电子膨胀阀开度对光伏-太阳能热泵系统性能影响的研究

摘要

随着全球人口的增长、能耗的增加，太阳能的开发利用正在加速发展。太阳能热泵SAHP系统 (SOLAR-ASSISTED HEAT PUMP,SAHP)是太阳能利用的一种方式，SAHP系统将热泵装置和太阳能集热器结合在一起，同时提高热泵的性能系数和太阳能的热利用效率。 本文将光伏发电与变频技术和直膨式SAHP系统有机结合在一起，提出了光伏-变频太阳能热泵 PV/T-VFSAHP系统(Photovoltaic-Variable Quency Solar Assisted Heat Pump)的概念。 结合系统数学模型对辐照强度、环境温度、蒸发器出口过热度三个参数对PV/T-SAHP系统性能的影响进行了模拟分析，根据分析的结果提出了使系统优化的控制策略。即电子膨胀阀——吸气过热度控制，机组无论在标准工况下、变工况、满负荷、变负荷运行维持较高的COP值和集热器效率η<,coll>。 当变频压缩机恒定频率运行时，其性能相当于一个在相同频率下运行的定速压缩机。因此，光伏变频太阳能热泵系统在实际运行时可以离散为无穷多个与不同频率相对应的定速压缩机，所以研究清楚定频下电子膨胀阀的开度对系统性能的影响是研究光伏-变频太阳能热泵系统的关键。所以本文主要从电了膨胀阀的开度对系统性能的影响进行研究。 以PV/T-SAHP系统实验台为基础，开发了电子膨胀阀开度控制器。并对不同的电子膨胀阀开度下,PV/T-SAHP系统的动态性能进行了实验和分析，根据实验结果我们发现，系统的COP值随着冷凝水温的升高而降低，光电效率的峰值发生在工质蒸发对光伏模块的冷却作用和太阳辐照度和空气对集热/蒸发器表面的加热作用的平衡点，而并非太阳辐照度最高点。在电子膨胀阀开度一定时，随着太阳辐照度的升高，压缩机功率出现振动，当电子膨胀阀开度最大时，系统振动更加明显。振荡对运行经济性与安全性均不利，为确保运行稳定性，片面地增加蒸发器的运行过热度，这就大大降低了蒸发器的利用率，为获得一定的节能效益就减小蒸发器的运行过热度，但盲目地减少过热度，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 (Minimum Stable Signal线，简称 MSS 线) 与条件，找出影响系统稳定性的各种因素，才能在保证系统稳定性前提下，最大限度的利用蒸发器的有效传热面积，获得最高的经济性。由此本文提出了光伏太阳能热泵(PV/T-SAHP)的系统稳定性原理。同时指出优化 PV/T-SAHP 系统的关键问题是找到系统集热/蒸发器的 MSS 线 (Q—Tsh关系曲线)。最后，建立了变频 PV/T-SAHP 系统 (PV/T-VFSAHP 系统) 的数学模型，就不同频率时的系统的性能进行了模拟和分析。得出压缩机转速过大和过小，都会影响系统的正常运行，对系统产生不利的影响。在实际运行时，这两种情况都要避免。并对频率分别是30hz、50hz、70hz时的系统性能进行了实验研究。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号列表及图表目录

声明

第1章绪论

1.1我国能源和环境的现状

1.1.1我国能源形势不容乐观

1.1.2我国环境持续恶化

1.2太阳能热泵的发展

1.2.1太阳能热泵的种类

1.2.2直接膨胀式太阳能热泵系统的研究

1.2.3太阳能光电光热综合利用技术

1.2.4光伏-变频太阳能热泵系统(PV/T-VFSAHP)的提出

1.3本文的主要内容

参考文献

第2章光伏-太阳能热泵系统实验平台

2.1 PV/T-SAHP系统实验台原理介绍

2.2 PV/T-SAHP系统样机介绍

2.2.1光伏蒸发器

2.2.2变频涡旋压缩机

2.2.3光伏系统

2.3 PV/T-SAHP系统的测试装置和电子膨胀阀控制器开发装置

参考文献

第3章光伏-太阳能热泵系统影响因素的研究

3.1光伏蒸发器模型

3.2冷凝器(板式换热器)模型

3.3压缩机数学模型

3.4膨胀阀的数学模型

3.5热泵工质热物性模型

3.6 PV/T-SAHP系统影响因素分析

3.6.1太阳辐照度和环境温度对系统性能的影响

3.6.2热泵蒸发器出口过热度对系统性能的影响

3.7 PV/T-SAHP系统控制策略的提出

3.8本章小结

参考文献

第4章电子膨胀阀控制器的研制

4.1电子膨胀阀性能介绍

4.2步进电机工作原理及基本特性

4.3电子膨胀阀控制器的实现

4.3.1步进电机的控制方式

4.3.2步进电机的驱动方式

4.3.3步进电机的单片机控制

4.4电子膨胀阀控制器的验证

4.5本章小结

参考文献

第5章电子膨胀阀开度对PV/T-SAHP性能的实验研究

5.1冷凝水温动态变化时

5.1.1测试条件

5.1.2测试结果及分析

5.2冷凝水温和电子膨胀阀开度不变时

5.2.1实验条件

5.2.2测试结果及分析

5.3 PV/T-SAHP系统稳定性原理的提出

5.4本章小结

参考文献

第6章变频控制PV/T-SAHP系统初步研究

6.1变频控制 PV/T-SAHP系统的数值模拟

6.1.1变频控制 PV/T-SAHP系统的数学模型

6.1.2变频控制PV/T-SAHP系统的数值模拟结果分析

6.2不同频率时PV/T-SAHP系统的实验研究

6.2.1实验条件

6.2.2测试结果及分析

6.3 PV/T-VFSAHP系统存在且需要解决的问题

参考文献

第7章全文小结及进一步工作展望

7.1论文的主要成果及创新

7.2论文的后续工作及展望

读博期间发表的学术论文与取得到研究成果

致谢