袁興宇，梁俊宇，楊洋，王永利，陳鑫，杜泊鋅，陶思藝，張旭東

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217； 2. 華北電力大學(xué)（北京），北京 102200）

0 前言

通過(guò)去除水果和蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品中存在的水分進(jìn)行干燥是保存它們的重要和適當(dāng)?shù)姆椒ㄖ?。作為一種新興的干燥技術(shù)，太陽(yáng)能熱泵干燥以其較高的穩(wěn)定性和熱效率引起了越來(lái)越多的關(guān)注。與其他干燥技術(shù)相比，熱泵干燥技術(shù)的參數(shù)更容易控制，能夠精準(zhǔn)調(diào)節(jié)溫度、濕度、流量等參數(shù)，且熱泵干燥的適用范圍更加廣泛、運(yùn)行費(fèi)用低、環(huán)保無(wú)污染[1]。太陽(yáng)能集熱器是太陽(yáng)能干燥系統(tǒng)的主要組成部分。它將收集并轉(zhuǎn)換入射到其上的太陽(yáng)能為熱能。由此產(chǎn)生的熱能用于物料的干燥。

國(guó)內(nèi)外對(duì)太陽(yáng)能耦合熱泵進(jìn)行干燥的研究主要集中于太陽(yáng)能熱泵耦合效果、穩(wěn)定性以及能源利用效率改善等方面。文獻(xiàn)[2]使用光伏熱（PV/T）集熱器和真空管（ET）集熱器設(shè)計(jì)和制造間接太陽(yáng)能干燥器，提供干燥過(guò)程的熱負(fù)荷，并通過(guò)模型預(yù)測(cè)材料的干燥過(guò)程。文獻(xiàn)[3]采用太陽(yáng)能光伏光熱（PV/T）空氣集熱器收集太陽(yáng)輻射，為干燥系統(tǒng)提供能量。以玫瑰花為干燥物料，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究了太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的熱、電特性以及玫瑰花的干燥特性。文獻(xiàn)[4]開(kāi)發(fā)了一種新的混合模式流化床干燥系統(tǒng)，由太陽(yáng)能空氣收集器，拋物線槽式收集器和熱泵系統(tǒng)組成。并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行能量分析評(píng)估流化床干燥系統(tǒng)的性能，研究薄荷葉的干燥動(dòng)力學(xué)。文獻(xiàn)[5]開(kāi)發(fā)了一種滑動(dòng)準(zhǔn)靜態(tài)模型，設(shè)計(jì)太陽(yáng)能耦合熱泵干燥系統(tǒng)輔助溫室污泥干化，并對(duì)系統(tǒng)加熱溫度進(jìn)行研究，從能耗方面實(shí)現(xiàn)年度熱經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。文獻(xiàn)[6]利用太陽(yáng)能熱泵干燥技術(shù)對(duì)紫薯進(jìn)行干燥。探討了裝載密度、切片厚度和轉(zhuǎn)換含水率3個(gè)變量對(duì)紫薯干燥時(shí)間、花青素保存率以及單位能耗的影響，并采用評(píng)價(jià)函數(shù)優(yōu)化干燥工藝。文獻(xiàn)[7]搭建了太陽(yáng)能熱泵聯(lián)合煙草干燥系統(tǒng)，對(duì)集熱單元的效率、蓄熱單元的熱損失以及整個(gè)干燥系統(tǒng)的能耗進(jìn)行了計(jì)算和分析，并與單獨(dú)采用熱泵供熱時(shí)的系統(tǒng)能耗進(jìn)行了對(duì)比。

在綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化方面，國(guó)內(nèi)外研究主要在提升能源利用效率、實(shí)現(xiàn)多種能源協(xié)調(diào)規(guī)劃，互補(bǔ)替代等。文獻(xiàn)[8]基于電力負(fù)荷與熱力負(fù)荷在綜合能源管理中具有相似的可調(diào)度價(jià)值，提出了一種考慮電熱多種負(fù)荷綜合需求響應(yīng)的園區(qū)微網(wǎng)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[9]提出了一種槽式太陽(yáng)能集熱器與燃?xì)忮仩t耦合的新型供暖系統(tǒng)，解決了寒冷地區(qū)應(yīng)用太陽(yáng)能集熱器時(shí)低效易堵、凍裂爆管等問(wèn)題，深入研究了建筑負(fù)荷與有效得熱量關(guān)系、集熱效率、系統(tǒng)太陽(yáng)能保證率、蓄熱水箱溫度、各模式運(yùn)行時(shí)間、系統(tǒng)供熱量及其能耗與經(jīng)濟(jì)性等內(nèi)容，對(duì)系統(tǒng)的整體運(yùn)行性能進(jìn)行了評(píng)估，并對(duì)集熱器面積、蓄熱水箱容積、系統(tǒng)運(yùn)行控制進(jìn)行了優(yōu)化。文獻(xiàn)[10]針對(duì)區(qū)域供熱提出了燃?xì)忮仩t與吸收式換熱耦合的方案，該方案可有效降低一次回水溫度。通過(guò)?效率、一次能源效率、余熱回收率、增量投資回收期等參數(shù)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠更好地利用低品位熱源，在中國(guó)北方地區(qū)有良好的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)[11]基于能源集線器（energy hub, EH）概念，對(duì)以區(qū)域混合能源站為核心的能源耦合環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，并形成了區(qū)域電力-天然氣-熱力系統(tǒng)（regional electricity-gas-heat system, REGHS）能量流綜合求解模型，并以經(jīng)濟(jì)最優(yōu)為目標(biāo)，通過(guò)設(shè)置合理的運(yùn)行約束（包括REGHS能源網(wǎng)絡(luò)約束與HES約束），對(duì)REGHS能量流進(jìn)行優(yōu)化，為能源供應(yīng)方案的優(yōu)選提供了一定的理論根據(jù)。

本文提出一種太陽(yáng)能熱泵干燥系統(tǒng)并對(duì)其運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化，在研究干燥過(guò)程熱力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，引入PVT系統(tǒng)與儲(chǔ)能設(shè)備，分別建立太陽(yáng)能熱泵干燥系統(tǒng)及其子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，研究分析系統(tǒng)中電能與熱能的耦合關(guān)系，以成本與能效為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備的每小時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)干燥系統(tǒng)的能效和經(jīng)濟(jì)性的提升。

1 太陽(yáng)能熱泵干燥系統(tǒng)組成

1.1 PVT 光伏/光熱系統(tǒng)

傳統(tǒng)太陽(yáng)能系統(tǒng)通過(guò)太陽(yáng)光直接供熱，效率高，但是需要有防凍措施，且在太陽(yáng)光不充足時(shí)需要增加電輔熱，受天氣影響大，且電加熱能耗高。PVT（光伏/光熱）技術(shù)大大增加了太陽(yáng)能的利用效率。基于太陽(yáng)能空氣源熱泵和光伏光熱集熱器建立太陽(yáng)能綜合利用系統(tǒng)，系統(tǒng)產(chǎn)出熱能和電能，為干燥系統(tǒng)提供能量輸入。

照射到電池板上的太陽(yáng)能輻射能，80%會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量，使其工作溫度一般在50 ℃以上，散熱不良時(shí)甚至?xí)^(guò)80 ℃，嚴(yán)重影響電池片發(fā)電效率[13]。若能夠?qū)⒐夥搴图療崞鹘Y(jié)合起來(lái)，通過(guò)集熱器的介質(zhì)能帶走電池片產(chǎn)生的熱量，使電池片的工作溫度保持在一個(gè)合理的范圍。同時(shí)被介質(zhì)帶走的熱量也可以得到有效地利用，大大提高了太陽(yáng)能的綜合利用率。

研究表明，光伏電池板的工作溫度每降低1 ℃，光電轉(zhuǎn)換效率可提高0.5%左右。干燥介質(zhì)流經(jīng)PV/T蒸發(fā)器時(shí)，帶走電池片的部分熱量，使得電池片不至因?yàn)闇囟冗^(guò)高而使效率降低。由于太陽(yáng)輻照強(qiáng)度對(duì)集熱器性能具有一定影響，當(dāng)系統(tǒng)的空氣質(zhì)量流量設(shè)定在0.042 kg/s時(shí)，光熱與光電效率如圖1所示。

圖1 PVT子系統(tǒng)部件效率隨光照強(qiáng)度的變化趨勢(shì)

1.2 儲(chǔ)能設(shè)備

考慮到太陽(yáng)能輻照強(qiáng)度的不確定性，儲(chǔ)能設(shè)備用于在太陽(yáng)輻射的高峰時(shí)段儲(chǔ)存多余的能量，也可以利用分時(shí)電價(jià)削峰填谷，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。以便在非太陽(yáng)時(shí)段或能量可用性不足時(shí)使用，從而提高系統(tǒng)可靠性?？紤]到以上因素，在太陽(yáng)能熱泵干燥系統(tǒng)加入電儲(chǔ)能設(shè)備和熱儲(chǔ)能設(shè)備，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行充放策略的優(yōu)化達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)性和綜合能效的目的。

蓄電池儲(chǔ)能(battery energy storage,BES)。在充、放電過(guò)程中，蓄電池的荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)會(huì)發(fā)生變化，該過(guò)程可以描述為:

存入電能的數(shù)學(xué)模型為：

釋放電能的數(shù)學(xué)模型為：

式中：δe是蓄電池的自身電能消耗率；Pin是蓄電池的電能存入功率；Pout是蓄電池的電能釋放功率；SOC(t)是第t個(gè)時(shí)段結(jié)束時(shí)蓄電池的剩余電量；SOC(t-1)是第t-1個(gè)時(shí)段結(jié)束時(shí)蓄電池的剩余電量；是蓄電池的電能存入效率；是蓄電池的電能釋放效率；是蓄電池的額定容量。

蓄熱水箱的典型物理模型可以表示為：

式中，QHS(t)表示t時(shí)刻蓄熱水箱的蓄熱量；μloss表示蓄熱水箱散熱損失率；QHS(t0)表示初始t0時(shí)刻的蓄熱量；(Δt)表示t0至t時(shí)刻之間的蓄熱量；表示蓄熱水箱的充熱效率；(Δt)表示t0至t時(shí)刻之間熱能釋放量；表示蓄熱水箱的放熱效率。

1.3 太陽(yáng)能熱泵干燥系統(tǒng)

含PVT的太陽(yáng)能熱泵干燥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。整個(gè)干燥作業(yè)表現(xiàn)為空氣被 PV/T 集熱器預(yù)熱后，通過(guò)空氣源熱泵消耗電能把循環(huán)工質(zhì)中的能量傳輸給空氣，隨后熱量伴隨空氣借助熱泵傳輸?shù)接嘘P(guān)干燥室當(dāng)中，跟有關(guān)物料發(fā)生熱傳遞。通過(guò)閉式循環(huán)的方式將空氣源熱泵以及太陽(yáng)能干燥辦法進(jìn)行有機(jī)的整合，不僅克服了太陽(yáng)能干燥過(guò)程中天氣因素的影響，而且整合了兩者清潔節(jié)能的優(yōu)勢(shì)，節(jié)約干燥時(shí)間，提升能量使用效率。同時(shí)，集熱器和冷凝器同時(shí)作為空氣的加熱裝置，更直接地利用太陽(yáng)熱能，提高能源利用率。

圖2 太陽(yáng)能熱泵干燥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3為系統(tǒng)整體原理圖，系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，電能和熱能通過(guò)不同方式轉(zhuǎn)化和傳遞：光伏組件通過(guò)逆變裝置和蓄電池為系統(tǒng)運(yùn)行提供電能，光熱組件作為熱泵的低溫?zé)嵩?，可以預(yù)熱空氣，提高蒸發(fā)溫度，提高熱泵性能系數(shù)實(shí)現(xiàn)多種能源之間的互補(bǔ)與耦合，提高能源利用率。

圖3 太陽(yáng)熱泵干燥系統(tǒng)原理圖

2 太陽(yáng)能熱泵干燥系統(tǒng)建模

2.1 干燥過(guò)程熱力學(xué)分析

系統(tǒng)熱平衡方程

式中：Qt是干燥過(guò)程中所需的總熱能；QSD為太陽(yáng)能光熱組件系統(tǒng)提供的熱量（kJ）；QHPD為熱泵子系統(tǒng)提供的熱量。

1）干燥過(guò)程所需的總熱量

干燥過(guò)程中所需的熱量包括蘿卜的預(yù)熱能量、蒸發(fā)水所需的熱能以及干燥過(guò)程中的熱量損失量。

① 物料所需的預(yù)熱熱量

式中：mi是物料的初始質(zhì)量（kg）；cr是物料在恒壓下的比熱（kJ/(kg·℃)）；Trf是物料的最終溫度（℃）；Tri是物料的初始溫度（℃）。

②蒸發(fā)水所需的熱量：

式中：mi是物料的初始質(zhì)量（kg）；mf是物料的最終質(zhì)量（kg）；γ是蒸發(fā)潛熱（kJ/kg）。

③干燥過(guò)程中的熱能損失：

④干燥過(guò)程中所需的總熱量：

2）太陽(yáng)能干燥系統(tǒng)提供的熱量

在實(shí)驗(yàn)期間，收集器每天的太陽(yáng)輻射總量可以表示為：

式中：Ac是收集器面積（m2)；It是入射到集熱器上的瞬時(shí)太陽(yáng)輻射（W/m2)。

3）熱泵（干燥系統(tǒng)提供的熱量）

冷凝器的熱功率可以表示為：式中：是空氣通過(guò)冷凝器的質(zhì)量流量（kg/s）；ca是空氣在恒壓下的比熱（kJ/(kg·℃)）；Taoutc是冷凝器入口處的空氣溫度（℃）；Tainc是冷凝器出口處的空氣溫度（℃）。

因此，熱泵干燥子系統(tǒng)提供的熱量可以表示為：

2.2 干燥過(guò)程負(fù)荷分析

根據(jù)干燥物料的狀態(tài)參數(shù)、環(huán)境溫度、濕度等參數(shù)可以得到干燥過(guò)程蒸發(fā)水分所需熱量即干燥負(fù)荷。熱泵干燥系統(tǒng)的干燥溫度受環(huán)境溫度、冷凝溫度和蒸發(fā)溫度的影響，同時(shí)受到壓縮機(jī)和制冷劑工作范圍的限制。

干燥過(guò)程通常分為預(yù)熱階段、恒速干燥階段和減速干燥。下圖是一典型的干燥曲線。在干燥溫度38℃、干燥介質(zhì)（空氣）相對(duì)濕度：33.5%，原料為胡蘿卜。

①預(yù)熱階段：自0到0.4小時(shí)，產(chǎn)品含水變化不大，這是因?yàn)樵陂_(kāi)始干燥時(shí)物料表面有大量的附著水，表面處水分蒸發(fā)，此時(shí)其內(nèi)部的水分變化不大。

②恒速干燥階段：物料表皮處溫度不斷變化，物料吸熱量和水分蒸發(fā)吸熱量相互平衡，內(nèi)部含水量下降速度趨于穩(wěn)定。

③減速干燥：恒速干燥階段已經(jīng)將物料中的絕大部分物理結(jié)合水去除。在中低溫條件下，難以繼續(xù)去除物料中化學(xué)結(jié)合水，這就導(dǎo)致物料內(nèi)部水分遷移量減少，干燥速率大大降低。

可以看到，在7:00至17:00的日照時(shí)間內(nèi)吸收的輻射能進(jìn)行加熱。在最佳干燥溫度和空氣質(zhì)量流速下，以MJ為單位的負(fù)載每小時(shí)分布，如圖4所示。隨著干燥的進(jìn)行，負(fù)載逐漸減少。

圖4 典型物料干燥曲線

2.3 干燥模型構(gòu)建

物料干燥的過(guò)程可以看成一個(gè)復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)傳熱傳質(zhì)過(guò)程。常用的物料干燥模型分為三大類:理論模型、半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃徒?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。其中被廣泛使用的模型包括了Page模型、Logarithmic模型、Lewis模型、Midilli模型以及Thompson模型等[13-15]。以上模型參數(shù)主要有水分比MR和干燥時(shí)間t，其中在時(shí)間t下干燥物料的水分比MR通過(guò)下式計(jì)算。

式中：Wi為物料干燥初始干基含水率（%）；We為物料干燥平衡干基含水率，（%）；Wt為干燥時(shí)間t時(shí)物料的干基含水率（%）。

干燥溫度是影響油菜籽干燥特性重要因素，通過(guò)對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的整理和分析，選取Lewis模型作為油菜籽干燥模型。

式中：MR為干燥物料的水分比；T為干燥溫度（℃）；t為干燥時(shí)間（h）。

3 綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化模型

太陽(yáng)能光伏／集熱器處于復(fù)雜多變的環(huán)境之中，由于太陽(yáng)能無(wú)規(guī)律波動(dòng)的特性，在熱源和熱負(fù)荷都處于時(shí)刻變化的條件下系統(tǒng)性能難以維持在設(shè)計(jì)工況。當(dāng)系統(tǒng)采用變頻壓縮機(jī)時(shí)，能夠有效地調(diào)節(jié)熱泵系統(tǒng)制熱量，保證太陽(yáng)能光伏／集熱器與熱泵的實(shí)時(shí)輸出功率匹配。實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)運(yùn)行和太陽(yáng)集熱板負(fù)荷之間的容量匹配以達(dá)到高效穩(wěn)定運(yùn)行。

PVT熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程屬于非穩(wěn)態(tài)的熱泵循環(huán)過(guò)程，而由于外界環(huán)境工況（如干燥室）在不斷波動(dòng)變化，受其影響，系統(tǒng)制熱性能通常不會(huì)保持在設(shè)計(jì)工況上。通常的優(yōu)化方案是根據(jù)運(yùn)行規(guī)律制定了不同的調(diào)節(jié)方案，這種策略雖然能夠起到一定的優(yōu)化效果，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體最優(yōu)。而本文通過(guò)建立干燥過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，針對(duì)可控變量進(jìn)行約束求解，找到最適合該場(chǎng)景的運(yùn)行策略，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化。

3.1 優(yōu)化目標(biāo)

①運(yùn)行成本

以系統(tǒng)總運(yùn)行成本最小為目標(biāo)函數(shù)：

式中：C為太陽(yáng)能熱泵干燥系統(tǒng)運(yùn)行成本,單位為元；Ce為購(gòu)電成本，單位為元；Ces為蓄電池運(yùn)行維護(hù)成本，單位為元；Chs為儲(chǔ)熱設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本，單位為元。

購(gòu)電成本為：

式中：為t時(shí)刻系統(tǒng)的購(gòu)電價(jià)格；為t時(shí)刻IES的購(gòu)電功率；Δt為調(diào)度時(shí)長(zhǎng)。

假設(shè)蓄電池的單次充、放電成本相同,購(gòu)買成本為Cpurchase，無(wú)損壞情況下使用次數(shù)為Mcycles，則其單次完全充、放電成本Cr為：

則蓄電池運(yùn)行維護(hù)成本為：

式中：Ccapacity為蓄電池容量；分別為t時(shí)刻蓄電池的充、放電功率。儲(chǔ)熱設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本為：

式中：為t時(shí)刻儲(chǔ)熱設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)成本；分別為t時(shí)刻儲(chǔ)熱設(shè)備的充、放熱功率。

②系統(tǒng)能效（COP）

系統(tǒng)COP值為：

式中：COPhp為熱泵系統(tǒng)COP值；COPS為干燥系統(tǒng)COP值；W為壓縮機(jī)功率；WS為系統(tǒng)實(shí)際耗能；WF為風(fēng)機(jī)耗電功率。

3.2 約束條件

1）蓄電池運(yùn)行約束

式中：、分別為t時(shí)刻蓄電池充電功率的上、下限；、分別為t時(shí)刻蓄電池放電功率的上、下限；、分別為t時(shí)刻蓄電池充、放電狀態(tài)標(biāo)記位，其值為0分別表示停止充、放電，為1分別表示進(jìn)行充、放電。Wtes為t時(shí)刻蓄電池儲(chǔ)存的電能；σes為蓄電池自放電率；ηes,c、ηes,d分別為蓄電池的充、放電效率，、分別為蓄電池儲(chǔ)能的上、下限。

2）購(gòu)電功率約束

式中：為系統(tǒng)向電網(wǎng)購(gòu)電的上限值。

3）儲(chǔ)熱設(shè)備運(yùn)行約束

4 算例分析

為驗(yàn)證本文提出的優(yōu)化方法的有效性，以干燥油茶籽為例從晴天，雨天和陰天3種天氣條件進(jìn)行仿真測(cè)算，外界環(huán)境（如圖5所示）及油茶籽、系統(tǒng)參數(shù)如表1和表2所示。

圖5 三種不同天氣下的光照強(qiáng)度

表1 油菜籽基本工藝參數(shù)

表2 干燥系統(tǒng)部件基本參數(shù)

設(shè)定兩種方案用于對(duì)比使用運(yùn)行優(yōu)化的效果，兩種的方案設(shè)定如下：

①原方案，不考慮分時(shí)電價(jià)的經(jīng)濟(jì)性和能效水平的目標(biāo)，常規(guī)策略，即光熱組件產(chǎn)的熱提供給干燥系統(tǒng)，產(chǎn)的電供給熱泵，多余電量或熱量存儲(chǔ)到儲(chǔ)能設(shè)備中。

②優(yōu)化方案，考慮經(jīng)濟(jì)性和能效的優(yōu)化目標(biāo)，采用算法求解得到熱泵壓縮機(jī)儲(chǔ)熱水箱以及蓄電池的實(shí)施工作狀態(tài)，從而確定其余供能設(shè)備的出力。

將優(yōu)化方案與原方案在不同天氣情況下進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性和能效的對(duì)比，結(jié)果如表3所示。

表3 不同方案下的成本對(duì)比分析

由表可以看到，在能效相差不大的情況下，優(yōu)化方案在晴天陰天雨天的運(yùn)行成本相比原方案分別降低8.77%、8.44%和9.93%，整體來(lái)看，優(yōu)化方案可以為干燥過(guò)程節(jié)省約10%的電費(fèi)。若考慮一次干燥過(guò)程更長(zhǎng)的干燥過(guò)程，如干燥過(guò)程在夜晚進(jìn)行，合理利用利用谷時(shí)電價(jià)，該方案將將具有更好的經(jīng)濟(jì)性。總而言之，說(shuō)明該考慮綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化的方案對(duì)于太陽(yáng)能熱泵干燥系統(tǒng)具有一定的使用價(jià)值。

對(duì)優(yōu)化方案的設(shè)備功率進(jìn)行分析，如圖6所示。

圖6 優(yōu)化方案典型日晴天干燥系統(tǒng)熱量分時(shí)出力

可以看到，由于干燥過(guò)程的負(fù)荷在不斷變化，系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)也在發(fā)生實(shí)時(shí)改變?？傮w來(lái)說(shuō)，熱泵和太陽(yáng)能光熱組件作為系統(tǒng)供熱的主要設(shè)備。在上午9-10時(shí)，由于光照強(qiáng)度較低，太陽(yáng)能光熱組件提供的熱量有限，因此該時(shí)間段主要以熱泵供能為主，儲(chǔ)熱水箱優(yōu)先儲(chǔ)存一部分的熱量。隨著光照強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，光熱輸出功率也逐步提高，由于干燥后期物料脫水速率呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，壓縮機(jī)負(fù)荷逐漸降低，導(dǎo)致熱泵能耗呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。

由圖7可以發(fā)現(xiàn)，在一天的干燥過(guò)程中，各子系統(tǒng)的工作狀態(tài)隨分時(shí)電價(jià)變化而變化。白天的干燥過(guò)程中，10-12時(shí)為高峰電價(jià)時(shí)段，其余時(shí)段為平價(jià)時(shí)段。在上午8-10時(shí)由于電價(jià)相對(duì)較低，蓄電池在此時(shí)間段利用較低的電價(jià)儲(chǔ)存電能，并在10-12時(shí)將電能放出，為熱泵壓縮機(jī)供電。并且，8-10時(shí)光照強(qiáng)度較低，太陽(yáng)能光熱輸出功率較低，熱泵的壓縮機(jī)功率保持較高水平，隨著時(shí)間的推移，光照強(qiáng)度提高，光熱組件已經(jīng)為系統(tǒng)提供足夠的熱能，再加上干燥負(fù)荷減少，因此壓縮機(jī)輸出功率有所降低，消耗比干燥前期更少的電功率即可完成干燥過(guò)程。

圖7 優(yōu)化方案干燥系統(tǒng)電能利用情況

5 結(jié)束語(yǔ)

本文構(gòu)建太陽(yáng)能熱泵干燥系統(tǒng)，在分析干燥系統(tǒng)能源互補(bǔ)與耦合的基礎(chǔ)上，通過(guò)控制設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能熱泵干燥過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行優(yōu)化，得到結(jié)論如下：

1）構(gòu)建了含PVT的太陽(yáng)能熱泵干燥系統(tǒng)，分析PVT子系統(tǒng)的光電光熱效率的影響因素及變化曲線，能夠充分利用太陽(yáng)能產(chǎn)生的熱能和光伏電池的電量，能源利用最大化。

2）構(gòu)建了太陽(yáng)能熱泵干燥系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)干燥負(fù)荷和干燥模型進(jìn)行分析，將其視為用熱負(fù)荷，通過(guò)能源轉(zhuǎn)換設(shè)備進(jìn)行提供干燥所需熱量。

3）將太陽(yáng)能熱泵干燥系統(tǒng)看作電熱耦合的綜合能源系統(tǒng)，應(yīng)用綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化的思想對(duì)其設(shè)備的實(shí)時(shí)功率進(jìn)行優(yōu)化，仿真結(jié)果表明，在能效保持不變的情況下，優(yōu)化方案至少可為干燥過(guò)程節(jié)省10%的用電成本，提高干燥過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性。