摘 要： 基于PVT系統(tǒng)存在太陽(yáng)能間歇性，無(wú)法保證光熱轉(zhuǎn)換連續(xù)進(jìn)行的特點(diǎn)，以及存在集熱后太陽(yáng)能電池背板溫度過(guò)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(wèn)題，提高了系統(tǒng)的熱能利用率。 同時(shí)系統(tǒng)采用定溫加熱、溫差循環(huán)技術(shù)，有效降低了太陽(yáng)能電池背板的溫度，提高了太陽(yáng)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(yùn)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(lèi)號(hào)： TN911?34； TK519 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）22?0168?03
0 引 言
地源熱泵是一種利用淺層地?zé)?/a>資源，依據(jù)逆卡諾循環(huán)工作原理，既可供熱又可制冷，能實(shí)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(duì)穩(wěn)定的特性，通過(guò)輸入較少的高位能電能，實(shí)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(jī)組冬季把熱量從地下取出來(lái)供給室內(nèi)，此時(shí)土壤作為熱泵機(jī)組的“熱源”；夏季把室內(nèi)熱量取出來(lái)釋放到地下，此時(shí)土壤作為熱泵機(jī)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)嵩矗恍韫┙o少量高位能就可以高效地從周?chē)h(huán)境提取低位能，是一種高效節(jié)能、無(wú)污染、可再生、可持續(xù)發(fā)展的能源先進(jìn)利用形式。對(duì)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(wèn)題
PVT系統(tǒng)是集太陽(yáng)能光伏發(fā)電和光熱為一體的系統(tǒng)稱(chēng)為太陽(yáng)能光伏光熱聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)PVT。它包含光伏（PV）與光熱（PT）兩部分，其集太陽(yáng)能電池和太陽(yáng)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(guò)逆變器轉(zhuǎn)化為工頻交流電供人們使用，通過(guò)電池板發(fā)電得到電收益。同時(shí)將太陽(yáng)能電池板光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的部分熱能，通過(guò)熱交換收集起來(lái)，不斷被轉(zhuǎn)化出來(lái)的熱量加熱熱水，供人們使用，從而實(shí)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(qiáng)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(chǔ)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(duì)低溫?zé)崃坑写罅啃枨蟮墓谩⒚裼没蚬I(yè)領(lǐng)域[5]。考慮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(shí)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(shí)間，存在無(wú)法全天候保證光熱轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，導(dǎo)致熱水供應(yīng)無(wú)法連續(xù)進(jìn)行，同時(shí)集熱后太陽(yáng)能電池背板溫度過(guò)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]。
2.1 系統(tǒng)工作原理
地源熱泵?PVT系統(tǒng)則實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能與地源熱泵的綜合利用，地源熱泵與太陽(yáng)能相結(jié)合具有很好的互補(bǔ)性[8]。太陽(yáng)能可以提高地源熱泵的進(jìn)液溫度，提高運(yùn)行效率；地源熱泵可以補(bǔ)償太陽(yáng)能日照影響的間歇性[9]。系統(tǒng)利用太陽(yáng)能作為蒸發(fā)器熱源，將地源熱泵和PVT系統(tǒng)有機(jī)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(wèn)題[10]。對(duì)太陽(yáng)能系統(tǒng)來(lái)說(shuō)集熱器表面溫度越低，越有利于提高太陽(yáng)能光伏發(fā)電效率，地源熱泵?PVT系統(tǒng)能夠及時(shí)帶走電池板背板的熱量，調(diào)節(jié)電池板的溫度，提高太陽(yáng)能電池板的發(fā)電效率。而集熱器吸收的熱量同時(shí)作為地源熱泵的低溫?zé)嵩矗岣吡?a href=/topic/3772.html target=_blank>地源熱泵的供熱性能和工作效率[11?12]。
2.2 系統(tǒng)構(gòu)成及優(yōu)點(diǎn)
圖1是地源熱泵?PVT系統(tǒng)的示意圖。整個(gè)系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能集熱器、地源熱泵壓縮機(jī)、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^(guò)熱蒸汽，在地源熱泵壓縮機(jī)中經(jīng)過(guò)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(chǔ)在蓄熱器中，供用戶使用。
地源熱泵?PVT系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，將太陽(yáng)能集熱器與熱泵蒸發(fā)器合二為一，太陽(yáng)能集熱器與熱泵聯(lián)合運(yùn)行，使太陽(yáng)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(yáng)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(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
在正常情況下，太陽(yáng)能采用定溫加熱方式。在光照充足條件下，當(dāng)太陽(yáng)能集熱器內(nèi)水溫達(dá)到設(shè)定水溫時(shí)，電腦控制器使供冷水電磁閥自動(dòng)打開(kāi)，冷水進(jìn)入太陽(yáng)能集熱器底部，同時(shí)將太陽(yáng)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(yáng)能集熱器頂部水溫低于設(shè)定溫度時(shí)，電腦控制器使供冷水電磁閥自動(dòng)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(chǔ)存。
蓄熱器水箱滿水位時(shí)，太陽(yáng)能溫差循環(huán)加熱。太陽(yáng)能集熱器水溫高于蓄熱水箱水溫時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)循環(huán)水泵，將蓄熱水箱內(nèi)較低溫度的水，泵入太陽(yáng)能集熱器繼續(xù)加熱，同時(shí)將太陽(yáng)能集熱器內(nèi)較高溫度的熱水頂入蓄熱水箱。通過(guò)使蓄熱水箱水溫升高的方法儲(chǔ)存太陽(yáng)能集熱器吸收的太陽(yáng)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(yáng)能系統(tǒng)自動(dòng)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(shí)，地源熱泵可以不用啟動(dòng)，將集熱器中的熱水直接供用戶使用。此時(shí)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(yáng)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(shí)，采用地源熱泵輔助加熱方式，自動(dòng)啟動(dòng)熱泵加熱到設(shè)定溫度，以保證熱水的使用；當(dāng)太陽(yáng)能產(chǎn)的熱水不足或用戶使用熱水過(guò)度，蓄熱水箱的水位沒(méi)有達(dá)到正常的水位，溫度控制器使熱泵自動(dòng)啟動(dòng)；當(dāng)達(dá)到正常水位時(shí)，熱泵自動(dòng)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(dòng)力的系統(tǒng)相比，可以非常明顯節(jié)約電耗，具有運(yùn)行效率高、節(jié)能效果明顯、運(yùn)行費(fèi)用低的特點(diǎn)。提高了系統(tǒng)在不同工況下連續(xù)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，便于規(guī)模化應(yīng)用。 2.3 系統(tǒng)影響因素
在地源熱泵?PVT系統(tǒng)中，太陽(yáng)能收集和轉(zhuǎn)化的過(guò)程存在著時(shí)效問(wèn)題，因而吸收轉(zhuǎn)化的熱量必須得到及時(shí)的儲(chǔ)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(duì)于居住集中的樓房建筑，設(shè)計(jì)時(shí)如果沒(méi)有預(yù)留，集熱器的安裝將受到很大的限制。
在實(shí)際運(yùn)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(shí)考慮對(duì)進(jìn)口水溫進(jìn)行控制，及時(shí)將溫度過(guò)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(duì)較高的發(fā)電效率和熱收益，使地源熱泵?PVT系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)合理的穩(wěn)定運(yùn)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(duì)地下土壤、地下水等地質(zhì)構(gòu)造及水文情況進(jìn)行勘測(cè)[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(duì)地下埋管或水井進(jìn)行精心設(shè)計(jì)、精心計(jì)算、精心施工，做好項(xiàng)目策劃、設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行維護(hù)的每一個(gè)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(shí)現(xiàn)太陽(yáng)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(yáng)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(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)下的連續(xù)穩(wěn)定供熱，推動(dòng)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(yáng)能電池背板的溫度，提高了太陽(yáng)能電池光伏發(fā)電效率，同時(shí)利用地源熱泵與太陽(yáng)能相結(jié)合的互補(bǔ)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(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗的效果。
參考文獻(xiàn)
[1] 程昆，劉炳展，李麗娟.談地源熱泵系統(tǒng)在暖通空調(diào)中的應(yīng)用[J].科技通報(bào)，2012（8）：53?61.
[2] 張?chǎng)危瑥埿駯|，谷英翠，等.地源熱泵系統(tǒng)在輸氣站場(chǎng)內(nèi)的應(yīng)用及節(jié)能分析[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2012（9）：703?706.
[3] 董丹，秦紅，劉重裕，等.太陽(yáng)能光伏/熱（PV/T）技術(shù)的研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2013，32（5）：1020?1024.
[4] 王麗文，張君美，張鎮(zhèn).光伏光熱系統(tǒng)流程與數(shù)值模擬[J].煤氣與熱力，2012（7）：17?20.
[5] PEI Gang， FU Hui?de， ZHU Hui?juan， et al. Performance study and parametric analysis of a novel heat pipe PV/T system [J]. Energy， 2012， 37： 384?395.
[6] CHOW T T. A review on photovoltaic/thermal hybrid solar technology [J]. Applied Energy， 2010， 87（2）： 365?379.
[7] 湯珂，金圣涵，杜強(qiáng)，等.太陽(yáng)能電池與熱泵熱水器聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)性能分析[J].能源工程，2010（5）：42?46.
[8] 李新國(guó)，胡曉辰，王健.太陽(yáng)能、蓄熱與地源熱泵組合系統(tǒng)能量分析與實(shí)驗(yàn)[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2012（4）：640?646.
[9] 管立偉，李汪彪，秦永熙，等.太陽(yáng)能、熱泵熱水工程多模式測(cè)試及技術(shù)實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（12）：133?142.
[10] 劉鵬，關(guān)欣，穆志君，等.PVT系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2010（8）：999?1004.
[11] 肖澤成，秦紅，靳曉釩.太陽(yáng)電池冷卻及光伏/光熱一體技術(shù)的新進(jìn)展[J].電力與能源，2011，32（5）：397?401.
[12] 常澤輝，田瑞，候靜.太陽(yáng)電池光伏光熱一體化系統(tǒng)的性能研究[J].電源技術(shù)，2012，36（5）：682?703.
[13] 劉丹，鄭浩奇，曹達(dá)民，等.一種多功能聯(lián)網(wǎng)型熱泵控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（4）：56?64.
[14] 李惟.水源熱泵系統(tǒng)在部隊(duì)干休所規(guī)劃中的綜合研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（19）：154?157.
