于海明：男，汉族，1970年出生，中国国籍，无境外永久居留权；本科，高级工程师。毕业于中国石油大学（华东）。1994年留校进入中国石油大学（华东）胜华炼油厂工作，1996—1998年任纪元公司机修部主任；1998—1999年任中国石油大学（华东）胜华炼油厂机修车间主任、三修党支部书记；1999—2002年调往中国石油大学（华东）新地实业公司，任副经理、党支部书记；2002—2013年6月任石大胜华副总经理；2013年6月至今任石大胜华总经理。2010年至2017年7月兼任胜华贸易董事长；2012年5月至2017年7月任石大维博总经理。2016年1月至2017年7月任东营石大胜华新能源有限公司董事。2016年2月至今任胜华新材料监事会主席。2017年7月至今任东营石大胜华新能源有限公司监事会主席。2017年10月至今任北京胜华创世科技有限公司执行董事。现任公司第五届董事会董事兼公司总经理。
太阳能热泵系统的稳定性
王海涛, 王造奇
( 1. 安徽建筑工业学院 环境工程学院, 安徽 合肥 230027; 2. 中国科学技术大学 热科学和能源工程系, 安徽 合肥 230022)
摘 要: 在相同的压缩机频率、冷凝水温和相同的电子膨胀阀开度下, 文章对 PV/ T- SAH P 系统的动态性能
进行了实验和分析, 就不同太阳辐照度和环境温度对 PV/ T- SAH P 系统性能的影响进行了对比, 提出了光伏-
太阳能热泵( PV/ T- SAH P)的系统稳定性原理, 指出 PV/ T- SAH P 系统需要解决的一些问题。
关键词: PV/ T- SAH P 系统; 最小过热度; 稳定性
中图分类号: TK519 文献标识码: A 文章编号: 1003- 5060( 2008) 07- 1008- 04
在太阳能热泵系统中, 蒸发器所吸收的热能大多数来自太阳能, 太阳辐照度随着季节、早晚时差的不同而不同, 而压缩机的容量又是额定的, 因此文献[ 1] 指出, 在其他条件一定的情况下, 集热器的容量和压缩机的容量是否匹配直接影响系统的工作性能[ 1- 6] 。由于系统通常在非设计工况下运行, 按设计工况确定的集热器面积与压缩机的容量往往不匹配, 因此提出了一种新型的光热、光电综合利用的直接膨胀式太阳能热泵系统 , 该系统中光伏组件与热泵装置的蒸发器结合成一体, 同时在系统设计时采用变频压缩机和电子膨胀阀( electronic expansionvalve, 简称 EXV ) , 通过改变压缩机容量来解决非设计工况下的不匹配问题。但是在实验中, 该系统出现不稳定情况, 或者称为振荡, 即系统在一定的工况下压缩机功率、各处制冷剂压力和温度等系统参数均发生周期性振荡。系统振荡对其经济性和安全性都是不利的, 所以保证稳定性是系统配置和控制的必要条件。
1 实验装置及电子膨胀阀
PV/ T-SAHP 太阳能热泵系统如图 1 所示。
实验台如图 2 所示, 主要包括温度测量、压力测
量、功率测量、流量测量、辐照强度测量及风速测
量等几大部分。共有测点 53 个, 除工质流量由商
家自带软件单独测量, 其他测点全部由数据采集
仪实时采集记录。
( 1) 数据采集。数据采集仪 Agilent34970A,
配置 HP 34901A 采集模块 3 个, 共 54 个电压采
集通道, 6 个电流采集通道, 实验过程一般 30 s 采
集数据一次。图 1 PV/ T-SAHP 太阳能热泵系统
( 2) 温度测量。采用 01 2 mm 铜康铜热电
偶; 蒸发器进口、蒸发器出口、冷凝器进口、冷凝器
出口、储水箱、压缩机进口、压缩机出口及百叶箱
等共 20 个; 光伏蒸发器内部各处共计 23 个。
( 3) 压力测量。制冷压力专用传感器( Huba506, Sw eden) , 0~ 30 @ 10
2
kPa, 精度? 11 0%,
响应时间小于 5 ms, 负载频率小于 50 Hz; 数量 4
个; 位于蒸发器进口、蒸发器出口、冷凝器进口及
冷凝器出口, 用于观察压缩机、冷凝器、膨胀阀及
蒸发器进出口的压力变化。
( 4) 日照辐射仪。TBQ-2( 锦州, 阳光) 型日
照辐射仪 1 台; 安装位置与光伏蒸发器平行, 该表
为热电效应原理, 感应元件采用绕线电镀式多接
点热电堆。
( 5) 功率传感器。WBP112S91 和 WBI022S
( 四川维博) , 数量 2 个; 分别测试压缩机输入功率
( 交流) 和 PV 模块输出光伏电流( 直流) 。
系统采用浙江三花 DFP( L) 11 6-12 型电子膨
胀阀, 四相步进电机驱动, 开阀脉冲 32 ? 20, 全程
脉冲 500, 使用介质 R22, 阀的开度由研制的控制
器控制。
2 实验结果及分析
21 1 实验条件
2006 年 10 月 14 日、2006 年 11 月 6 日和
2006 年 12 月 2 日, 在合肥地区( 北纬 31b53. , 东
经 117b15. ) 进行了 PV/ T-SAHP 系统在相同的
电子膨胀阀开度( 开度脉冲 400) 、相同的冷凝水
温( 30 e ) 下的性能测试。
测试期间的瞬时气象参数和冷凝水温如图
3、图 4 和图 5 所示。试验过程中, 阀1、阀2、阀5、
阀 6 关闭, 阀 3、阀 4、阀 7、阀 8 开启, 工质流动方
向如图2 所示。压缩机定频( 50 Hz) 运行, 由公共
电网供电。PV 电流输出, 经逆变器逆变后, 由外
界负载消耗。测试期间, 水箱储水 80 kg, 水冷板
式换热器水侧流速 01 217 kg/ s。
2. 2 测试结果及分析
21 21 1 测试结果说明
由于秋天上午易出现多云天气, 为了更好地
观察和对比, 在 3 d 的上午先把水加热到 30 e ,
然后保持冷凝水温不变, 从 11: 21 分开始正式记
录数据。
从图 3 和图 4 可以看出, 3 d 午后的太阳辐照
度变化明显, 易于比较。
从图 6 可以看出系统压缩机功率的变化。
2006 年 10月 14 日测试期间平均环境温度较高
( 271 56 e ) , 当冷凝水温不变时压缩机运行稳定。
11 月 6 日测试期间平均环境温度( 201 71 e ) 比
第 7 期 王海涛, 等: 太阳能热泵系统的稳定性 100910 月 14 日的平均环境温度降低了 61 85 e , 太阳
辐照度和 10 月 14 日相比变化不大, 但压缩机的
功率在测试期间出现了振荡现象。
12 月 2 日平均环境温度( 81 85 e ) 较前 2 次
更低, 而此时压缩机的功率振荡更加剧烈。
如图 7 所示, 说明了系统在不同的太阳辐照
度和环境温度时系统光电效率 Gel 的变化。光电
效率随着环境温度的降低而升高, 环境温度较低
时( 2006 年 12 月 2 日, 测试期间平均环境温度
71 4 e ) , 最高光电效率达到 131 4% 。
与普通光伏模块( 12%) 相比, 光电转换效率
明显提高, 波动很小。
这主要得益于工质蒸发对光伏模块的冷却作
用, 使得 PV/ T-SAHP 系统的光伏电池在高辐照
条件下也能维持在较低的工作温度, 从而保证较
高的光电转换效率。图中 OPS 为蒸发器的工作
过热度。
图 7 测试期间光电效率变化
21 2. 2 测试结果分析
当蒸发器的几何尺寸和热工参数确定后, 在
运行中存在一条最小稳定信号线( M inimum Stable Signal 线, 简称 M SS 线)
[ 8] 。M SS 线以左, 蒸
发器属于不稳定区; M SS 线以右为稳定工作区;
在 MSS 线上则是临界值。图 8 表示了蒸发器
MSS 线与不同静态过热度时的膨胀阀特性线, 当
蒸发器负荷为 Q 时, 制冷系统工作于 A 点时处于
临界稳定状态, 理论上讲为最佳稳定工作点。如
果调小膨胀阀静态过热度, 使工作点处在不稳定
区中, 系统将产生振荡。
图 8 膨胀阀与蒸发器的匹配关系
由 MSS 线理论很容易解释上述现象, 当环境
温度很高时( 2006 年 10 月 14 日) , 集热/ 蒸发器
出口制冷剂过热度很大, 此时系统工作在 MSS 线
的右侧, 处于稳定工作区。当环境温度很低时
( 2006年 12 月 2 日) , 集热/ 蒸发器出口制冷剂过
热度很小, 此时系统工作在 MSS 线的左侧, 处于
不稳定工作区, 压缩机出现剧烈振荡。
PV/ T-SAHP 系统产生振荡, 对系统运行经
济性与安全性均很不利, 由于对系统的稳定性缺
少理论与定量研究, 为确保运行稳定性, 往往片面
地增加蒸发器的运行过热度, 这就降低了蒸发器
的利用率, 因为过热区制冷剂的放热系数还不到
两相区最大放热系数的 1/ 5
[ 8]
。适当减小蒸发器
的运行过热度, 可获得一定的节能效益, 但又不能
1010 合肥工业大学学报( 自然科学版) 第 31 卷盲目地减少过热度, 追求运行经济性而导致系统
产生振荡。只有对蒸发器和膨胀阀本身的动态特
性做出定量分析, 并找出系统的临界稳定区( MSS
线) 与条件, 找出影响系统稳定性的各种因素, 给
出其定量关系, 才能在保证系统稳定性前提下, 最
大限度地利用蒸发器的有效传热面积, 获得最高
的经济性。3 本系统需要解决的问题
PV/ T-SAHP 系统中配置变频压缩机和电子
膨胀阀的关键问题, 是以保证系统稳定性和变容
量范围内系统最佳运行工况为目标, 确定合理的
控制方案和控制算法。在该系统的研究开发过程
中, 还有许多理论问题和实际应用问题要解决。
31 1 系统静态和动态特性
深入了解控制对象的特性是寻求合理的控制
方案和控制算法的基础。对系统中各部件的静态
和动态特性进行理论分析和试验研究, 用理论建
模的方法, 得出各部件的静态模型和动态模型。
然后根据各部件参数之间关系, 建立系统静
态和动态模型。根据模拟计算和试验研究的结
果, 分析系统静态和动态特性。
31 2 系统稳定性原则
由于该系统有变频压缩机和电子膨胀阀 2 个
流量调节装置, 所以同样存在系统稳定性问题。
在以上系统静态和动态研究的基础上, 分析
满足系统稳定性条件下的电子膨胀阀特性要求,
得出系统稳定性区域。
31 3 控制方案和控制算法
为减少电子膨胀阀流量调节对过热度的响应
滞后, 电子膨胀阀对蒸发器出口端制冷剂过热度
的检测可通过热敏电阻或压力信号。用 2 只热敏
电阻检测时, 一个测量蒸发温度, 另一个测量蒸发
器出口温度; 采用压力信号对蒸发器出口端压力
进行测量, 并经物性程序将其转化为蒸发温度。
由于蒸发器内压力的变化比温度的变化迅速, 因
此控制器能及时地反应过热度的变化。
电子膨胀阀流量调节对过热度的响应滞后问
题, 也可以采用前馈加反馈的复合调节方法解决。
如将压缩机转速作为前馈信号, 根据转速变化调
节电子膨胀阀供液量, 再结合反馈进行复合调节。
由于系统的非线性特性, 采用模糊算法有一
定优势。也可考虑 PID 控制算法和模糊控制算
法结合使用, 发挥各自算法的优点, 达到较好的控
制效果。
4 结 论
( 1) 变频压缩机和电子膨胀阀组成的 PV/ TSA HP 系统存在系统振荡问题。
( 2) 变频压缩机和电子膨胀阀组成的 PV/ TSA HP 系统是一种最有发展前途的系统配置, 代
表太阳能热泵系统的发展方向。
需要对系统静态和动态特性进行深入了解,
确定合理的控制方案和控制算法, 以保证系统稳
定性和变容量范围内系统最佳运行。
[ 参 考 文 献]
[ 1] Chaturvedi S K, Ab azeri M. T ransient simul ation of a capacit y-m odu lat ed, direc-t expan sion, sola-r assist ed heat
pum p[ J] . Solar Energy, 1987, 39: 421- 428.
[ 2] It o S, M iura N, Wan g K. Performance of a heat pump using dir ect expansion s ol ar collect ors [ J] . Solar Energy,
1999, 65( 3) : 189- 196.
[3] It o S , M iura N, T ak ano Y. Studies of h eat pu mps using direct expan sion t ype solar collect ors[ J] . J ou rnal of Solar Ener gy Engin eering, 2005, 127: 60- 64
[ 4] Chatu rvedi S K, Chen D T , Kheireddin e A. T hermal perf orman ce of a variab le capacity direct ex pan sion s ol ar-assist ed heat pu mp [ J] . Energy Conversion and Manag ement,
1998, 39( 3) : 189- 196.
[ 5] H aw lader M N A, Chou S K, Ullah M Z. T he perf ormance
of a solar assist ed heat pum p w at er h eating syst em[ J] . Applied T hermal E ngineering, 2000, 21( 10) : 1049- 1065
[6] H uang B J, Chyng J P. Performance charact eristic of int egral t ype sola-r assist ed h eat pump [ J] . Solar Energy, 2001,
71: 403- 414
[ 7] H ulle Z R. T he MSS line: a new ap proach t o hu nting pr oblem[ J] . ASH RAE Journ al, 1972, 10: 43- 46.
[ 8] Chen W, C hen Zhijiu, Zh u Ruiqi, et al. Experiment al investigation of a m inimum stabl e superheat control s yst em of an
evaporat or[ J] . Int ernational Jou rnal of Refrigeration, 2002,
25: 1137- 1142。