光伏直驅式太陽能熱水系統的理論和實驗研究.pdf

1、太陽能熱水系統(SWHS)能大幅降低建筑采暖和生活熱水對傳統能源的消耗，因而被廣泛應用。目前，大多數SWHS是使用集熱器陣列和交流泵的主動循環(huán)式熱水系統。這種系統需要為流體循環(huán)安裝控制器和溫度探頭，并且需要電網電力來驅動循環(huán)。此外此種系統還存在交流泵頻繁啟動和停止的問題。這不僅容易導致系統故障，而且不利于泵及控制器的使用壽命。此外，為確保系統的正常運行，不論是在夜晚還是陰雨天氣中，系統的循環(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SWHS的循環(huán)驅動和控制部分結構復雜安裝麻煩，容易出運行故障，且需要消耗電網電力，國際上有學者提出使用光伏電池來驅動熱水系統的循環(huán)。由于熱水系統對循環(huán)流量的需求與太陽輻照的變化自然相關，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)驅動能量的來源。正因如此，光伏驅動的太陽能熱水系統的循環(huán)驅動與控制部分無需控制器，也無需接入交流電網。在多種光伏驅動式太陽能熱水系統方案中，光伏直驅式太陽能

3、熱水系統(PV-SWHS)更加簡單、可靠且經濟性更好，因而也更具應用前景。
　　受限于無刷直流水泵技術以及光伏電池技術，國內外之前對PV-SWHS的研究很少，更缺少對系統設計方法，和其與傳統SWHS比較的研究。而目前，直流水泵和光伏電池技術已經成熟。為此，本文在以往相關研究的基礎上，提出了一種使用新的光伏模塊設計的PV-SWHS，搭建了PV-SWHS與傳統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、究了系統的各項性能及其影響因素，并依此提出了一種PV-SWHS的設計方法，比較了優(yōu)化設計后的PV-SWHS與傳統SWHS在不同條件下的性能差異，為PV-SWHS的實際運用提供了理論和實驗依據。具體研究內容如下:
　　1、搭建了一套PV-SWHS系統。系統使用5塊并聯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上后水泵的輸入特性曲線，并依據泵的啟動和運行特性提出了兩種光伏模塊

5、的設計，依此搭建了兩套PV-SWHS。
　　2、搭建PV-SWHS與傳統SWHS的對比實驗平臺，在同樣的環(huán)境下同時對兩種系統的各項性能進行了詳細的對比測試，實驗研究了不同光伏模塊設計對PV-SWHS循環(huán)流量特性和系統熱性能的影響。結果顯示，在晴朗天氣時，使用簡單串并聯結構的光伏模塊的PV-SWHS與傳統SWHS的全天熱性能幾乎相同，而使用光伏分組連接結構的光伏模塊的PV-SWHS比傳統SWHS的全天熱性能略高。不同的光伏模塊設計會

6、導致不同的系統循環(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SWHS。當輻照較低而水箱溫度較高時，PV-SWHS出現了集熱器陣列輸出效率小于0的情況。此外，實驗所得到的詳細的實驗數據為PV-SWHS的實際運用效果以及之后的模擬研究提供了數據支持。
　　3、建立了PV-SWHS的數學模型并據此編寫了仿真程序，利用實驗結果驗證了模擬結果的準確性。結果表明本文所編寫的仿真

7、程序在計算PV-SWHS的光伏模塊特性、系統水力特性、系統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，并據此確定了系統的核心設計參數及其最佳設計范圍。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)流量曲線對系統全天熱性能的影響。通過這兩部分的研究，確定影響系統熱性能的主要循環(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計方向。結果表明，系統循環(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）下系統的循環(huán)流量特性。結果表明，不同的連接方式導致不同的系統循環(huán)流量特性，使用光伏分組連接方式時的系統經濟性和穩(wěn)定性相對最好。光伏分組連接方式應為中小型PV-SWHS的首選連接方式。

9、
　　6、提出了一種PV-SWHS的設計方法，比較了優(yōu)化后的PV-SWHS與相同結構的傳統SWHS在不同天氣、不同工況下的各項性能。結果表明，正常工況及惡劣工況下PV-SWHS與傳統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，且其系統中的泵運行工況相對穩(wěn)定，而此時傳統SWHS出現交流泵頻繁啟閉的問題。
　　7、比較了PV-SWHS與傳統SWHS的經濟性。結果表明，PV-SWHS與傳統SWHS的

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