太阳能光伏热泵研究1. 引言太阳能在目前的清洁能源中，无论是在资源还是在规模上都是最为庞大的，其通过辐射输送到地球表面的能量总量达到了 1.7 1014 kW，经过数据转换，每秒能够达到的能量为 4.994 1010 J，相当于 500万吨标准煤。中国的太阳能资源在世界中排名前列，年日照时长数超过 2000 小时的地区占到全国陆地总面积的 65%以上1。其中太阳能热泵技术和光伏发电技术作为太阳能利用的两种不同方式，近几十年得到了迅速发展。早在 2013 年，中国的新光伏装机容量就占据了世界总产量的 30%以上，成为世界上最大的光伏市场和生产者。研究报告指出，中国拥有世界上排名第一的太阳能热水器产量2，但商业光伏电池组件的光电转换效率大约是 6%15%，太阳能照射在光伏电池的表面，85%以上的份额被反射或转换成热能，部分内能被转换成电池能，其工作温度的升高使光电转换效率降低3。为了解决这个缺陷，在光伏电池背面铺设流道，光伏电池利用流体温度进行降温，改善光电转换效率，并试图使用流体吸收的热量，即综合利用光伏光热技术(PV/T)，现有的研究主要是水和空气作为冷却介质的 PV/T 系统，相关研究结果表明，水作为冷却介质可以获得比空气冷却更好的效果4，但由于水需要加热到较高的温度才是有效的，因此对光伏组件的冷却效果和随后的电气效率提高通常是不够的5 6。它将不可避免地减少电池的冷却效果，冷却介质在热泵系统的蒸发器温度低，波动较小，如果 PV/T 系统的传热方式以热泵循环为主要途径， 光伏电池和热泵蒸发器组合成一个整体把太阳能光热转换的能量由工作介质蒸发过程吸收，利用热泵循环在冷凝段高温输出，这样既能使光伏电池保持低而稳定的工作温度，提高光电转换效率，还能利用热泵系统优越的传热性能，得到远高于系统功耗的能量。本文将对国内外关于太阳能光伏热泵的研究工作进行综述，并提出一种新型带喷射器的 CO2 间膨式光伏热泵。2. 直膨式光伏热泵如图1 所示，太阳能热泵系统的光伏电池和蒸发器有机结合，形成 PV/T 蒸发器。在 PV/T 蒸发器接收的太阳辐射中，一部分辐射由光伏电池通过光电转换产生，形成电流输出，另一部分通过光热转换照射。光伏太阳能热泵最早提出于 20 世纪 90 年代。日本学者 Ito 和 Miura 7对采用光伏电池热泵系统进行了实验研究，用 PV-SAHP 系统中的并联空气源换热器提高了热泵在低太阳辐射环境条件下的性能。国内虽然起步较晚但近十几年内，中国科学技术大学、东南大学、上海理工大学、上海交通大学等在此方面取得了很大的进步(见表 1)，中国科学技术大学裴刚、季杰8 9等提出了一种直膨式光伏热泵系统， 并建立了系统动态数学模型进行数值仿真，仿真结果表明，该系统的光伏发电效率较普通太阳能发电效率提高了 16.0%，光伏光热综合效率达到 84.7%，受系统结构参数对太阳能热泵性能影响较大。此外，裴刚团队10在香港建立了以 R134A 为工质的 PV-SAHP 进行连续生产热水。模拟结果表明，年平均 COP 为 5.93，年平均电效率为 12.1%，夏季产热水量可达冬季的两倍，在香港具有良好的应用潜力。Figure 1. Picture of direct expansion photovoltaic heat pump system图 1. 直膨式光伏热泵系统图Table 1. Research results of direct expansion photovoltaic heat pump表 1. 直膨式光伏热泵研究成果裴刚8 徐国英11研究者制冷剂系统针对工况优劣性R22 温度 22.97，平均直射辐照 661.68 w/m2 系统PV/T 蒸发器的光电/光热综合效率高达 84.7%，但未做详细的经济分析R134A 辐照度为 552 w/m2，PV/T 温度 2535平均COP 高达 5.7 以上；但没有考虑实际运行过中膨胀阀进行过热度调节的动态特性董科枫12R22 辐照度 800w/m2，环境温度 32.5 COP 可以达到 3.065.61，但光伏集热板面积偏小R290 辐照度 920 w/m2，环境温度 28光电转换效率高达 15.5%，热泵平均COP 可达 4.3，但应做更多的测蒋澄阳13试数据保证可行性马晓丰14模拟辐照度 1000 w/m2，环境温度 25全年平均光电效率为 13.36%，但缺少实验论证荆树春17模拟制冷量 600800 w，辐射强度 700 w/m2 在压缩机的选择上给出了方向，但缺少实验进行和模拟结果的比对R410A 辐照度 1000 w/m2，环境温度 25光伏平均热效率和总效率为 56.6%和 69.7%，平均 COP 为 4.7。但Zhou jinzhi 18需综合考虑经济因素东南大学徐国英等11于 2011 年通过仿真研究，对比了两种集热结构的直膨式光伏热泵(如图 2)，常见的圆形铜管蛇形排列和多孔铝扁管排列，结果表明多孔扁管平线流动集热结构的换热性能较好，南京地区气候条件下月平均热泵 COP 在 4.235.54 之间。Figure 2. Building combined heat and power system based on photovoltaic heat pump图 2. 基于光伏热泵的建筑热电联供系统东南大学董科枫等12设计的光伏太阳能热泵热水器综合性能良好，根据在不同的工作条件测量的数据，当天气晴朗或多云时，系统供水量为 150 L/50的生活热水的 COP 在 3.06 至 5.61 之间。在阴天时COP 可以达到 2.68。上海交通大学蒋澄阳13搭建了光伏热泵热水器试验台并用 R290 用作制冷剂进行相关实验研究，根据实验结果显示，实验系统的光电效率最高可达 15.5%，集热效率在 0.45 到 0.77 之间，并从中发现冷凝器的供水温度会极大影响热泵的 COP，随着供水温度的不断提升，热泵的 COP 不断下降，同时太阳辐照和环境温度对热泵 COP 有着正面影响，当一箱水从 14.8加热至 50.6时，热泵的平均 COP 可以达到 4.3， 光电转换效率和 COP 的相对测量误差分别为 5%和 5.2%。青岛理工大学的马晓丰等14通过对光伏热泵的热电性能进行模拟研究(如图 3)，通过全年的运行模拟， 得到系统的平均光电转换效率为 0.1336，在相同气象参数条件下，相比单一光伏系统提升 24.9%；相比单一土壤源热泵系统，热泵机组 COP 提了 10.4%。Figure 3. Schematic diagram of solar photovoltaic heat pump system图 3. 太阳能光伏光热-热泵系统原理图上海理工大学的刘鹏等15人经过实验研究，设计了一套整体效率为 4.86 的光伏双热源热泵系统(如图 4)，显著提高了光电效率，降低了运行成本，具有很高的市场推广潜力。Floschuetz 16对 Hottel-Whillier 分析方程进行了优化，将光伏系统的性能系数与热迁移率与常规集热器进行比较，为光伏系统的性能分析提供了宝贵的意见。上海电力学院荆树春17在此基础上改进了Hottel-Whillier 模型，结合热泵循环理论，对制冷剂流量、辐射强度和水箱水温等进行建模，研究其对光伏电池温度、蒸发温度和 COP 的影响，提出在以供热为主要目的的情况下，应选择较大的压缩机。jinzhizhou 18利用太阳能驱动的直接膨胀热泵系统成功地开发了一种新型平行铺设的光伏/微通道蒸发模块，以加热 150 m2 的平板。此外，热泵系统的蒸发器也与建筑屋顶集成在一起，引入了光伏屋顶的概念。分析了不同参数对光伏屋顶性能的影响，并从理论上比较了光伏热泵和太阳能热泵系统的电效率和热效率。Figure 4. Direct expansion photovoltaic dual heat source heat pump system图 4. 直膨式光伏双热源热泵系统以上研究表明：1) 直膨式光伏热泵既提高了 PV/T 系统中的光电、光热的综合利用效率，又把热泵循环巧妙的结合到了一起，提升了热泵的综合性能。2) 光伏电池和蒸发器的组合使得 PV 蒸发器表面温度低于传统的光伏电池和集热器温度，太阳的辐照强度使得热泵循环中热量的品位有所提升，改善了结霜的问题。3. 间膨式光伏热泵系统相比于直膨式光伏热泵，间膨式光伏热泵(图 5)是在光伏组件和蒸发器之间加上循环冷却系统，使得热泵蒸发器不和光伏组件直接耦合，而是通过循环冷却系统将两者间接联系起来，制冷剂不直接通过PV/T 集器，利用储能工质来吸收能量，既继承了热泵应用的优点，同时解决了直膨式光伏热泵中光热与光伏面积匹配难，热泵工质压损大易泄露缺点。近年来间膨式光伏热泵受到了国内外学者广泛的关注， 并在这方面做出了许多创新型的成果(见表 2)。Figure 5. Figure of expandable photovoltaic heat pump system图 5. 间膨式光伏热泵系统图Table 2. Research results of expandable photovoltaic heat pump表 2. 间膨式光伏热泵研究成果研究者研究方法系统连接方式研究成果郭千朋20实验、模拟串联、并联、混联光电转换效率平均提高 16.4%，平均电池温度可降低 20Continued张露21模拟混联热泵平均COP 可达 4.7，光伏热泵系统整体效率高达 74.4% Vallati 22实验、模拟串联光伏热泵提供的热量可满足 70%的供暖需求Yang Liu 23实验、模拟串联光电转换效率高达 15.2%，峰值热效率高达 86.7%Bai 24模拟混联热泵COP 可达 4.1，与常规供热系统相比，节能率高达 67% Kim 25模拟串联、并联在相比传统的热泵系统，光伏热泵系统的COP 提高了 5.1% Calise 26模拟混联 PV/T 的总效能为 49%，热泵制热模式的年性能系数大于 4Obanlege 27实验、模拟混联流量和水箱容积的变化的热泵COP 的影响可以忽略不计Zhou jinzhi 28实验、模拟串联为经济分析提供了基础数据和未来的改进方向Amo 29实验、模拟混联热泵所需电力的 67.6%由光伏系统提供，具有可投资性西安科技大学利用 TRNSYS 软件对西安地区的-系统进行了串并联模型的动态特性模拟。从这份报告中可以明显看出，串行模式在冬季的性能优于并行模式19。上海理工大学郭千朋等人20对不同模式的光伏热泵系统(PV/T-SAHP)进行了实验研究，系统设计了串联、混联和传统光伏系统三种模式(如图 68)， 不同运行模式的实验结果表明，与传统光伏系统相比，光伏系统的光电转换效率平均提高了 16.4%，每日平均输出功率最高可增加 14.5%，电池温度最大可降低 20，在获得同样加热量下系统按混联运行模式比按串联运行模式多输出 1.7 kW/h 的净发电量，且与直膨式光伏热泵相比，间膨式光伏泵系统具有更强的稳定性。Figure 6. Series photovoltaic hea