光伏太阳能热泵系统的模拟研究和经济性分析

【摘要】：随着能源和环境问题的日益突出,太阳能因其无污染、可再生等优点,受到人们的重视。本文以太阳能光电/光热综合利用为出发点,对光伏太阳能热泵系统(PV-SAHP)进行了研究。 PV-SAHP系统在直膨式太阳能热泵系统集热板的上方层压光伏电池制成光伏蒸发器(PV-EVAP).一方面,蒸发盘管中的制冷剂带走了光伏电池中多余的热量,保证了光伏电池较低的工作温度,提高了系统的光电转换效率。另一方面,系统的蒸发过程在太阳直接辐照之下完成,使得热泵循环的性能系数明显提高。系统能够同时输出电能和热能,提高了对太阳能的综合利用能力。 首先,本文利用稳态分相区集中参数模型对光伏蒸发器进行了理论研究。研究了太阳辐射强度、环境温度、结构参数以及蒸发器进口参数等因素的改变对出口焓值的影响；根据给定的进口参数和外界环境参数,对光伏蒸发器进行了全天的数值模拟。结果表明,光伏蒸发器具有优越的性能：其电效率、热效率、电热综合效率的平均值分别为13.3%、67.9%、79.2%,综合效率比普通集热器约高出10%。 其次,建立了PV-SAHP系统的数学模型,并对其进行了全天的数值模拟。结果显不,PV-SAHP系统具有优越的性能：平均光伏功率、光电转换效率、热泵性能系数和光电光热综合性能系数分别为462.1w、13.8%、5.89和9.13；此外,系统的压缩机耗功占光伏功率的78.2%,这意味着系统所输出的电能能够满足自身需求。 最后,对光伏太阳能热泵热水器(PV-SAHPWH)进行了经济性分析和环境效益的评价,说明了该系统能够节省费用、降低能耗、减少污染物的排放,适用于小区、住宅楼集中供生活热水、供电量,具有可行性和工程应用价值。 【关键词】：光伏太阳能热泵系统 光伏蒸发器 出口焓值 光电性能 光热性能 综合性能 分相区集中参数法 光伏太阳能热泵热水器 经济性分析 环境效益
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TU831.3
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 图表目录11-13
• 1 绪论13-19
• 1.1 课题的研究背景13-15
• 1.1.1 我国太阳能资源概况13-14
• 1.1.2 太阳能利用技术14-15
• 1.2 国内外的研究现状15-16
• 1.3 课题的研究意义和目的16-17
• 1.4 课题的研究方法和主要内容17-19
• 1.4.1 课题的研究方法17
• 1.4.2 课题的主要研究内容17-18
• 1.4.3 课题的创新工作18-19
• 2 光伏太阳能热泵系统简介19-22
• 2.1 系统部件构成和运行原理19-20
• 2.2 系统主要运行模式20-21
• 2.3 系统主要优势21-22
• 3 光伏蒸发器数值模拟22-51
• 3.1 光伏蒸发器结构简介22
• 3.2 光伏蒸发器的数学模型22-29
• 3.2.1 蒸发器的能量守恒模型23-27
• 3.2.2 制冷工质的流动传热模型27-29
• 3.3 其他辅助参数计算公式29-32
• 3.3.1 太阳辐射模型29-30
• 3.3.2 制冷剂与管壁的对流换热系数30-32
• 3.3.3 制冷剂两相区的摩擦压降32
• 3.4 光伏蒸发器模型的求解32-36
• 3.4.1 数学模拟的模型选择32-33
• 3.4.2 光伏蒸发器仿真算法33-36
• 3.5 数值模拟的结果及分析36-49
• 3.5.1 相关参数和计算公式36-39
• 3.5.2 已知条件对出口焓值的影响39-44
• 3.5.3 全天逐时模拟结果分析44-49
• 3.6 本章小结49-51
• 4 光伏太阳能热泵系统数值模拟51-77
• 4.1 压缩机数学模型51-54
• 4.1.1 制冷剂流量计算模型52-53
• 4.1.2 输入功率计算模型53
• 4.1.3 温度计算模型53-54
• 4.1.4 压缩机仿真算法54
• 4.2 冷凝器数学模型54-61
• 4.2.1 模型的基本说明55-56
• 4.2.2 冷凝器制冷剂侧模型56-58
• 4.2.3 冷凝器冷却水侧换热模型58-59
• 4.2.4 冷凝器仿真算法59-61
• 4.3 电子膨胀阀数学模型61-62
• 4.4 制冷剂R22热物性计算模型62-66
• 4.4.1 饱和态R22热物性计算模型63-65
• 4.4.2 过热态R22热物性计算模型65-66
• 4.5 PV-SAHP系统模型求解66-68
• 4.6 数值模拟的结果及分析68-75
• 4.6.1 相关参数和计算公式68-70
• 4.6.2 冷凝功率70-71
• 4.6.3 压缩机耗功71-72
• 4.6.4 热泵性能系数72-73
• 4.6.5 系统光伏功率73-74
• 4.6.6 系统光伏效率74-75
• 4.6.7 系统光电光热综合性能75
• 4.7 本章小结75-77
• 5 光伏太阳能热泵热水器的经济性分析和环境效益评价77-89
• 5.1 经济性分析77-86
• 5.1.1 经济性分析评价指标77
• 5.1.2 经济性分析基本参数77-78
• 5.1.3 光伏太阳能热泵热水器78-80
• 5.1.4 直膨式太阳能热泵热水器80-82
• 5.1.5 锅炉供热水系统82-83
• 5.1.6 几种系统热经济性对比分析83-86
• 5.2 环境效益评价86-87
• 5.3 本章小结87-89
• 6 本文总结和工作展望89-92
• 6.1 本文总结和创新性89-90
• 6.2 研究工作展望90-92
• 致谢92-93
• 参考文献93-97

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