还涛教授发表的论文

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 @ 102kPa, 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. 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