光伏直驅(qū)式太陽能熱水系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、太陽能熱水系統(tǒng)(SWHS)能大幅降低建筑采暖和生活熱水對傳統(tǒng)能源的消耗，因而被廣泛應(yīng)用。目前，大多數(shù)SWHS是使用集熱器陣列和交流泵的主動循環(huán)式熱水系統(tǒng)。這種系統(tǒng)需要為流體循環(huán)安裝控制器和溫度探頭，并且需要電網(wǎng)電力來驅(qū)動循環(huán)。此外此種系統(tǒng)還存在交流泵頻繁啟動和停止的問題。這不僅容易導(dǎo)致系統(tǒng)故障，而且不利于泵及控制器的使用壽命。此外，為確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行，不論是在夜晚還是陰雨天氣中，系統(tǒng)的循環(huán)控制器都必須保持全天24小時持續(xù)工作而消耗電能

2、。正是由于這種傳統(tǒng)SWHS的循環(huán)驅(qū)動和控制部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜安裝麻煩，容易出運(yùn)行故障，且需要消耗電網(wǎng)電力，國際上有學(xué)者提出使用光伏電池來驅(qū)動熱水系統(tǒng)的循環(huán)。由于熱水系統(tǒng)對循環(huán)流量的需求與太陽輻照的變化自然相關(guān)，因而可將輻照一方面作為循環(huán)啟動與停止以及循環(huán)流量大小的控制信號，另一方面作為循環(huán)驅(qū)動能量的來源。正因如此，光伏驅(qū)動的太陽能熱水系統(tǒng)的循環(huán)驅(qū)動與控制部分無需控制器，也無需接入交流電網(wǎng)。在多種光伏驅(qū)動式太陽能熱水系統(tǒng)方案中，光伏直驅(qū)式太陽能

3、熱水系統(tǒng)(PV-SWHS)更加簡單、可靠且經(jīng)濟(jì)性更好，因而也更具應(yīng)用前景。
　　受限于無刷直流水泵技術(shù)以及光伏電池技術(shù)，國內(nèi)外之前對PV-SWHS的研究很少，更缺少對系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，和其與傳統(tǒng)SWHS比較的研究。而目前，直流水泵和光伏電池技術(shù)已經(jīng)成熟。為此，本文在以往相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，提出了一種使用新的光伏模塊設(shè)計(jì)的PV-SWHS，搭建了PV-SWHS與傳統(tǒng)SWHS的性能對比測試平臺，建立了PV-SWHS的理論模型與仿真程序，深入研

4、究了系統(tǒng)的各項(xiàng)性能及其影響因素，并依此提出了一種PV-SWHS的設(shè)計(jì)方法，比較了優(yōu)化設(shè)計(jì)后的PV-SWHS與傳統(tǒng)SWHS在不同條件下的性能差異，為PV-SWHS的實(shí)際運(yùn)用提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。具體研究內(nèi)容如下:
　　1、搭建了一套PV-SWHS系統(tǒng)。系統(tǒng)使用5塊并聯(lián)的平板集熱器和容積為630升的保溫水箱，總有效集熱面積8.97平方米。測試了無刷直流水泵安裝到熱水系統(tǒng)上后水泵的輸入特性曲線，并依據(jù)泵的啟動和運(yùn)行特性提出了兩種光伏模塊

5、的設(shè)計(jì)，依此搭建了兩套PV-SWHS。
　　2、搭建PV-SWHS與傳統(tǒng)SWHS的對比實(shí)驗(yàn)平臺，在同樣的環(huán)境下同時對兩種系統(tǒng)的各項(xiàng)性能進(jìn)行了詳細(xì)的對比測試，實(shí)驗(yàn)研究了不同光伏模塊設(shè)計(jì)對PV-SWHS循環(huán)流量特性和系統(tǒng)熱性能的影響。結(jié)果顯示，在晴朗天氣時，使用簡單串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的光伏模塊的PV-SWHS與傳統(tǒng)SWHS的全天熱性能幾乎相同，而使用光伏分組連接結(jié)構(gòu)的光伏模塊的PV-SWHS比傳統(tǒng)SWHS的全天熱性能略高。不同的光伏模塊設(shè)計(jì)會

6、導(dǎo)致不同的系統(tǒng)循環(huán)流量變化趨勢和直流泵的啟動特性。在低輻照時，系統(tǒng)循環(huán)流量隨輻照而明顯變化的PV-SWHS的得熱量明顯高于傳統(tǒng)SWHS。當(dāng)輻照較低而水箱溫度較高時，PV-SWHS出現(xiàn)了集熱器陣列輸出效率小于0的情況。此外，實(shí)驗(yàn)所得到的詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為PV-SWHS的實(shí)際運(yùn)用效果以及之后的模擬研究提供了數(shù)據(jù)支持。
　　3、建立了PV-SWHS的數(shù)學(xué)模型并據(jù)此編寫了仿真程序，利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明本文所編寫的仿真

7、程序在計(jì)算PV-SWHS的光伏模塊特性、系統(tǒng)水力特性、系統(tǒng)各部分的熱性能等方面均具有較高的精度。
　　4、通過編寫的PV-SWHS仿真程序，研究了不同因素對PV-SWHS性能的影響，并據(jù)此確定了系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)參數(shù)及其最佳設(shè)計(jì)范圍。本文將對PV-SWHS的研究分成兩個部分。第一部分研究不同的光伏模塊組成對系統(tǒng)循環(huán)流量的影響。第二部分研究不同循環(huán)流量曲線對系統(tǒng)全天熱性能的影響。通過這兩部分的研究，確定影響系統(tǒng)熱性能的主要循環(huán)流量特征，

8、并基于此得到PV-SWHS中光伏直流泵組合的最佳設(shè)計(jì)方向。結(jié)果表明，系統(tǒng)循環(huán)流量的啟動輻照是影響PV-SWHS熱性能的最主要因素，其最佳值為250 W/m2。
　　5、研究和比較了三種不同的連接方式（直接連接，光伏分組連接，通過最佳功率輸出控制器連接）下系統(tǒng)的循環(huán)流量特性。結(jié)果表明，不同的連接方式導(dǎo)致不同的系統(tǒng)循環(huán)流量特性，使用光伏分組連接方式時的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性相對最好。光伏分組連接方式應(yīng)為中小型PV-SWHS的首選連接方式。

9、
　　6、提出了一種PV-SWHS的設(shè)計(jì)方法，比較了優(yōu)化后的PV-SWHS與相同結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)SWHS在不同天氣、不同工況下的各項(xiàng)性能。結(jié)果表明，正常工況及惡劣工況下PV-SWHS與傳統(tǒng)SWHS的熱性能均無明顯差異。在惡劣工況下，PV-SWHS仍不需使用控制器，且其系統(tǒng)中的泵運(yùn)行工況相對穩(wěn)定，而此時傳統(tǒng)SWHS出現(xiàn)交流泵頻繁啟閉的問題。
　　7、比較了PV-SWHS與傳統(tǒng)SWHS的經(jīng)濟(jì)性。結(jié)果表明，PV-SWHS與傳統(tǒng)SWHS的

10、熱性能相同，而其在循環(huán)驅(qū)動和控制部分的初投資更少且無運(yùn)行費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)性十分突出。即使在不考慮傳統(tǒng)SWHS中的循環(huán)控制器的設(shè)備和運(yùn)行成本，以及將交流泵替換為無刷直流水泵所節(jié)約的初始投資和運(yùn)行成本時，PV-SWHS仍然更經(jīng)濟(jì)，其相關(guān)設(shè)備的相對投資回報(bào)期為3年。此外，傳統(tǒng)SWHS的結(jié)構(gòu)和安裝更復(fù)雜，且存在水泵頻繁啟動和停止的問題。系統(tǒng)維修一次所造成的損失及費(fèi)用至少在百元量級。因此，在考慮系統(tǒng)安裝、維修費(fèi)用及使用壽命時，PV-SWHS的經(jīng)濟(jì)性更加