光伏多聯機空調系統性能研究

王麗文 呂 建 霍雨霞 李 營

（1天津大學建筑設計研究院 天津 300073 2天津城建大學 天津 300384）

引言

由于空調的使用給公用電網帶來了巨大的負擔。然而，太陽輻射量相當豐富，光伏并網發電系統可以成為滿足空調系統重負荷需求的理想選擇[1]，并可能降低公用電網的峰值負荷功率[2]。

SANYO于1993年開發了第一臺將PV與空調系統結合的產品[3]，實驗表明，該系統可以提供50%的空調夏季用電[4]。當光伏發電效率不高時，空調可能會切換到電網。

以往研究都是關于光伏空調系統僅有基礎的系統性能模擬，對光伏空調的研究主要集中在住宅建筑的單體和小型系統，對于光伏空調系統在寒冷地區的辦公建筑類型的光伏空調的適用性和使用性能、缺乏深入的實驗研究。

1 實驗研究

1.1 實驗系統設計

實驗系統主要包含了控制器、逆變器、PV板、以及太陽輻照測試儀、鉑熱電阻、等用于測試相關參數的測量儀器。實驗系統原理圖如圖1所示。

圖1 實驗系統原理圖

表1 PV模塊性能參數

實驗中使用TBQ-2C型總輻射表進行太陽輻射強度的測量以及對PV模塊背板溫度、室外環境溫度以及室內溫度進行了測量和采集，PV模塊背板溫度測點布置圖如圖2所示。自動氣象站系統由氣象傳感器、氣象數據采集儀和計算機氣象軟件三部分組成。

圖2 背板溫度測點布置圖

表2 光伏環境檢測測量儀參數

1.2 系統的工作模式

根據表3定義的天氣模式分析了三個典型的日子，如晴天，多云、以及陰天或雨天。為了減少環境溫度變化的影響，選擇三個典型天數盡可能接近。其操作結果分析如下型。

表3 天氣模式

1.3 系統性能的評價指標

在空調需求特定的情況下，空調的驅動供應可以來自兩個來源：PV板（直接）和電網。同樣，PV系統產生的能量可以Eload有兩個目的地：光伏空調和電網。用于評估太陽能空調系統性能的標準指標稱為太陽能保證率（SF）。在并網光伏空調系統中，SF可以定義為：

在上述公式中，EPV-load在并網系統情況下不等于EPV，因為PV面板提供的能量沒有完全用來運行空調；而是將其中的一部分發送給電網。因此，與通過光伏陣列提供所有電力的獨立系統不同，EPV-load被定義為用于驅動空調的光伏發電部分。SF表示將光伏系統集成到空調系統時的節能比。

當考慮產生和消耗能量的平衡時，EPV除以Eload也是有意義的。因此，一個新的指標凈太陽能分數（NSF）可以被定義為：

NSF代表了用于評估可再生能源系統的能量匹配水平的指數。

2 實驗結果分析與討論

2.1 晴天情況下系統性能分析

圖3顯示了2018年8月4日這個典型的晴天的天氣狀況和運行數據。如圖3所示，日出時間早上大約6點半。6時30分至8時，空調未使用光伏發電，全部上網。8點，空調開始工作，負載能力迅速上升到最高值，然后下降。這個順序是因為建筑結構有一個很大的熱惰性。因此，從上午8點到10點，負載功率高于發電功率，并且由電網提供不足的電力。從12：00到13：00，由于員工中午休息，負載功率急劇下降，負載功率受到限制。同時發電功率在13：00達到峰值，發電功率大于10時至15時的負荷功率。剩余電量輸送到電網。從15：00到18：30，隨著光照強度的減弱，發電量在減少，而此時負載功率也在減小并且一直小于發電量。電網不需要提供額外的電力。從圖中也可以看出，發電功率的峰值比太陽輻照強度的峰值稍晚。這種現象是由于太陽能電池板溫度的影響。此外，負載功率隨著環境溫度的下降而下降，直到空調關閉的時結束運轉。

圖3 典型天氣狀況—晴天情況下光伏空調的性能

2.2 多云情況下系統性能分析

光伏空調系統在高峰期（2018年8月5日）的瞬時性能如圖4所示。由于云層的輻射阻擋作用，所產生的電量在陰天顯著波動并保持在較低的值。因此，從8點到18點30分，負載耗電量總是高于發電量——除了中午的兩點到三點的一段時間。

圖4 典型天氣狀況—多云情況下光伏空調的性能

2.3 陰天情況下系統性能分析

在下雨天，如圖5所示，由于在空調啟動時輻照度較低，發電量低于負載的耗電量。因此，大部分耗電量電由電網提供。

圖5 典型天氣狀況—陰天情況下光伏空調的性能

2.4 不同天氣狀況的能量性能比較

表4表明晴天發電量在三個典型日最大，而下雨日發電量最低。三個典型日的負荷耗電量值是相似的。在雨天，太陽輻照度和環境溫度較低，建筑物負荷相應減少。因此，下雨天的負荷耗電量比其他日子略低。對于SF和NSF來說，趨勢是相似的：隨著天氣的改善，數值會增加，意味著在陽光明媚的日子里，PV空調機組性能最好，而在雨天則表現最差。SF表示光伏板提供的驅動空調的那部分能源消耗與總能耗的比值，NSF表示光伏板所產生的總能量，包括并入電網的能量與總能耗的比值。但是，SF和NSF不成比例。在陽光充沛時，NSF和SF之間的差異大于雨天。這種差異意味著在晴天有更多的電力傳輸到電網，如果能量存儲被納入系統，SF可以增加。實際上NSF可以看作是儲能裝置建成時SF達到的最大值。

表4 不同天氣模式系統性能比較

3 模擬研究

基于上述的TRNSYS仿真模擬軟件建立系統的仿真模型，模擬了制冷季并網光伏空調系統的性能、供暖季并網光伏空調系統的性能以及過渡季節并網光伏空調的性能。

3.1 系統模型建立

系統中包含了光伏模塊、空氣源熱泵、建筑模塊等部件，結合TRNSYS軟件中各模塊功能及特點調用對應模塊，并依據各模塊間關系搭建系統模型，其中最主要的部分是用于模擬PV組件的Type194模塊。使用Type109-TMY2模塊讀取格式為TM2的氣象數據文件，并調用其中參數至PV模塊。所搭建系統模型如圖6所示。

圖6 TRNSYS軟件中的系統仿真模型示意圖

4 模擬結果分析與討論

系統性能模擬分析，包括每個月光照強度的在不同方位角、不同傾角下的輻射量的分析，進而得到每個月的輻射量，根據每月的輻射量，可以確定全年輻射量最大時，全年最佳安裝傾角、不同季節的最佳安裝傾角。

4.1 方位角和安裝傾角的分析

圖7 一月份全方位角、不同傾角的太陽輻射量

圖8 七月份全方位角、不同傾角的太陽輻射量

以供暖季和供冷季的一月和七月為例，得出不同方位角、不同傾角下太陽輻射量的大小，如圖7和圖8所示。由圖7可知，在一月份，當傾角為0°時即光伏板水平放置的時候，光伏板所接收到的太陽輻射強度都處于黃色區域（七月份處于紫色區域），而數據也顯示是恒定不變的。當方位角一定時，傾斜面上接收到的平均日輻射量隨傾角的增大表現都是先增加再減小。對于某一固定的傾角，方位角為0°時接收到的平均日輻射量最大，而后其值隨著方位角的增大逐漸減小。進而得到一月份的最佳方位角為面向南，安裝傾角為60°。此時太陽輻射量最大，值為3.324 kWh/m2·d；七月份的最佳方位角為面向南，安裝傾角為10°。此時太陽輻射量最大，值為4.832 kWh/m2·d。

4.2 季節最佳傾角的分析

光伏與空調進行結合，具有季節性，過渡季節空調并不開啟，考慮到這一特點，同時也為了使得光伏與空調更好的結合，提高光伏與空調的匹配指數，進而考慮季節最佳傾角。

圖9 不同傾角下光伏板的發電量

圖9表示了不同季節在不同傾角下光伏板的發電量。對于供暖季而言，發電量先增大后減小，在60°時達到最大值，此時傾角較大；對于制冷季而言，發電量在10°達到最大值，此時傾角較小，這與全年太陽高度角的變化有較好的對應。夏季太陽高度角較大時，傾角越小接收到日輻射量越多；冬季太陽高度角較小時，傾角越大越有利于太陽輻射的接收。不同季節在朝向正南方向的時候最佳安裝傾角，供暖季的最佳安裝傾角為60°；由春天向夏天的過渡季節的最佳安裝傾角為20°；制冷季最佳安裝傾角為10°；由夏季向秋季的過渡季節的最佳安裝傾角為40°。

4.3 匹配指數的性能分析

在整個供暖季，按照季節最佳安裝傾角時，并網光伏空調系統63%都可以完全由光伏發電帶動空調運轉（按照全年最佳傾角時51%）；在整個制冷季的并網光伏空調系統75%都可以完全由光伏發電帶動空調運轉（按照全年最佳傾角時65%），而且制冷季除了不能正常滿足運行，在能滿足正常運行的時候，發電量遠遠大于空調的耗電量，此時按照季節最佳安裝傾角時，制冷季的SF的平均值為1.14，供暖季的SF的平均值為0.9。

圖10、11分別表示了供暖季—季節最佳傾角與全年最佳傾角匹配指數、制冷季—季節最佳傾角與全年最佳傾角匹配指數在一個月中的對比。由圖10可知，在全年最佳安裝傾角時，低于匹配水平的百分比為：37%，采用季節最佳傾角時，低于匹配水平的百分比為：20%；相對降低了46%；由圖11可知，在全年最佳安裝傾角時，低于匹配水平的百分比為：53%，采用季節最佳傾角時，低于匹配水平的百分比為：23%；相對降低了57%。

圖10 供暖季—季節最佳傾角與全年最佳傾角匹配指數對比分析

圖11 制冷季—季節最佳傾角與全年最佳傾角匹配指數對比分析

4.4 季節最佳傾角的與全年最佳傾角全年性能分析

圖12 全年最佳傾角和季節最佳傾角情況下不同季節發電量對比

由圖12可知，春天向夏天過渡時，兩種傾角的發電量差別不大，主要差別在供暖季與制冷季以及秋向冬的過渡季。按照季節最佳安裝傾角進行光伏板的安裝時，全年的發電量為：21481.32 KWh/y；按照全年輻射量最大即全年發電量最大時的安裝傾角進行光伏陣列的安裝時，全年發電量為：20447.57 KWh/y；按照季節最佳傾角時的全年發電量比按照全年最佳安裝傾角時的全年發電量大1033.75 KWh/y。

結語

本文圍繞寒冷氣候區辦公建筑，采用理論研究、模型建立和實驗驗證的方法，對光伏空調系統季節傾角進行了研究，得到的結論如下：

（1）系統光電效率隨輻射強度增大而增大，基于寒冷地區辦公建筑，分析空調系統在不同季節不同天氣狀況下（晴天，陰天，多云等天氣）的負荷需求與太陽能光伏功率輸出之間的匹配關系，實驗數據表明，晴天發電量可以達到87.27 kWh，匹配指數可以達到1.032。

（2）通過對系統全年性能進行模擬，得到光伏空調系統在全年最佳安裝傾角時全年發電量為77211.25MJ，而按照季節最佳傾角最佳安裝傾角時全年發電量為80932.75 MJ，相比于全年最佳安裝傾角的發電量提高了5%。

（3）通過對不同季節在朝向正南方向的時候安裝傾角的模擬，得出季節最佳安裝傾角，即供暖季安裝傾角為60°；由春天向夏天過渡季節的安裝傾角為20°；制冷季安裝傾角為10°；由夏季向秋季過渡季節的安裝傾角為40°。在采暖季季節傾角的匹配指數可以達到1.65，相比于全年最佳傾角的1.36提高了21.32%；在制冷季的匹配指數可以達到1.96，相比于全年最佳傾角的1.85提高了5.95%。