尹卓， 李國良， 李明， 羅熙， 王良

(1.云南師范大學(xué)太陽能研究所，云南昆明 650500;2.云南師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，云南昆明 650500)

在建筑能耗中，空調(diào)的耗能占比極大，因此國內(nèi)外學(xué)者提出以太陽能驅(qū)動的空調(diào)來緩解能源危機，達到節(jié)能減排的目的.太陽能空調(diào)[1-4]有光熱驅(qū)動及光伏驅(qū)動兩種模式，經(jīng)過不斷研究，由光熱驅(qū)動的太陽能空調(diào)系統(tǒng)性能系數(shù)(COP,coefficient of performance)可達到0.18[5-8]，但光熱驅(qū)動的太陽能空調(diào)系統(tǒng)在性價比、運行穩(wěn)定性方面仍需要進行改善,隨著光伏組件性能的提升及價格的下降，光伏驅(qū)動的空調(diào)更有發(fā)展優(yōu)勢.光伏空調(diào)大多要采用蓄電池蓄電，蓄電池的使用會造成初始投資過大，且使用后的廢舊蓄電池的處理對環(huán)境的污染也不容小覷.

為研究太陽能光伏空調(diào)在無蓄電池條件下的運行特性，本文構(gòu)建了光伏直驅(qū)變頻壓縮機靜態(tài)制冰蓄冷的水冷空調(diào)系統(tǒng)實驗平臺，對典型多云天氣下直驅(qū)電能特性、壓縮機運行穩(wěn)定性能、輻照度匹配、壓縮機能效比、光伏陣列光電轉(zhuǎn)換效率、系統(tǒng)COP及蓄冷供冷效果進行實驗研究，為光伏直驅(qū)模式應(yīng)用于太陽能制冷系統(tǒng)提供參考.

1 系統(tǒng)組成及工作原理

光伏直驅(qū)變頻壓縮機制冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)原理圖如圖1所示.系統(tǒng)運行時，由光伏陣列接收太陽能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)逆控一體機后輸出三相交流電驅(qū)動系統(tǒng)壓縮機運行.在制冷循環(huán)中，壓縮機排出高溫高壓氣體進入風(fēng)冷式冷凝器換熱，然后經(jīng)節(jié)流閥降壓進入蓄冰桶內(nèi)的盤管式蒸發(fā)器，蒸發(fā)器吸收桶內(nèi)水的熱量以達到降溫制冰的目的，經(jīng)換熱后的制冷劑被吸入到壓縮機，完成一個循環(huán).在用冷循環(huán)中，采用變頻水泵將蓄冰桶內(nèi)的冰水運輸?shù)绞覂?nèi)的換熱風(fēng)機盤管，為26 m2房間輸送冷風(fēng)，換熱后的冷水回到蓄冰桶內(nèi)，完成一個循環(huán).空調(diào)系統(tǒng)各部分規(guī)格參數(shù)如表1.

1.光伏組件 2.光伏逆控一體機 3.交流壓縮機 4.冷凝器風(fēng)扇 5.冷凝器 6.節(jié)流閥 7.蒸發(fā)器 8.蓄冰桶 9.溫度傳感器 10.儲液器 11.數(shù)據(jù)采集器 12.電磁流量計 13.變頻水泵 14.室內(nèi)換熱盤管 15.供冷房間(26 m2)

圖1光伏直驅(qū)制冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)示意圖

Fig.1Schematicdiagramoficestoragecoldsystemdirectlydrivenbyphotovoltaic

表1 系統(tǒng)部件參數(shù)

2 系統(tǒng)性能評價

制冷系統(tǒng)性能用系統(tǒng)COP來進行評估[9]，光伏發(fā)電的電能質(zhì)量可依據(jù)國際大電網(wǎng)委員會提出的三相不平衡度[10-11]進行評估.

3 實驗測試與分析

3.1 電能特性分析

分布式光伏直驅(qū)制冰蓄冷實驗在某典型多云天氣下進行，實驗時間為8∶41-17∶10，上午少云，下午為多云天氣，最高輻照度為1 019 W/m2，實驗期間的輻照總量21.095 MJ/m2，平均環(huán)境溫度為22 ℃.

經(jīng)計算，光伏逆控一體機的平均逆變效率約為96%，光伏陣列經(jīng)過逆變變頻后的全天三相電壓和電流的不平衡度平均值分別為0.18%和1.53%，最大不平衡度為0.75%和1.99%左右，電能質(zhì)量符合《電能質(zhì)量三相電壓不平衡GB/T 15543-2008》標(biāo)準.

基于本實驗系統(tǒng)，測試結(jié)果表明：當(dāng)瞬時輻照度為111 W/m2時壓縮機即可啟動運行，此時壓縮機運行功率為269.1 W，運行頻率為11.8 Hz，當(dāng)瞬時輻照度大于774 W/m2時，壓縮機可在其最佳運行頻率60 Hz左右運行.系統(tǒng)運行結(jié)果如表2所示.

表2 系統(tǒng)運行結(jié)果

3.2 蓄冷供冷性能分析

實驗過程中系統(tǒng)的冷凝器、蒸發(fā)器及蓄冰桶內(nèi)冷凍水溫度變化如圖2所示.在蓄冷過程中，冷凝器的表面溫度先小幅度上升然后逐漸下降；蓄冰桶內(nèi)蒸發(fā)器溫度變化情況與冷凝器相反，在14∶26左右下降到最低溫度-14.4 ℃，然后逐漸上升.制冷過程一直持續(xù)到輻射強度低于111 W/m2，之后由于輻照度不足(17∶10)，制冷停止，系統(tǒng)開始為房間供冷.在為房間提供冷風(fēng)的過程中，室內(nèi)溫度、環(huán)境溫度及風(fēng)機出口溫度情況如圖3所示.到21∶35左右時，蒸發(fā)器表面溫度與蓄冰桶內(nèi)冷凍水溫度趨于一致(見圖2)，表明冰已經(jīng)完全融化，后期只有蓄冰桶內(nèi)的冰水供冷.當(dāng)供冷到00∶35左右時，蓄冰桶內(nèi)水溫上升到11.7 ℃，該溫度已低于國家水冷空調(diào)的供冷標(biāo)準.實驗結(jié)果表明，制冷系統(tǒng)在白天工作9 h蓄冷，可以在夜間為26 m2房間供冷7.4 h.

圖2制冷供冷循環(huán)過程中冷凝蒸發(fā)部件溫度變化

Fig.2Temperaturechangeofthecondenserandevaporatorinrefrigerationandcoolingcycle

圖3 供冷循環(huán)過程中室內(nèi)外溫度變化

Fig.3Temperaturechangeinsideandoutsideincoolingcycle

4 結(jié) 語

本文通過構(gòu)建光伏直驅(qū)冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，對系統(tǒng)的電能特性及供冷性能進行了實驗探究，得出以下結(jié)果：

1)分布式光伏直驅(qū)變頻壓縮機制冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)在瞬時輻照度為111 W/m2時即可啟動運行，壓縮機運行功率為269.1 W，運行頻率為11.8 Hz，系統(tǒng)可在輻照度波動情況下全天運行.

2)逆變變頻后的三相電壓和電流的不平衡度平均值分別為0.18%和1.53%，光伏陣列經(jīng)過逆變變頻后的電能質(zhì)量達到中國三相電不平衡度規(guī)范性的標(biāo)準.

3)在典型的多云天氣情況下，光伏直驅(qū)系統(tǒng)中光電轉(zhuǎn)換效率為10.99%，且壓縮機的總耗電量為13.695 kWh，系統(tǒng)制冰量為124.6 kg，制冷機組能效比2.11，系統(tǒng)COP為0.232.制冷系統(tǒng)在白天工作9 h進行蓄冷，可以在夜間為26 m2房間供冷7.4 h.