基于稳态分布参数模型的光伏蒸发器的数值模拟第28卷第11期2007年l1月太阳能ACrrAENERGIAESOLARISSINICAVo1.28.No.1lNOV.,2007:o254-oo96(2oo7J11-1173-09基于稳态分布参数模型的光伏蒸发器的数值模拟何汉峰,季杰,裴刚,刘可亮,孙炜(中国科学技术大学热科学和能源工程系,合肥230026)摘要:该文采用分布参数法,从制冷工质动力学原理出发,根据平衡均相流理论,建立了光伏太阳能热泵光伏蒸发器的稳态分布参数模型.通过数值模拟对光伏蒸发器在给定的太阳辐照强度,环境温度以及制冷工质不同的进1--I流速下,工质的平均比焓,空隙率,干度,温度,压力等参数沿制冷管道的分布,蒸发器的温度和光伏电池发电效率的二维分布等进行研究.了解这些参数的分布情况对研究光伏蒸发器的光电,光热性能具有十分重要的意义,可作为蒸发器结构以及系统设计的依据,为系统的优化奠定了一定的理论根底.关键词:太阳能热泵;光伏蒸发器;稳态;数值模拟;分布参数:TK514,r兀《5l1+.2文献标识码:AU刖吾太阳能热泵(SolarAssistedHeatPump,SAHP)系统是指以太阳能为热源的热泵系统.众多学者对太阳能热泵进行了大量研究工作.美国学者FreemanTL对太阳能热泵系统和太阳能一空气源复合热泵系统的整体性能进行了研究;澳大利亚学者MorrisonGL对太阳能热泵系统进行了实验研究,并用TRANSYS对热泵系统的年性能进行了模拟;罗马尼亚的Badescu对太阳能热泵系统进行了性能模拟和系统优化的理论研究H;台湾学者HuangBJ对太阳能热泵热水器进行了长期的实验研究;天津大学的赵军等学者对以R134a为工质的直膨式太阳能热泵系统的性能进行了理论和实验研究;上海交通大学的王如竹,旷玉辉对直膨式太阳能热泵系统进行了实验研究,并对系统性能的影响因素进行了理论分析;哈尔滨工业大学的余延顺,马最良和廉乐明对太阳能热泵系统在哈尔滨地区的不同运行工况进行了理论分析和模拟计算J.太阳电池发电效率的提高和本钱的降低为太阳光电应用的大规模推广奠定了一定根底.照射到太阳电池外表的太阳辐射超过80%的能量转化成热能,一局部散失到环境,另一局部使太阳电池的工作温度升高,从而导致发电效率下降.为解决这一问题,Kern和Russell于】978年首次提出使用水作为冷却工质对光伏系统进行冷却"…,此后许多学者对以水或者空气为冷却工质的光伏系统进行了大量研究工作¨卜".但是由于水或者空气一般要上升到较高温度才能有效利用,因此光伏电池的发电效率在某个时间段有可能反而降低.热泵系统的制冷工质在蒸发器中温度较低且波动较小,如果以制冷T质对光伏电池进行冷却,既可以使光伏电池维¨,低而且稳定的工作温度,提高其发电效率,而且可以通过热泵系统得到有效的热能.基于上述思想,作者将光伏发电技术与直膨式太阳能热泵系统有机结合,形成光伏太阳能热泵系统(PVSolarAssistedHeatPump,PVSAHP).PVSAHP系统具备太阳能光电光热综合利用能力.系统运行时,光伏蒸发器所接收到的太阳辐射,局部转化成电能,其余大局部转化成热能被工质带走.一方面降低了光伏电池的工作温度,提高了发电效率;另一方面,提高热泵系统的蒸发温度和蒸发压力,改善了系统的性能系数(COB).光伏蒸发器是光伏太阳能热泵系统的核心部件.本文以分布式参数模型为根底,采用数值模拟的方法,对光伏蒸发器在稳态工况下制冷工质物性收稿日期:2006-07l8基金工程:国家自然科学基金项日(50478023);安徽省自然科学基金(070414161)作者简介:季杰(1963一),男,教授,博士生导师,主要从事太阳能光热光伏一体化技术研究.激激e@ustc.edu太阳能28卷参数随管长的变化情况,蒸发器的温度和光伏电池发电效率的二维分布等进行研究.1光伏蒸发器的结构光伏蒸发器的具体结构如图1,图2所示.将长为20ITI,内外径分别61/11-[1和8ITI1TI的蛇形制冷盘管分10排安装在0.5ITI1TI厚的薄铝板Q槽内,管间距W=0.13ITI,上面粘贴一张21/11-[1厚的硬质铝合金板,将光伏电池层压在铝合金板上,制成光伏板.在光伏板下方包敷一层导热系数为0.058W/(ITI?K),厚度为251/11-[1绝热材料,周边固以框架.图1光伏蒸发器结构示意图Fig.1StructureofthePVevaporator制冷盘管光伏电池铝合金板薄铝板:::曩-.?'.'7?':'.穗臻'..i:i,W:图2光伏蒸发器局部剖面图Fig.2Cross-section...