一種基于微熱管陣列的太陽能PV/T熱泵系統能效實驗研究

陳紅兵，張曉坤，王聰聰，李思琦，姚華寧，龔雨桐

（北京建筑大學 北京市供熱供燃氣通風及空調工程重點實驗室，北京100044）

0 引言

提高PV/T裝置的太陽能利用效率是太陽能光電光熱綜合利用領域的研究重點。要提高PV/T裝置的太陽能利用效率，關鍵在于高效地管理和控制光伏板溫度，將熱量從光伏板上轉移出去并加以利用。

隨著熱管技術的發展，其超高的導熱性能受到廣泛的關注，一些學者開始嘗試將熱管技術應用到PV/T裝置中，以提高PV/T裝置的太陽能利用效率。Gang P搭建了一種基于圓型熱管的PV/T收集器，通過實驗和模擬結果表明，該收集器的日平均熱效率和電效率分別為41.9%和9.4%[1]。然而，傳統熱管的圓柱形狀減小了光伏板與熱管的接觸面積，導致光伏板與熱管之間的換熱效率降低。為了進一步提高熱管的傳熱性能，趙耀華發明了微熱管陣列（MHPA）技術，實驗結果表明MHPA形狀平坦，易與傳熱表面結合，同時具有超強的導熱性能[2]。基于MHPA技術，Hou L搭建了一種微熱管陣列式太陽能PV/T熱水系統，通過實驗和模擬結果表明：全年，微熱管陣列式PV/T（MHPA-PV/T）收集器的電效率穩定在13%左右，總效率為30%～50%；夏季，該收集器的熱效率可達到40%以上；冬季，該收集器的熱效率降低至20%以下[3]。此外，Hou L搭建的微熱管陣列式太陽能PV/T熱水系統中的MHPA-PV/T收集器與循環水系統之間采用了間接連接的連接方式，間接連接方式會增加整個系統的傳熱熱阻，在一定程度上降低了MHPA-PV/T收集器的集能效率。陳紅兵對相近實驗條件下的微熱管陣列式太陽能PV/T集熱系統和圓型熱管式太陽能PV/T集熱系統進行對比分析，實驗結果表明：與圓型熱管式太陽能PV/T集熱系統相比，微熱管陣列式太陽能PV/T集熱系統的日平均熱效率提高了16.8%，日平均電效率提高了3.5%[4]。另外，有學者提出在PV/T裝置中加裝熱泵，利用熱泵的工作特性來提高PV/T裝置的集能效率，保障和提升PV/T裝置的供熱品質。熱泵與PV/T裝置的結合方式分為間接式和直膨式。張露搭建了一套間接式太陽能PV/T熱泵系統并測試了該系統的各項性能，分析結果表明：測試時間內，該系統的熱效率為35%，電效率為15.0%，光電光熱綜合效率可達到74.4%；其中，相較于傳統PV組件，該系統的電效率提高了11%[5]。Zhou J搭建了基于新型微通道的直膨式太陽能PV/T熱泵系統，實驗結果表明，實驗運行條件下，新型PV/T微通道蒸發器模塊的平均熱效率、電效率和總效率分別為56.6%，15.4%，69.7%，該系統的平均COP為4.7[6]。加裝熱泵能夠進一步提高PV/T裝置的集能效率。其中，直膨式太陽能PV/T熱泵系統的集能效率優于間接式，但直膨式太陽能PV/T熱泵系統存在制冷劑易泄露和工質流動阻力高等問題，這些問題不容忽視。

利用MHPA技術和熱泵技術，能夠提升PV/T裝置的太陽能利用效率。但目前還未有在PV/T裝置中同時采用這兩種技術的相關研究。為了進一步探究利用上述兩種技術來提升PV/T裝置的太陽能利用效率，本文在文獻[7]，[8]的基礎上，同時利用這兩種技術搭建了基于微熱管陣列的太陽能PV/T熱泵系統（以下簡稱為微熱管陣列式PV/T熱泵系統），并對該系統進行了實驗研究。

1 實驗裝置

本實驗中微熱管陣列式PV/T熱泵系統主要由MHPA-PV/T收集器、熱泵蒸發側循環水系統、熱泵系統、恒溫水浴鍋、光伏發電系統和管路附件組成。其中，MHPA-PV/T收集器與熱泵蒸發側循環水系統之間采用直接連接方式進行連接；PV/T集熱系統與熱泵系統之間采用間接連接方式進行連接；熱泵系統為恒溫水浴供熱，用于模擬恒溫供熱需求的情況；光伏發電系統通過光伏逆控一體機將產生的電能收集到蓄電池中。

微熱管陣列式PV/T熱泵系統的結構見圖1。

圖1 微熱管陣列式PV/T熱泵系統結構示意圖Fig.1 The schematicdiagram of the structure of the Micro heat pipe array PV/T heat pump system

1.1 MHPA-PV/T收集器

MHPA是由多個鋁合金微熱管制成的新型導熱組件。相比于傳統熱管，MHPA具有以下優勢：①傳熱能力較高，微槽增加了熱管的傳熱面積，并增加了蒸發部分和冷凝部分中的薄液膜的數量；②可靠性較高，各微熱管獨立工作，互不影響；③接觸熱阻較小，形狀平坦，易與傳熱表面結合[4]。

圖2為MHPA實物圖和橫截面示意圖。

圖2 MHPA實物圖和橫截面示意圖Fig.2 The physicalmap and schematic cross-section ofMHPA

MHPA-PV/T收集器由光伏板、MHPA、保溫材料和聯箱等部分構成。其中，光伏板采用英利能源有限公司的YL200P-35b型多晶硅電池板，最大功率為200W，光伏電池覆蓋率為95%；以上述光伏板為基板，利用導熱硅膠將熱管的蒸發段粘接在光伏背板上，熱管冷凝端插入聯箱，與流經聯箱的循環水直接接觸，其中熱管數量為10個，熱管間間距為75mm；最后在MHPA-PV/T收集器的背面和聯箱的周圍利用保溫材料進行封裝，以提升該收集器的保溫性能。

MHPA-PV/T收集器的實物圖和橫截面示意圖如圖3所示。

圖3 MHPA-PV/T收集器的實物圖和截面示意圖Fig.3 The physicalmap and schematic cross-section of MHPA-PV/T collector

MHPA-PV/T收集器各組成部分的型號尺寸如表1所示。

表1 MHPA-PV/T收集器各組成部分的型號與尺寸Table 1 Themodel and size of each componentof MHPA-PV/T collector

1.2 熱泵系統

熱泵系統的蒸發器和冷凝器均為板式換熱器。熱泵蒸發端與MHPA-PV/T收集器相連接，熱泵冷凝端與恒溫水浴鍋相連接；熱泵壓縮機為丹弗斯SC10G型壓縮機；毛細管的長度為1.6m，內徑為1mm；制冷劑為R134a型制冷劑。熱泵系統實物圖如圖4所示。恒溫水浴鍋用于模擬恒溫供熱，設定溫度為45±0.5℃。

圖4 熱泵系統實物圖Fig.4 The physicalmap of heat pump system

1.3 蓄電系統

蓄電系統主要由光伏逆變控制器和蓄電池組成。光伏逆變控制器能夠實現交、直流電逆變轉換，并將光伏電能儲存于蓄電池中。光伏逆變控制器的型號為AT12220S，標準工況下其輸入直流電壓為12 V，輸出交流電壓為220 V，輸出頻率為50Hz。蓄電池由2塊密封式鉛酸蓄電池（12 V，100 A·h）串聯而成。

2 評價指標與測試內容

2.1 評價指標

本文主要從熱、電性能和熱泵COP這3個方面對微熱管陣列式PV/T熱泵系統進行評價。因此，選取的評價指標有熱功率、熱效率、電功率、電效率、光電光熱綜合效率和COP等。

微熱管陣列式PV/T熱泵系統熱功率Qth和熱效率ηth的表達式分別為

式中：cw為循環水的比熱容，J/（kg·℃）；mw為循環水的質量流量，kg/s；Tw，o，Tw，i分別為PV/T收集器的出口溫度和進口溫度，℃；G為太陽輻射強度，W/m2；APV/T為PV/T收集器的面積，m2。

微熱管陣列式PV/T熱泵系統電功率Qe和電效率ηe的表達式分別為

式中：U為光伏輸出電壓，V；I為光伏輸出電流，A；APV為光伏電池的凈面積，m2。

由于光伏板的電池覆蓋率為95%，因此，APV=0.95APV/T。

PV/T收集器可以同時收集電能和熱能，但由于熱能和電能的品位不同，因此須通過計算公式將其電效率進行轉化，從而獲得PV/T收集器在同一能源品位（熱能）基礎上的光電光熱綜合效率。光電光熱綜合效率η0的計算式為[9]

式中：ζ為常規火力發電廠的發電效率，為0.38。

熱泵的性能系數COP的表達式為

式中：Qcon為熱泵系統的冷凝換熱量，W；Ncom為熱泵壓縮機功率，W。

2.2 測量內容

測量內容主要根據評價指標的需求來確定，測量內容包括微熱管陣列式PV/T熱泵系統的溫度、電壓、電流、功率，以及室外溫度和太陽輻射強度。微熱管陣列式PV/T熱泵系統中各測量點位置如圖5所示。

圖5 微熱管陣列式PV/T熱泵系統中各測量點位置Fig.5 Eachmeasurement point in themicro heat pipe array PV/T heat pump system

本文采用鉑電阻溫度傳感器測量溫度，該傳感器的設備型號為WZP-01，測量精度為A級。采用太陽能輻射傳感器測量太陽輻射強度，該傳感器的設備型號為TBQ-2B，測量精度為2.0%。采用電磁流量計測量循環工質的流量，該流量計的設備型號為SE115MM，測量精度為0.5%。采用直流電流傳感器測量光伏板的輸出電流，該傳感器的設備型號為WBI1022F21，測量精度為1.0%。采用直流電壓傳感器測量光伏板的輸出電壓，該傳感器的設備型號為WBV342U01-S，測量精度為0.2%。采用功率傳感器（有用功率）測量熱泵壓縮機的功率，該傳感器的設備型號為WBP112S41，測量精度為0.5%。以上所有傳感器的數據均通過Agilent34972A型數據采集儀進行采集和記錄。

3 實驗結果與誤差分析

3.1 實驗測試結果

微熱管陣列式PV/T熱泵系統的試驗臺搭建于北京建筑大學實驗二號樓的樓頂，微熱管陣列式PV/T熱泵系統中的MHPA-PV/T收集器的安裝傾角為30°，熱泵蒸發側循環水系統與冷凝側循環水系統的循環水流量均為6 L/min，測試時間為2019年6月1號9：00-16：00，數據采集時間間隔為10min。測試時間段內室外溫度和太陽輻射強度隨時間的變化情況如圖6所示。

圖6 測試時間段內室外溫度和太陽輻射強度隨時間的變化情況Fig.6 The variation ofoutdoor temperature and solar radiation intensity with time during the test period

由圖6可知，測試時間段內，室外溫度的最大值和平均值分別為36.6℃和30.9℃；太陽輻射強度的最大值和平均值分別為978W/m2和829 W/m2。

微熱管陣列式PV/T熱泵系統的熱量傳遞過程如下：①光伏板收集的熱量通過熱管傳遞給流經聯箱的循環水；②循環水攜帶熱量流至熱泵蒸發側換熱器，并將熱量傳遞給熱泵蒸發端；③熱泵系統將熱泵蒸發端的熱量傳遞至熱泵冷凝端；④熱泵冷凝端向恒溫水浴鍋進行放熱。其中光伏板、熱泵蒸發端和熱泵冷凝端是影響微熱管陣列式PV/T熱泵系統換熱過程的主要換熱節點。

圖7為測試時間段內微熱管陣列式PV/T熱泵系統主要換熱節點溫度隨時間的變化情況。

圖7 測試時間段內微熱管陣列式PV/T熱泵系統主要換熱節點溫度隨時間的變化情況Fig.7 The temperature variation ofmain heatexchange nodes ofMHPA-PV/T heat pump system with time during the test period

由圖7可知，熱泵冷凝端冷凝溫度在測試時間段內基本無變化，平均冷凝溫度為44.8℃，這是由于熱泵冷凝端與恒溫水浴鍋相連，而恒溫水浴鍋的溫度始終保持穩定所導致的。MHPA-PV/T收集器表面溫度和熱泵蒸發端溫度均呈現先上升后下降的趨勢，該變化趨勢與太陽輻射強度的相同，這是由于影響MHPA-PV/T收集器表面溫度的最主要因素為太陽輻射強度。由于MHPA-PV/T收集器本身具有一定的蓄熱性，因此，熱泵蒸發端溫度變化滯后于MHPA-PV/T收集器表面。由圖7還可以看出，MHPA-PV/T收集器表面溫度與熱泵蒸發端溫度相差較大，這是由于手工制作的MHPA-PV/T收集器在保溫和粘接等工藝存在瑕疵，導致MHPA-PV/T收集器換熱效果較差。

圖8為測試時間段內MHPA-PV/T收集器熱功率和熱效率隨時間的變化情況。

由圖8可知，測試時間段內，MHPA-PV/T收集器熱功率的平均值為444.8W，MHPA-PV/T收集器熱功率的變化趨勢為9：00-11：30時間段緩慢上升、12：30-16：00時間段快速下降，在11：30-12：30達到最大值。這是由于MHPA-PV/T收集器熱功率的大小主要取決于該集熱器與熱泵蒸發端之間的換熱效果，因此，MHPA-PV/T收集器熱功率的變化規律與MHPA-PV/T收集器和熱泵蒸發端之間溫差的變化規律相似（MHPA-PV/T收集器和熱泵蒸發端的溫度變化見圖7）。由圖8還可以看出，測試時間段內，MHPA-PV/T收集器的熱效率呈現逐漸減小的變化趨勢，平均熱效率為38.7%。這是由于在9：00-12：30，MHPA-PV/T收集器熱功率的增幅小于太陽輻射強度，在12：30-16：00，MHPA-PV/T收集器熱功率的降幅大于太陽輻射強度導致的。

圖8 測試時間段內MHPA-PV/T收集器熱功率和熱效率隨時間的變化情況Fig.8 The variation of thermal power and thermal efficiency of MHPA-PV/T collectorwith time during the test period

圖9為測試時間段內熱泵壓縮機功率、冷凝換熱功率和COP隨時間的變化情況。

圖9 測試時間段內熱泵壓縮機功率、冷凝換熱功率和COP隨時間的變化情況Fig.9 The variation of compressor power，condensation power and COP of heat pump with time during the test period

由圖9可知，測試時間段內，熱泵冷凝換熱功率和熱泵COP均呈上升趨勢，熱泵壓縮機功率基本保持不變。熱泵冷凝換熱功率和熱泵COP呈現上升趨勢是由于熱泵壓縮機功率和熱泵冷凝溫度基本保持穩定，但熱泵蒸發溫度整體呈上升趨勢所導致的。熱泵壓縮機的平均功率為478.8W；熱泵冷凝換熱功率的最大值和平均值分別為1 409.4W和1 313W；熱泵COP的最大值和平均值分別為2.9和2.7。導致熱泵COP較小的原因有兩個：①熱泵設備老化（使用時間超過4 a）；②熱泵選型偏大，即熱泵的額定制冷量遠高于MHPA-PV/T收集器的熱功率。

為體現微熱管陣列式PV/T熱泵系統與PV系統的電性能差異，本文搭建了一組PV系統，PV系統中的光伏板與MHPA-PV/T收集器中的光伏板相同。

測試時間段內，微熱管陣列式PV/T熱泵系統和PV系統中，光伏板的溫度隨時間的變化情況如圖10所示。

圖10 測試時間段內，微熱管陣列式PV/T熱泵系統和PV系統中，光伏板的溫度隨時間的變化情況Fig.10 The variation of photovoltaic panel temperature of micro heat pipe array PV/T heat pump system and PV system with time during the test period

由圖10可知，微熱管陣列式PV/T熱泵系統中光伏板的溫度低于PV系統。PV系統和微熱管陣列式PV/T熱泵系統的光伏板的最高溫度分別為56.2℃和33.9℃，平均溫度分別為50.2℃和31.5℃，平均溫度的差值為18.7℃。

測試時間段內，微熱管陣列式PV/T熱泵系統和PV系統的電功率、電效率隨時間的變化情況如圖11所示。

圖11 測試時間段內微熱管陣列式PV/T熱泵系統和PV系統的電功率、電效率隨時間的變化情況Fig.11 The variation of electric power and efficiency of PV/T systemmicro heat pipe array PV/T heat pump system and PV system with time during the test period

由圖11可知，測試時間段內，PV系統的平均電功率和平均電效率分別為91.6W和9.4%。微熱管陣列式PV/T熱泵系統的平均電功率和平均電效率分別為118.5W和12.0%，與PV系統相比分別提高了29.4%和27.7%，這是由于微熱管陣列式PV/T熱泵系統對光伏板溫度的有效控制使得微熱管陣列式PV/T熱泵系統的電效率和電功率高于PV系統。由圖11還可以看出，2個系統的電功率均呈現先上升后下降的變化趨勢，該變化趨勢與太陽輻射強度的相同，這是由于太陽輻射強度是影響光伏板發電功率的最主要因素。在15：30之后，由于微熱管陣列式PV/T熱泵系統的保溫和循環水溫度升高的作用，使得光伏板的散熱減弱，導致微熱管陣列式PV/T熱泵系統的電效率和電功率略低于PV系統。

根據式（5）計算得到微熱管陣列式PV/T熱泵系統在測試時間段內的光電光熱綜合平均效率為70.3%。

3.2 實驗測量誤差分析

本文在實驗數據處理與分析過程中存在2類數據，一類是由測量儀器直接測量得到的獨立變量（如溫度、電流、功率等），另一類則是不可直接測量得出的非獨立變量（如熱功率、熱效率等）。對于獨立變量，其測量誤差的大小取決于測量儀器的測量精度；而對于非獨立變量，其測量誤差須由相關獨立變量的測量誤差計算得出。

例如某非獨立變量y=f（x1，x2…，xn），其相對誤差RE可由各個獨立變量xi（i=1，2，…，n）的誤差計算得出。

RE的計算式為[10]

非獨立變量y多次測量結果的平均相對誤差MRE的表達式為

式中：N為采集數據的個數。

根據式（7），（8）計算2019年6月1日的測試數據的測量誤差，計算結果如下：微熱管陣列式PV/T熱泵系統電功率的MRE為1.2%；電效率的MRE為3.2%；熱功率的MRE為19.5%；熱效率的MRE為21.5%；熱泵COP的MRE為7.4%。

4 結論

本文制作了一種基于MHPA技術的MHPAPV/T收集器，并加裝熱泵系統搭建了一種微熱管陣列式PV/T熱泵系統。在熱泵為恒溫水浴供熱的工況下，對微熱管陣列式PV/T熱泵系統性能進行實驗，測試與分析結果如下。

①測試時間段內，MHPA-PV/T收集器的平均電效率和平均熱效率分別為12%和38.7%，光電光熱綜合平均效率為70.3%，熱泵的平均COP為2.7。

②MHPA-PV/T收集器的電性能優于單一PV系統，MHPA-PV/T收集器的平均電功率和平均電效率分別提高了29.4%和27.7%。

③微熱管陣列式PV/T熱泵系統的熱泵的COP偏低，其主要原因在于熱泵設備老化和選型偏大。