236-光伏一体化太阳能热泵热水器的实时变容量控制研究.pdfVIP

光伏一体化太阳能热泵热水器的实时 变容量控制研究 董科枫，李舒宏*，何宏宇 东南大学能源与环境学院 摘 要：光伏一体化的太阳能热泵的变容量运行能提高系统全年性能。本文对光伏一体化太 阳能热泵的实时变容量控制开展了模拟和实验研究，开发了实时变容量控制系统实现在预定 时间内完成制热水任务、降低能耗和提高系统净发电量。本文建立了光伏一体化太阳能热泵 系统数学模型，并在南京搭建了 2 4.32m 集热面积、1 匹R22 工质压缩机和150L 保温水箱的 光伏一体化太阳能热泵实验样机。使用经定频运行试验验证的仿真程序构建了系统全年运行 性能数据库并得出控制策略表。结果显示，实时变容量控制实验的COP 和光伏发电量比其 他控制方式的模拟结果高5.7%~9.4%和9.7%~12.4%，且能精确地在预定时间内完成制热水 任务。 关键词：太阳能热泵；实时变容量控制；控制策略 0 引言 光伏一体化的太阳能热泵热水器是建筑进行太阳能光伏光热一体化利用的有效装置 [1] 。一方面，利用制冷剂从光伏组件背后吸收太阳能光热保证全年50°C 的生活热水供应， 另一方面，光伏组件被冷却，光电转化效率提高，增加了光伏发电量。 自Kern 和Russell[2]于1978 年首次提出光伏光热一体化利用概念以来，很多学者对太 阳能热泵或光伏一体化的太阳能热泵系统展开了研究。这些研究在太阳能热泵等系统的系 统性能分析[3-4] [5] [6] 、集热器结构 和部件匹配 等方面有了一定的基础，然而光伏一体化太 阳能热泵的性能受太阳辐射强度、环境温度等环境工况参数的影响很大，一些学者[7-8]提 出如果能根据不同的环境工况调节系统的吸热容量，那么系统的性能将能进一步改善。 变频压缩机很早就被用于调节太阳能热泵系统吸热容量。Chaturvedi[9]制作了使用变频 器驱动的变频压缩机驱动的直膨式太阳能热泵，压缩机能运行在30~70Hz，并根据模拟结 果制定了一些太阳辐射和环境温度组合下能确保系统性能系数高于3.0 的运行频率。由于 该太阳能热泵制采暖热水，运行频率的调节同时与采暖负荷和保持能效有关，因此这种调 节模式并不适用于光伏一体化太阳能热泵热水器的变容量控制。 王海涛[10]在光伏一体化太阳能热泵系统中使用了变频压缩机和电子膨胀阀，提出用变 频压缩机调节负荷，用电子膨胀阀开度保证蒸发器出口过热度最佳。然而局限于电子膨胀 阀的开度问题，没有考虑过热度PID 控制的合理性。李郁武开发了控制器实现了直膨式太 阳能热泵热水器过热度的PI 控制[11] ，并实现变频压缩机和电子膨胀的联合控制，以保证 制热水过程性能系数为标准确定各工况下的运行频率[12] ，制定的控制策略也仅根据启动时 的环境工况进行定频运行。这并没有尽可能提高系统性能系数，也无法适应制热水过程中 变化的环境工况。 因此，为了适应复杂的环境工况，光伏一体化太阳能热泵热水器的实时变容量控制原 则和策略亟待研究，变频压缩机和电子膨胀阀联合控制的实时变容量控制仍没有实际的工 程应用。本文将对光伏一体化的太阳能热泵热水器的变容量控制策略展开模拟和实验研 究。建立光伏太阳能热泵热水器的数学模型，搭建实验样机，开发实时变容量控制系统， 应用和验证实时变容量控制策略。 1 光伏一体化太阳能热泵系统设计 为了形成能用于获得全年运行数据的仿真程序，也为了开发检验实时变容量控制系 统，在南京搭建了光伏一体化的太阳能热泵热水器装置。 1.1 光伏一体化太阳能热泵设计 作者在东南大学四牌楼校区制冷空调实验室楼顶搭建了一套光伏一体化变频太阳能热 泵热水器样机。系统包括4.32m2 光伏蒸发板阵列、1 匹R22 工质交流变频压缩机和150L 保温冷凝水箱和电子膨胀阀。热泵系统和变容量控制系统原理图见图1，光伏蒸发器的剖 面结构如图2 所示。 图1 光伏一体化太阳能热泵热水器和变容量控制系统原理图 Qcon Qrad Qs 盖板玻璃Tg EVA胶膜