1、水冷型 PV 系统和 PVSAHP 系统的火用分析马飞，魏兵（华北电力大学 动力工程系）摘要：水冷型 PV 系统和 PVSAHP 系统都属于光伏光热一体化系统，即在利用太阳能发电的同时提供热水。在水冷型 PV 系统中，用流体 带走光伏电池温升产生的热 量，降低 电池温度以提高发电效率，同时产生的热水也可以加以利用。PVSAHP 系 统是指将光伏转换与热泵循环有机结合在一起形成的系统。 热泵的蒸发工质作为PV 板的冷却流体，得到的 热 量通过热泵循环在冷凝端以高温 输出，既降低了 电池板的温度同时也可以输出较高温度的热水。由于两者的设备 装置和所处的环境条件的差 别， 导致两者在能量的利用效率上
2、有所不同。而火用分析可以找出损失或损耗的原因以及能量利用上的薄弱环节，为节能降耗，提高能量利用率指明正确的方向。本文利用火用分析对两种系统在能量的利用和损失方面作分析，并得出两种系 统的火用效率， 对今后的系统优化提供一定的参考。关键词：火用分析；水冷型 PV 系统；PVSAHP 系统Exergy Analysis of PV-Water Cooling System and PV-SAHP SystemMa Fei ,Wei Bing(School of Energy PV-water-cooling; PV-SAHP一、引言热力学第一定律从能量“量” 的属性出发阐述了能量转换所必须遵循的规
3、律,以热效率来评价热力系统性能。热力学第二定律从能量“质” 的属性出发阐述了能量转换的客观规律,指出热力系统能量传递与过程转换的方向性和不可逆性,以热力系统各点做功能力火用与系统火用效率来评价热力系统性能与热力循环的完善程度。火用是系统向周围环境变化并达到与环境状态(温度和压力 )相同时能够做的最大可用功。本文利用火用分析对两种系统在能量的利用和损失方面作分析，并得出两种系统的火用效率，对今后的系统优化提供一定的参考。二、两种系统的简单介绍太阳能作为一种清洁能源,具有节能环保的优点,而且它又是可再生能源,因此,太阳能的利用越来越受到关注。但是太阳能电池在实际应用中,有 80%太阳能并没有转化成
4、电能,而是转化成了热能。当太阳辐射较强时,太阳能电池的光电转换效率会因温度升高而降低。如果在电池板的背面铺设冷却剂通道,让冷却剂带走光伏电池的热量,同时把这部分热量加以利用,那么这样就能实现光电光热的综合利用,这种系统就是光电光热综合利用(Photovoltaic-thermal PV/T)系统。当用水作为冷却剂时，那么该系统就为水冷型 PV/T 系统。PV/T-SAHP 系统是一种新型的太阳能热泵系统: 光电/ 光热综合利用的太阳能热泵系统 (PV/T solar-assisted heat pump, PV/T-SAHP)。在 PV/T-SAHP 系统中,光伏组件与热泵装置的蒸发器结合成一
5、体,系统接收到的太阳辐照中,短波部分被光伏电池转化为电流输出,长波部分用作热泵蒸发器的热源,使太阳能从光电、光热两个方面得到综合利用。三、两种系统的火用分析开口系统能量分析的一般公式如下：(1)0.)()(QvcumhWQinexii 而本系统的能量分析方程可简化为：(2)0iiexin火用平衡式为(3)0 , 0,. .i xuxQi xxeinxmucvmecvEWp 本系统的火用平衡式可简化为：(4)0, , .i xuxQixxeinxQmecvEWm 由于两种系统都属于稳流系统（相对于冷却介质来说） ，所以上述的公式都可以进行相应的演变。稳流开口系统的能量方程为：(5)0iiexin
6、mhQ火用损失率的一般表达式为：(6), ,ixQixeinEW具体分析如下：水冷型 PV/T 系统： 光 伏 电 池 板 冷 却 水 进 口冷 却 水 出 口工质管理毛细管/模 块 蒸 发器冷 凝 加 热 器 水 管 入 口水 管 出 口工质流向压 缩 机 图 1 水冷型 PV/T 系统简化图热平衡方程式： (7)0ipvexinQEmh 能量利用效率： （8）01iQ火用平衡分析： 1、水通过光伏电池板底部所吸收的热量火用： (9)0212121lnpTEmC2、管路散失的热量火用损： (10)0221lQT (11)2efE火用效率： (12)1effPV/T-SAHP 系统：图 2 P
7、V-SAHP 系统简化图热平衡方程式：(13)23451pvQEQ能量利用效率： 52341pvE（14）火用平衡分析：1、工质通过 PV/T 模块蒸发器底部所吸收的热量火用为：(15)0212121lnpTEmC2、向环境散失的热量火用损：(16)0221lQT（包括两部分，压缩机管路散失的热量火用和水管管路散失的热量火用，分开计算）3、压缩机消耗的功率： 1W(17)121ef pvEW光伏板产生的电功率 pvE系统火用效率： 1pvefE（18）四、计算结果及其讨论：取保定市 5 月份典型晴天的气象数据为计算基础,当天的平均干球温度 22.97，平均直射辐照 661.68 W/m2，平均
8、散射辐照 32.38 W/m2，环境风速取 2 m/s。在水冷型 PV/T 系统中，集热器总采光面积为 10.56 m2，正南向布置，倾角为 400，辐射强度 I=3189kJ/m2h，热水系统的水的质量流量为 280 kg/h，定压比热取Cp=4.1868 kJ/(kgK)，环境温度 t0=25，水的进出口温度分别为 t1=35，t 2=54。热效率和火用效率分别按上述的公式计算。在 PV-SAHP 系统中，系统用单晶硅光电池特性如下：开路电压 0.627 V，短路电流 5.115 A，最大功率 2.402 W，最大功率点电压 0.529 V，最大功率点电流 4.583 A，单片电池效率 1
9、5.4 %。测试辐照强度 1 000 W/m2，测试温度 25，测试电池面积 156.250 cm2。其他计算参数：压缩机为滚动转子式，额定功率为 1 200 W；热泵工质为 R22；盘管直径 12 mm；导热铝板传热系数为 237 W/mK；铜管导热系数 401 W/mK；PV 模块上表面的发射率为 0.9；吸收率为 0.85；冷凝器进水温度为 20；出水温度 50。表 1 计算结果水冷型 PV 系统 PV/T-SAHP 系统吸收的热量火用(E 1) 9577.00 10157.42散失的热量火用(E 2) 2896.00 3000.00有效的热量火用 (Eef) 6681.00 7157.
10、42能量利用效率() 0.66 0.70火用效率( ef) 0.46 0.49由计算结果可看出，PV-SAHP 系统无论在能量利用还是火用效率方面都比水冷型 PV/T 系统高，这就意味着 PV-SAHP 系统总的能量利用效率要比水冷型 PV/T 系统的高。原因主要有以下几个方面：1） 在 PV-SAHP 系统中，制冷循环中的热交换量要比在水冷型 PV/T 系统中强，即会比在水冷型 PV/T系统中吸收更多的热量。2） 由于热泵蒸发器直接与光伏板结合，从光伏板吸收的废气热量显著改变了它的热环境，废热的品质也相应的被提高了。这种热泵的蒸发温度要比传统风冷式的高，其 cop 值也要比传统的热泵高。据文
11、献 3 的数据显示，在相同的条件下这种热泵的 cop 提高了 43%。光伏板释放的热量会被及时的带走，这样光伏电池就可以在一个较低的环境温度中工作，进而它的光电转换效率也会提高。另外，热泵可以间歇工作，压缩机所需要的电力也可由光伏电池供给，如果压缩机的工作时间调整到最佳值，PV-SAHP 系统所消耗的能量将减少，其整体的效果要比连续工作的热泵好。五、结论1）PV-SAHP 系统的能量利用和火用效率要比水冷型 PV/T 系统的高。2）制冷剂吸收的热量火用，管道损失热量火用和有效的热量火用在 PV-SAHP 系统中都要比在水冷型PV/T 系统中高。调整进口的工质的温度和流量，对其外面的保温层加以改
12、进，会到达更好的效果。3）PV-SAHP 系统是一种全新的太阳能光电/ 光热综合利用系统，它在继承了传统太阳能热泵优点的同时，也摈弃了系统运行必须有外部电力供应的缺憾。从这个方面来说，它有更广泛的利用前景。符号说明Cp 比热 kJ/(kgK)E1 水通过光伏电池板底部所吸收的热量火用 kJ/hE2 管道损失的热量火用 kJ/hEef 有效的热量火用 kJ/hEpv 光伏板产生的电功率kJ/hx热量火用流 kJ/hm流量 kg/hmex.u 内能火用 kJ/hxe焓火用 kJ/hh 焓 kJ/kgp0 压力 PaQ向环境散失的热量 kJ/hQ1 压缩机的能耗 kJ/hQ2 PV 蒸发器处热泵工质
13、所吸收的热量kJ/hQ3 压缩机的管路损失热量 kJ/hQ4 水管的管路损失热量 kJ/hQ5 热水所得到的热量 kJ/hi从除环境以外的其他热源吸收的净热流率 kJ/hT0 环境温度 KT1 进水温度 KT2 出水温度 Kv 比容 m3/kgiW系统对外界所作的净功率 kJ/h希腊字母 效率系统火用损 kJ/h下标 .cv开口系统ef 有效的ex 流出in 流进参考文献1 王宝群，姚强，宋蔷，林汝谋，太阳能光伏/光热集热器设计与性能研究，燃气轮机技术，2009.3：6070.2 徐国英，张小松，杨磊，两种集热结构的太阳能光伏/光热一体化热泵性能分析，化工学报，2008.12：225229.3
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