太阳能PVT热泵技术在供热领域的应用分析

太阳能PVT热泵技术在供热领域的应用分析

仝高强

大连群智科技有限公司      辽宁大连     116000

摘要：太阳能PVT热泵技术是一种新型的绿色能源技术，能够将太阳能转化为电能和热能。本文针对太阳能PVT热泵技术在供热领域的应用展开了分析研究。文章首先介绍了PVT热泵技术的原理，然后对其在供热领域的系统形式与经济性进行了探讨，分析了该技术的优越性和可行性，并对其在未来的推广和应用进行了展望。最终，本文得出了太阳能PVT热泵技术具有广阔的市场前景和发展空间，值得进一步研究和推广应用。

关键词：太阳能，PVT，热泵，供热

0 引言

随着全球经济的快速发展，也带来了诸多能源和环境问题。传统的化石能源如煤、油和天然气等不仅会导致能源浪费，而且会加剧了全球气候变化问题。

因此，发展可再生能源成为了解决这些问题的一种趋势。其中，太阳能是最丰富、最普及的可再生能源之一，具有相当大的开发潜力和应用前景。

然而，单独使用太阳能技术，存在能源匹配度低、可靠性差等问题，为了克服这些问题，开发出一种将太阳能和热泵技术相结合的创新技术，可以充分利用PVT实现太阳能光电转换和光热转换，再结合热泵技术，实现发电、供热等多种供能模式，有效提高能源利用效率和可靠性。

1 工作原理介绍

1.1PVT组件

图1 PVT组件结构图

PVT组件主要由玻璃层、EVA层、光伏电池组、TPT和换热板组成，如图1所示。光伏电池主要采用晶硅材料，可以将太阳光能转化为电能。换热板可以吸收光伏板上的太阳辐射能和空气中的热量，组件分别通过辐射和对流换热等方式，吸收热能，供给换热板内的载热流体。

1.2系统原理

本文探讨的PVT热泵技术如图2所示，该系统不但能够发电，还可以提供热水。其工作原理如下：载冷剂吸收PVT组件的热量后，进入热泵机组，通过热泵机组的热泵循环，将热量转化成高温、高压的制冷剂，再通过换热器加热水箱中的水，达到制取高温热水的效果，供给供热需求侧。

载冷剂温度降低后，再次进入PVT组件吸热，冷却光伏电池，提升发电效率，也延长了组件的使用寿命。PVT产生的电能，一部分可以供给PVT热泵系统、水泵使用，也可以并网，获得收益。

图2 PVT热泵系统原理图

2PVT供热技术的研究进展

PVT热泵的概念[1]最早是将热泵技术和光热利用技术结合在一起，可以明显提升热泵机组的供热性能。

随着各国研究人员的关注增多，研究也愈加深入，不同形式的PVT系统也逐渐被开发出来。目前，根据热泵机组循环形式和集热介质的不同，主要分为两种：直接式和间接式PVT热泵系统，如图3、图4所示

图3 间接膨胀式PVT热泵系统

图4 直接膨胀式PVT热泵系统

间接膨胀式PVT热泵技术主要是以液态、无相变的载冷剂作为循环介质，如水、乙二醇等。PVT组件通过中间换热器与热泵系统相结合。载冷剂吸收PVT组件收集的太阳辐射能，实现显热温升，作为热泵系统的热源。通过中间换热器，将热量传递给制冷剂，进而通过热泵作用，将制冷剂进一步升温，而后通过冷凝器，将热量传递给热水系统。

直接膨胀式PVT热泵技术以PVT组件直接充当热泵机组的蒸发器，制冷剂充当集热介质，直接进入PVT组件内吸收太阳辐射能，而后通过热泵作用，将制冷剂进一步升温，而后通过冷凝器，将热量传递给热水系统。

间接膨胀式和直接膨胀式PVT热泵技术对比如下表：

间接膨胀式和直接膨胀式PVT热泵技术优劣势对比表

3PVT供热技术的经济性分析

PVT热泵系统供热技术不仅比于传统的燃煤、燃气、电制热更加节能，而且与其它的热泵形式相比，性能系数也相应提升。

阳季春等[2]对比分析了冬季工况下，间接膨胀式太阳能热泵系统和空气源热泵热水系统的性能，试验结果表明，太阳能热泵系统的COP要明显高于空气源热泵热水系统。

周超[4]等提出了PVT热泵多能联供系统，并搭建试试验台进行测试。测试结果表明，在夏季外界自然工况下，试验系统白天全天的平均光伏发电效率为13.6％，白天的平均制热COP为6.16，与相同额定发电功率的常规光伏组件相比，PVT热泵系统的PVT组件光伏发电量提升了10～15％。并通过仿真的方法分析了PVT热泵在我国北方地区应用该系统的经济运行模式。结果表明，与建筑的各类常规供能形式相比，PVT热泵系统具有可观的年净收益，投资回收期约为3～4年。

因为太阳能具有间断性的特点，多云天气、雨季、夜晚等都会使得系统的PVT热泵系统的供热能力下降。林艳[5]等研究了带蓄热装置的PVT太阳能热泵供暖系统，利用定形石蜡为相变材料，将其置于蓄热装置中，蓄热装置连接于太阳能集热-蒸发器与压缩机之间。以青岛地区为例，模拟结果表明，相变装置可使PVT热泵的蒸发温度维持在25℃左右，当冷凝温度在60℃时，系统COP可达5.3。

邵妮娜[6]等从节约光伏占地面积的角度提出了一种新型的PVT 屋顶热泵系统，并研究了不同季节条件下直接膨胀式屋顶PVT 热泵系统的实际性能，实验结果表明系统夏季的电效率、热效率高于冬季，制热COP 最大值可达8.9，具有较好的供热效果。

4 结论

太阳能PVT热泵技术结合了光伏、光热和热泵技术的优势，是未来供暖技术的一个重要方向。

1、与空气源热泵相比，PVT热泵技术的供热性能系数要更高，可以降低系统的运行费用，减少设备投资回收期。

2、热泵系统的运行时，可以降低PV发电组件的工作温度，进而提升系统的发电效率，进一步提升系统的性能。

综上，太阳能PVT热泵技术具有广阔的市场前景和发展空间，值得进一步研究和推广应用。

参考文献：

[1] Sporm P．，Ambrose E．R．The heat pump and solar energy[c]．Proceedings of the World Symposium on Appilied Solar Energy, Phoenix，Ariz，Nov.1-5，1955．

[2] 阳季春，季杰，等.间接膨胀式太阳能多功能热泵单独制热水性能实验研究[J].太阳能学报，2008，29(6)：678—683．

[4] Chao Zhou, Ruobing Liang, Ahmad Riaz, Jili Zhang, Jianquan Chen, Experimental investigation on the tri-generation performance of roll-bond photovoltaic thermal heat pump system during summer,Energy Conversion and Management,Volume 184,2019,Pages 91-106,ISSN 0196-8904.

[5] 林艳，张江辉，何燕，等．带有蓄热装置的直膨式太阳能热泵系统的模拟研究[J]．工程热物理学报2012(5)：865—867．

[6] Nina Shao, Liangdong Ma, Jili Zhang,Experimental investigation on the performance direct-expansion roof-PV/T heat pump system,Energy,Volume 195,2020,116959, ISSN 0360-5442.