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user: 3. 间膨式光伏热泵系统 相比于直膨式光伏热泵，间膨式光伏热泵(图5)是在光伏组件和蒸发器之间加上循环冷却系统，使得热泵蒸发器不和光伏组件直接耦合，而是通过循环冷却系统将两者间接联系起来，制冷剂不直接通过PV/T集器，利用储能工质来吸收能量，既继承了热泵应用的优点，同时解决了直膨式光伏热泵中光热与光伏面积匹配难，热泵工质压损大易泄露缺点。近年来间膨式光伏热泵受到了国内外学者广泛的关注，并在这方面做出了许多创新型的成果(见表2)。 图5. 间膨式光伏热泵系统图 Table 2 Research results of expandable photovoltaic heat pum 研究者研究方法系统连接方式研究成果 郭千朋 [ 20 ] 实验、模拟串联、并联、混联光电转换效率平均提高16.4%，平均电池温度可降低20℃ 张露 [ 21 ] 模拟混联热泵平均COP可达4.7，光伏热泵系统整体效率高达74.4% Vallati [ 22 ] 实验、模拟串联光伏热泵提供的热量可满足70%的供暖需求 Yang Liu [ 23 ] 实验、模拟串联光电转换效率高达15.2%，峰值热效率高达86.7% Bai [ 24 ] 模拟混联热泵COP可达4.1，与常规供热系统相比，节能率高达67% Kim [ 25 ] 模拟串联、并联在相比传统的热泵系统，光伏热泵系统的COP提高了5.1% Calise [ 26 ] 模拟混联 PV/T的总效能为49%，热泵制热模式的年性能系数大于4 Obanlege [ 27 ] 实验、模拟混联流量和水箱容积的变化的热泵COP的影响可以忽略不计 Zhou jinzhi [ 28 ] 实验、模拟串联为经济分析提供了基础数据和未来的改进方向 Amo [ 29 ] 实验、模拟混联热泵所需电力的67.6%由光伏系统提供，具有可投资性 表2. 间膨式光伏热泵研究成果 西安科技大学利用TRNSYS软件对西安地区的-系统进行了串并联模型的动态特性模拟。从这份报告中可以明显看出，串行模式在冬季的性能优于并行模式 [ 19 ]。上海理工大学郭千朋等人 [ 20 ] 对不同模式的光伏热泵系统(PV/T-SAHP)进行了实验研究，系统设计了串联、混联和传统光伏系统三种模式(如图6~8)，不同运行模式的实验结果表明，与传统光伏系统相比，光伏系统的光电转换效率平均提高了16.4%，每日平均输出功率最高可增加14.5%，电池温度最大可降低20℃，在获得同样加热量下系统按混联运行模式比按串联运行模式多输出1.7 kW/h的净发电量，且与直膨式光伏热泵相比，间膨式光伏泵系统具有更强的稳定性。 图6. 串联式光伏热泵 图7. 并联式光伏热泵 图8. 混联式光伏热泵 上海交通大学的张露 [ 21 ] 等人建立了太阳能光伏组件的间接热泵热水系统实验平台(图9)，对光伏热泵系统在不同环境温度和辐照条件下的光电性能进行了现场测试和分析，结果表明，PV/T部分的发电比传统光伏组件增加了11.0%，相比传统光伏组件，光伏热泵系统中的电池组件温度平均可降低25.5℃，使光伏电池寿命得到了有效的缓解。热泵机组的平均COP可达4.7。光伏/热电热泵系统的整体光伏热效率高达74.4%，在产热和发电性能方面比传统集热器和光伏组件更具优势。 图9. 间膨式光伏热泵系统图 Vallati等人 [ 22 ] 分析了间接膨胀热泵系统的理论，其中光伏/热电收集器被用作热泵系统的热源。比较了不同操作条件下系统的性能。结果表明，系统的供暖效果受天气条件影响较大，在高太阳辐射和室外空气温度下运行时，系统提供的热量可满足70%的供暖需求。 华北电力大学 [ 23 ] 进行了基于太阳能低聚光光伏/集热器的间接膨胀热泵系统的实验研究，最大光电转换效率高达15.2%，平均为9.4%。此外，峰值热效率高达86.7%，平均为54.8%。 Bai等人 [ 24 ] 从理论上分析了间膨式光伏/系统在TRNSYS环境中的性能。用TRNSYS 16计算环境对整个系统进行建模，并根据全年的仿真结果对能量性能进行评估。结果表明，在香港亚热带气候条件下，该系统的COP可达4.1，与常规供热系统相比，节能率高达67%。 Kim等人 [ 25 ] 基于两种不同类型的太阳能间接膨胀热泵系统，比较了一年中每小时的瞬时能效。串联式太阳能热泵在一年内最差时为3509小时，而采用新型太阳能集热器的太阳能热泵可达7036小时。地源也可稳定持续地为热泵提供能量其COP比传统平板太阳能集热器提高了5.1%。 Calise等人 [ 26 ] 利用TRNSYS软件提出了一个动态模型，并在同年对一个光伏/热电多联产系统进行了热经济分析。针对不同天气条件下的不同案例研究进行了为期1年的动态模拟。在不同的时间基础上对结果进行分析，给出能量、环境和经济性能数据。最后，进行了灵敏度分析和热经济学优化，以确定最小化简单偿还期的系统设计/控制参数集。结果表明，PV/T的总能效为49%，热泵制热模式的年性能系数大于4，吸附式制冷机的性能系数为0.55。最后还得出结论，系统性能对PV/T场区高度敏感。当考虑50%的资本投资补贴时，该系统具有较为可观的收益。 Obalanlege等人 [ 27 ] 介绍了一种间膨式光伏热泵系统(图10)，研究了直接影响间膨式热泵系统COP的两个参数：流量和水箱容积的变化。并采用热力学和传热分析方法，研究了光伏-热泵混合系统的热电性能特性。随着增加太阳辐射强度从(250 W/m 2 增加到1000 W/m 2 )使系统的综合COP提高了1.2，而对热泵的综合COP的影响可以忽略不计。将水箱尺寸从1升增加到100升，PV/T的电效率和(总电和热)效率分别增加了0.36%和6.1%。储罐尺寸的变化对热泵或整体光伏热泵系统的COP的影响可以忽略不计。(图11，图12)当PV/T流速从3升/分钟(管道中的层流)增加到(17升/分钟)湍流时PVT的电、热和总效率分别增加0.25%、3.0%和3.25%，而对热泵或系统的综合COP没有显著影响。 图10. 间膨式光伏热泵系统布局 图11. 球PV/T管道排列图 图12. PV/T内管分层图 Zhou等人 [ 28 ] 还提出了一个基于微通道的间膨式光伏热泵系统的理论模型(图13)。此外，通过实验研究验证了模型的准确性。该热泵的创新之处在于采用了微间的空气间隙。这表明有必要减少面板前部的热量损失，以提高整体效率。仿真模型得到了实验结果的验证，为预测系统的季节性性能提供了一种合理的方法，为经济分析提供了基础数据和未来的改进方向。微通道结构作为太阳能热交换器和光伏板的热交换器，提高了太阳能板内部工作流体的传热速率和能效。与微通道光伏板相比，微通道热板具有更高的整体效率，这得益于玻璃罩和吸收器之间的空气间隙。这表明有必要减少面板前部的热量损失，以提高整体效率。仿真模型得到了实验结果的验证，为预测系统的季节性性能提供了一种合理的方法，为经济分析提供了基础数据和未来的改进方向。 图13. 微通道太阳能间接膨胀光伏热泵系统 Amo等人 [ 29 ] 提出了一种在热需求较大的建筑中节约能源和经济的简便技术方案。它由一个与PV/T太阳能场耦合的热泵组成，由TRNSYS模拟，并通过实验验证工作的最终目标是分析太阳能场、储存(水箱)和热泵加热功率的最合适大小，以优化系统效率。结果表明，工作冷温范围为10℃~20℃时COP上升到4.62，而在7℃~10℃之间工作时COP为2.96。热泵所需电力的67.6%由光伏生产提供(热泵所需的13771千瓦时中，9309千瓦时/年是可再生的)。经济分析表明投资回收期约为6年，这使得该方案极具吸引力。 以上研究表明，1) 间膨式光伏热泵很好的解决了光伏与光热面积的匹配问题；2) 系统灵活性较高，光伏电池能够得到更好的冷却效果；3) 热泵蒸发器与光伏组件不直接耦合解决了占地面积较大的问题，同时可以减少压损，从而提高了热泵的性能。