設(shè)計過程中，將太陽能集熱器與熱泵蒸發(fā)器合二為一，太陽能集熱器與熱泵聯(lián)合運行，使太陽能集熱器在低溫下收集熱量，再由熱泵裝置升溫給供熱系統(tǒng)，循環(huán)工質(zhì)在太陽能集熱器與蒸發(fā)器中直接吸熱蒸發(fā)，節(jié)省了換熱設(shè)備，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
在正常情況下，太陽能采用定溫加熱方式。在光照充足條件下，當(dāng)太陽能集熱器內(nèi)水溫達(dá)到設(shè)定水溫時，電腦控制器使供冷水電磁閥自動打開，冷水進(jìn)入太陽能集熱器底部，同時將太陽能集熱器頂部達(dá)到設(shè)定溫度的熱水頂入蓄熱器；當(dāng)太陽能集熱器頂部水溫低于設(shè)定溫度時，電腦控制器使供冷水電磁閥自動關(guān)閉。從而不斷將達(dá)到設(shè)定溫度的熱水頂入蓄熱器儲存。
蓄熱器水箱滿水位時，太陽能溫差循環(huán)加熱。太陽能集熱器水溫高于蓄熱水箱水溫時，自動啟動循環(huán)水泵，將蓄熱水箱內(nèi)較低溫度的水，泵入太陽能集熱器繼續(xù)加熱，同時將太陽能集熱器內(nèi)較高溫度的熱水頂入蓄熱水箱。通過使蓄熱水箱水溫升高的方法儲存太陽能集熱器吸收的太陽能。當(dāng)用戶使用熱水使蓄熱水箱的水位下降后，電腦控制器使太陽能系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)入定溫加熱[13]。
在熱水使用負(fù)荷不大或日照條件較好、集熱器溫度較高時，地源熱泵可以不用啟動，將集熱器中的熱水直接供用戶使用。此時系統(tǒng)只需消耗很少的電能，系統(tǒng)的熱能利用率較高。當(dāng)太陽能不足或因循環(huán)散熱等原因造成水箱內(nèi)水溫達(dá)不到使用要求時，采用地源熱泵輔助加熱方式，自動啟動熱泵加熱到設(shè)定溫度，以保證熱水的使用；當(dāng)太陽能產(chǎn)的熱水不足或用戶使用熱水過度，蓄熱水箱的水位沒有達(dá)到正常的水位，溫度控制器使熱泵自動啟動；當(dāng)達(dá)到正常水位時，熱泵自動停止。系統(tǒng)中加入地源熱泵作為輔助能源供給，以保證全天候連續(xù)制熱需要，雖然增加了一部分能耗，但與純粹利用電能為動力的系統(tǒng)相比，可以非常明顯節(jié)約電耗，具有運行效率高、節(jié)能效果明顯、運行費用低的特點。提高了系統(tǒng)在不同工況下連續(xù)運行的可靠性和穩(wěn)定性，便于規(guī)?；瘧?yīng)用。 2.3 系統(tǒng)影響因素
在地源熱泵?PVT系統(tǒng)中，太陽能收集和轉(zhuǎn)化的過程存在著時效問題，因而吸收轉(zhuǎn)化的熱量必須得到及時的儲存，其蓄熱技術(shù)就顯得尤為重要，必須要很好地解決。另外對于居住集中的樓房建筑，設(shè)計時如果沒有預(yù)留，集熱器的安裝將受到很大的限制。
在實際運行中需考慮集熱器、冷凝器、流量循環(huán)等相應(yīng)的分配情況，使得進(jìn)水口溫度、集熱溫度、冷水溫度、冷卻水溫度、流量等設(shè)定在最佳的范圍，使系統(tǒng)循環(huán)水溫度較低，從而有利于系統(tǒng)電效率的提高。同時考慮對進(jìn)口水溫進(jìn)行控制，及時將溫度過高的進(jìn)水排走或者轉(zhuǎn)移至其他蓄熱容器，以保證系統(tǒng)具有相對較高的發(fā)電效率和熱收益，使地源熱泵?PVT系統(tǒng)經(jīng)濟合理的穩(wěn)定運行，從而獲得最大的收益。
地源熱泵系統(tǒng)成功的關(guān)鍵在地下系統(tǒng)，需對地下土壤、地下水等地質(zhì)構(gòu)造及水文情況進(jìn)行勘測[14]，研究地下巖土層與含水層中的傳熱，蓄熱，以及熱、質(zhì)交換與遷移的規(guī)律，并根據(jù)地質(zhì)情況選用相應(yīng)的地下管路及器件材質(zhì)，對地下埋管或水井進(jìn)行精心設(shè)計、精心計算、精心施工，做好項目策劃、設(shè)計、施工及運行維護的每一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
3 結(jié) 論
采用地源熱泵與PVT系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)太陽能與地源熱泵綜合利用，并以地源熱泵作為輔助加熱系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的熱能利用率，克服了單純PVT系統(tǒng)在日照不充足、太陽能間歇性的情況下熱量不能連續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)的缺陷，實現(xiàn)太陽能驅(qū)動下的連續(xù)穩(wěn)定供熱，推動了PVT系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。
地源熱泵?PVT系統(tǒng)采用定溫加熱、溫差循環(huán)技術(shù)，有效降低了太陽能電池背板的溫度，提高了太陽能電池光伏發(fā)電效率，同時利用地源熱泵與太陽能相結(jié)合的互補性，提高了地源熱泵的供熱性能和工作效率。
從系統(tǒng)效率及性能系數(shù)看出，增設(shè)地源熱泵作為輔助加熱系統(tǒng)后，消耗相同的壓縮功，系統(tǒng)的供熱效率得到了提高，實現(xiàn)了節(jié)能降耗的效果。
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