PVT光伏光熱系統結合地源熱泵的應用性研究

摘 要： 基于PVT系統存在太陽能間歇性，無法保證光熱轉換連續進行的特點，以及存在集熱后太陽能電池背板溫度過高，導致電池板光伏發電效率下降的缺陷。采用地源熱泵與PVT系統相結合，解決了單純PVT系統在日照不充足情況下熱量不能連續穩定供應的問題，提高了系統的熱能利用率。 同時系統采用定溫加熱、溫差循環技術，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電效率和地源熱泵的工作效率以及系統在不同工況下連續運行的可靠性和穩定性。

關鍵詞： 地源熱泵； PVT； 應用研究； 定溫加熱

中圖分類號： TN911?34； TK519 文獻標識碼： 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熱資源，依據逆卡諾循環工作原理，既可供熱又可制冷，能實現蒸發器與冷凝器功能轉換的設備。它利用淺層地表一年四季溫度均相對穩定的特性，通過輸入較少的高位能電能，實現熱能從低溫向高溫的轉移，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，此時土壤作為熱泵機組的“熱源”；夏季把室內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加熱方式比較，它從地下環境吸取熱量傳遞給高溫物體，將低位熱源輸送到高溫熱源，只需供給少量高位能就可以高效地從周圍環境提取低位能，是一種高效節能、無污染、可再生、可持續發展的能源先進利用形式。對節約常規能源、緩解大氣污染和溫室效應具有積極的作用[2]。

1 目前PVT系統存在的問題

PVT系統是集太陽能光伏發電和光熱為一體的系統稱為太陽能光伏光熱聯產系統，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，使光能轉化為直流電，再經過逆變器轉化為工頻交流電供人們使用，通過電池板發電得到電收益。同時將太陽能電池板光電轉換過程中產生的部分熱能，通過熱交換收集起來，不斷被轉化出來的熱量加熱熱水，供人們使用，從而實現PVT系統的熱電聯供[3]。

PVT系統通常包括：PVT組件、匯流箱、逆變器、純水箱、板式換熱器、蓄熱水箱。其中PVT組件是其核心內容，包括：玻璃蓋板、電池板、集熱器、導熱硅脂層、水管、絕熱層等。在玻璃蓋板與電池板之間設有空氣層，以便減少電池板正面的熱損失。導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，保證水管內的溫度一致，蓄熱水箱儲存吸熱后的熱水[4]。

PVT集熱器產生的熱量溫度一般在30～60 ℃，適用于家用熱水、采暖和其他對低溫熱量有大量需求的公用、民用或工業領域[5]。考慮到電能是高品位能量，熱能是低品位能量，首要目的是設法提高光伏發電效率，獲得更多的電能，以縮短發電系統投資回收期。同時獲得的熱能作為副產品，能產生一定量的熱水。但是PVT系統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換的問題，導致熱水供應無法連續進行，同時集熱后太陽能電池背板溫度過高，造成電池板光伏發電效率下降，影響光伏發電系統的工作[6?7]。

2 地源熱泵?PVT系統

2.1 系統工作原理

地源熱泵?PVT系統則實現太陽能與地源熱泵的綜合利用，地源熱泵與太陽能相結合具有很好的互補性[8]。太陽能可以提高地源熱泵的進液溫度，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]。系統利用太陽能作為蒸發器熱源，將地源熱泵和PVT系統有機結合在一起，在陰雨天及夜晚，地源熱泵作為加熱系統的輔助熱源，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熱水供應不穩定不連續的問題[10]。對太陽能系統來說集熱器表面溫度越低，越有利于提高太陽能光伏發電效率，地源熱泵?PVT系統能夠及時帶走電池板背板的熱量，調節電池板的溫度，提高太陽能電池板的發電效率。而集熱器吸收的熱量同時作為地源熱泵的低溫熱源，提高了地源熱泵的供熱性能和工作效率[11?12]。

2.2 系統構成及優點

圖1是地源熱泵?PVT系統的示意圖。整個系統主要由太陽能集熱器、地源熱泵壓縮機、蒸發器、冷凝器、蓄熱器等組成。液態工質在蒸發器內吸熱后變為低溫低壓過熱蒸汽，在地源熱泵壓縮機中經過絕熱壓縮后變為高溫高壓氣體，再經冷凝器定壓冷凝為高壓中溫的液體，放出工質的氣化熱，與冷凝水進行熱交換，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系統的設計過程中，將太陽能集熱器與熱泵蒸發器合二為一，太陽能集熱器與熱泵聯合運行，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，循環工質在太陽能集熱器與蒸發器中直接吸熱蒸發，節省了換熱設備，簡化了系統結構。

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，當太陽能集熱器內水溫達到設定水溫時，電腦控制器使供冷水電磁閥自動打開，冷水進入太陽能集熱器底部，同時將太陽能集熱器頂部達到設定溫度的熱水頂入蓄熱器；當太陽能集熱器頂部水溫低于設定溫度時，電腦控制器使供冷水電磁閥自動關閉。從而不斷將達到設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，自動啟動循環水泵，將蓄熱水箱內較低溫度的水，泵入太陽能集熱器繼續加熱，同時將太陽能集熱器內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自動轉入定溫加熱[13]。

在熱水使用負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。此時系統只需消耗很少的電能，系統的熱能利用率較高。當太陽能不足或因循環散熱等原因造成水箱內水溫達不到使用要求時，采用地源熱泵輔助加熱方式，自動啟動熱泵加熱到設定溫度，以保證熱水的使用；當太陽能產的熱水不足或用戶使用熱水過度，蓄熱水箱的水位沒有達到正常的水位，溫度控制器使熱泵自動啟動；當達到正常水位時，熱泵自動停止。系統中加入地源熱泵作為輔助能源供給，以保證全天候連續制熱需要，雖然增加了一部分能耗，但與純粹利用電能為動力的系統相比，可以非常明顯節約電耗，具有運行效率高、節能效果明顯、運行費用低的特點。提高了系統在不同工況下連續運行的可靠性和穩定性，便于規模化應用。

2.3 系統影響因素

在地源熱泵?PVT系統中，太陽能收集和轉化的過程存在著時效問題，因而吸收轉化的熱量必須得到及時的儲存，其蓄熱技術就顯得尤為重要，必須要很好地解決。另外對于居住集中的樓房建筑，設計時如果沒有預留，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、流量循環等相應的分配情況，使得進水口溫度、集熱溫度、冷水溫度、冷卻水溫度、流量等設定在最佳的范圍，使系統循環水溫度較低，從而有利于系統電效率的提高。同時考慮對進口水溫進行控制，及時將溫度過高的進水排走或者轉移至其他蓄熱容器，以保證系統具有相對較高的發電效率和熱收益，使地源熱泵?PVT系統經濟合理的穩定運行，從而獲得最大的收益。

地源熱泵系統成功的關鍵在地下系統，需對地下土壤、地下水等地質構造及水文情況進行勘測[14]，研究地下巖土層與含水層中的傳熱，蓄熱，以及熱、質交換與遷移的規律，并根據地質情況選用相應的地下管路及器件材質，對地下埋管或水井進行精心設計、精心計算、精心施工，做好項目策劃、設計、施工及運行維護的每一個關鍵環節。

3 結 論

采用地源熱泵與PVT系統相結合，實現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，提高了系統的熱能利用率，克服了單純PVT系統在日照不充足、太陽能間歇性的情況下熱量不能連續穩定供應的缺陷，實現太陽能驅動下的連續穩定供熱，推動了PVT系統的推廣應用。

地源熱泵?PVT系統采用定溫加熱、溫差循環技術，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電效率，同時利用地源熱泵與太陽能相結合的互補性，提高了地源熱泵的供熱性能和工作效率。

從系統效率及性能系數看出，增設地源熱泵作為輔助加熱系統后，消耗相同的壓縮功，系統的供熱效率得到了提高，實現了節能降耗的效果。

參考文獻

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