光伏—太阳能热泵系统及多功能热泵系统的综合性能研究

【摘要】：地球上化石能源的储量是有限的，而人类发展对能源的需求是无限的。探索可再生能源的利用方法和提高现有能源的利用效率，是解决人类发展过程中能源和环境两个根本问题的主要途径。本文以太阳能光电／光热综合利用和热泵多功能性开发利用为出发点，分别研究了光伏-太阳能热泵系统(PV-SAHP)和多功能热泵系统(MDHP)。PV-SAHP系统把热泵循环应用于太阳能光电／光热综合利用中，是一种高效的主动式太阳能利用方式。MDHP系统可以实现对热泵循环蒸发冷量和冷凝热量的综合利用，具有很高的能源利用效率，同时还可以减少夏季空调热污染。 光伏-太阳能热泵(PV-SAHP)系统通过热泵循环，提高、稳定了太阳能光热转换的输出温度，同时维持光电转换在较低工作温度下进行，提高了光电转换效率。另一方面，PV-SAHP系统热泵循环的的蒸发过程在太阳直接辐照条件下完成，使得热泵循环的性能系数COP明显提高，也减少了热泵冬季供暖时常出现的运行不稳定和结霜等缺憾。 本文采用特殊的真空层压工艺，把光伏电池和蒸发器板结合成一体，制作了PV-SAHP系统的关键部件-光伏蒸发器。光伏蒸发器的光伏电池和蒸发器板之间具有电绝缘和热良导体的特性，可以实现对太阳能的分波段、光电／光热综合应用。以PV-SAHP系统实验台为基础，结合系统模型，本文进行了辐照强度、冷凝水温、压缩机频率、玻璃盖板等多种参数对PV-SAHP系统性能的影响和优化研究。文中还专门建立了光伏蒸发器的分布参数模型，对辐照强度、环境温度、蒸发管长度、管间距、进口干度等参数对蒸发器性能的影响进行了研究。 多功能热泵系统(MDHP)是根据目前的家用热泵现状所提出的一种新型热泵综合利用方式。在夏季，MDHP系统可以利用热泵蒸发器进行空调制冷，同时利用同一热泵循环的冷凝器来制取生活热水，低温水源吸热改善了冷凝器的散热，使得MDHP系统的制冷效率得到提高。由于MDHP系统的冷凝热不直接排向大气，夏季城市环境热污染得以减少。在其他季节，可以利用MDHP系统的单独制热水模式来制取生活热水，普及了高效热泵热水器的使用范围，提高了热泵设备的利用效率。 【关键词】：光电转换 光热转换 热泵循环 综合利用 多功能
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TK513
【目录】：

• 目录3-7
• 摘要7-9
• Abstract9-11
• 第一章 绪论11-25
• 1.1 我国的能源概况及发展趋势11-13
• 1.1.1 能源储量不足11
• 1.1.2 消耗快速增长11-12
• 1.1.3 环境持续恶化12-13
• 1.2 光伏-太阳能热泵系统(PV-SAHP)13-19
• 1.2.1 广泛应用的太阳能光热转换13-14
• 1.2.2 研究发展中的太阳能光电转换14-15
• 1.2.3 光电光热综合利用技术15-17
• 1.2.4 光伏-太阳能热泵系统17-19
• 1.3 多功能热泵系统(MDHP)19-24
• 1.3.1 热泵与节能19-20
• 1.3.2 热泵的发展历史20-22
• 1.3.3 多功能热泵系统22-24
• 1.4 本文的主要内容24-25
• 第二章 光伏-太阳能热泵系统实验平台25-40
• 2.1 PV-SAHP系统的研究背景25-28
• 2.2 PV-SAHP系统的样机原理28-29
• 2.3 PV-SAHP系统的样机试制29-36
• 2.3.1 光伏蒸发器30-33
• 2.3.2 变频涡旋压缩机33-34
• 2.3.3 光伏系统34-36
• 2.4 PV-SAHP系统的测试装置36-39
• 2.5 小结39-40
• 第三章 光伏-太阳能热泵系统的数值分析40-71
• 3.1 太阳辐射模型41
• 3.2 光伏蒸发器模型41-44
• 3.3 热泵循环模型44-53
• 3.3.1 压缩机数学模型45-48
• 3.3.2 换热器数学模型48-51
• 3.3.3 膨胀阀数学模型51
• 3.3.4 热泵工质热物性模型51-53
• 3.4 PV-SAHP系统模拟53-55
• 3.5 PV-SAHP系统的模拟结果及性能分析55-62
• 3.5.1 PV-SAHP系统的光电光热综合利用57
• 3.5.2 PV-SAHP系统的热性能57-61
• 3.5.3 PV-SAHP系统的运行耗能61
• 3.5.4 结构参数对系统性能的影响61-62
• 3.6 光伏蒸发器部件的分布参数分析62-69
• 3.6.1 光伏蒸发器分布参数模型62-65
• 3.6.2 光伏蒸发器的数值模拟65-67
• 3.6.3 结果分析67-69
• 3.7 小结69-71
• 第四章 光伏-太阳能热泵系统的实验研究Ⅰ71-89
• 4.1 不同冷凝水温条件下PV-SAHP系统的性能研究73-78
• 4.1.1 试验方案73-74
• 4.1.2 结果及分析74-78
• 4.2 不同频率条件下PV-SAHP系统的性能研究78-87
• 4.2.1 试验过程78-80
• 4.2.2 试验结果分析80-87
• 4.3 小结87-89
• 第五章 光伏-太阳能热泵系统的实验研究Ⅱ89-106
• 5.1 冷凝水温动态变化过程中PV-SAHP系统的性能研究89-92
• 5.1.1 测试条件89
• 5.1.2 测试结果及分析89-92
• 5.2 玻璃盖板对PV-SAHP系统性能影响的研究92-105
• 5.2.1 测试条件93
• 5.2.2 热泵循环热性能的对比分析93-98
• 5.2.3 热泵循环主要参数的对比分析98-99
• 5.2.4 光热光电转换的效率分析99-104
• 5.2.5 光伏蒸发器板的流动传热分析104-105
• 5.3 小结105-106
• 第六章 多功能热泵系统开发和测试106-122
• 6.1 多功能热泵系统的原理106-110
• 6.1.1 单独制热水模式107-108
• 6.1.2 制冷兼制热水模式108-110
• 6.1.3 制暖模式110
• 6.2 多功能热泵系统的试制110-113
• 6.3 测试方法及过程113-118
• 6.3.1 试验目的113-114
• 6.3.2 试验设备简介114-116
• 6.3.3 参数采集点的布置116
• 6.3.4 水箱热损测试116-117
• 6.3.5 制冷量、制热量和热水加热量的计算117-118
• 6.4 系统测试118-120
• 6.4.1 空调器的气候类型和试验工况118
• 6.4.2 系统性能测试118-120
• 6.5 小结120-122
• 第七章 多功能热泵系统数值模拟和性能研究122-140
• 7.1 多功能热泵系统的数值模拟122-130
• 7.1.1 换热器模型122-123
• 7.1.2 压缩机模型123-127
• 7.1.3 毛细管模型127-130
• 7.1.4 系统程序流程图及工质热物性130
• 7.2 多功能热泵系统单独制热水模式的性能研究130-135
• 7.2.1 系统的节能效果131
• 7.2.2 水温的变化趋势131-134
• 7.2.3 水温变化对压缩机的影响134
• 7.2.4 水温升高对系统性能的影响134-135
• 7.3 多功能热泵系统制冷兼制热水模式的性能研究135-139
• 7.3.1 水温及水加热功率的变化135
• 7.3.2 冷凝温度的变化135-138
• 7.3.3 高压端的换热138
• 7.3.4 过热烩的利用138
• 7.3.5 系统能效比EER_(c+w)138-139
• 7.4 小结139-140
• 第八章 全文小节及进一步工作展望140-143
• 8.1 论文的主要成果及创新140-142
• 8.2 论文的后续工作及展望142-143
• 参考文献143-150
• 符号列表150-153
• 图例清单153-158
• 论文、科研、奖励情况158-161
• 致谢161

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