【摘 要】
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在一些偏远地区及移动场景下,由于无法使用电网进行供电,因而往往存在离网制冷的需求。光伏蒸汽压缩式制冷系统是较为常用的离网制冷设备。传统的光伏蒸汽压缩式制冷系统中多用蓄电池进行储能。然而,蓄电池的使用不仅会显著增加设备的成本,还会带来安全性问题以及废旧蓄电池的回收处理问题。为减少蓄电池的使用,光伏直驱制冷的概念被提出。在光伏直驱制冷系统中,光伏电池发出的电不经过蓄电池,而是直接驱动压缩机进行制冷。系
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在一些偏远地区及移动场景下,由于无法使用电网进行供电,因而往往存在离网制冷的需求。光伏蒸汽压缩式制冷系统是较为常用的离网制冷设备。传统的光伏蒸汽压缩式制冷系统中多用蓄电池进行储能。然而,蓄电池的使用不仅会显著增加设备的成本,还会带来安全性问题以及废旧蓄电池的回收处理问题。为减少蓄电池的使用,光伏直驱制冷的概念被提出。在光伏直驱制冷系统中,光伏电池发出的电不经过蓄电池,而是直接驱动压缩机进行制冷。系统中往往使用蓄冷介质进行储能,从而实现对蓄电池的替代。为降低光伏直驱制冷系统中光伏电池的工作温度,提升系统的太阳能制冷效果,并使系统同时具备离网制冷与热水供应的功能,本文将光伏直驱制冷技术、光电光热综合利用技术及冰蓄冷空调技术相结合,提出了 PV/T直驱冷热联供系统。相比于带有蓄电池的传统光伏制冷系统,PV/T直驱冷热联供系统中没有蓄电池对电能进行实时存储,因而具有与传统系统不同的运行特性。本文对PV/T直驱冷热联供系统的运行特性及系统优化进行了研究。此外,之前研究中所建立的光伏直驱制冷系统的数学模型,无法反映太阳辐照强度、压缩机转速和压缩机负载之间的动态关系,不适用于对压缩机变转速运行的情况进行分析。本文建立了 PV/T直驱冷热联供系统和光伏直驱制冷系统的动态数学模型,用于对压缩机变转速运行的系统进行分析。最后,由于目前对不同压缩机转速调节策略下的光伏直驱制冷系统,尚未有深入的评估和比较。因此,本文研究了不同压缩机转速调节策略下的光伏直驱制冷系统特点。本文具体的工作内容如下:1)提出了 PV/T直驱冷热联供系统。该系统可在不使用蓄电池的情况下进行离网制冷和热水供应。系统中PV/T模块的应用降低了光伏电池的工作温度,提升了系统的全天总制冷量。光电光热的综合利用,增加了单位面积的太阳能利用率,减小了系统的占地面积,使其更适合应用于移动场景。2)搭建了 PV/T直驱冷热联供系统的实验平台,对系统进行了一系列实验研究。研究了不同压缩机转速下的系统性能。比较了 PV/T直驱系统和光伏直驱系统中的光伏电池温度。实验期间,PV/T模块比普通光伏电池板中的光伏电池温度最多低16℃。研究了太阳辐照强度和蓄冰槽水温对系统的影响。对压缩机进行变转速调节,使压缩机转速随太阳辐照强度而变化,以提升系统的太阳能制冷效率。变转速运行模式下的实验结果显示,系统的太阳能制热效率为38.0%,太阳能制冷效率为7.5%,太阳能综合利用率为45.5%。3)建立了 PV/T直驱冷热联供系统的动态数学模型,并对该模型进行了实验验证。实验验证结果表明,该模型可较好地预测PV/T直驱冷热联供系统的制冷及制热性能。4)利用上述模型对系统进行了数值模拟研究。分析了光电光热综合利用和压缩机变转速运行对系统性能的提升效果,结果表明,PV/T直驱系统比光伏直驱系统的全天总制冷量多出6.3%,压缩机变转速运行比定转速运行的全天总制冷量多出25.6%。此外,文中还对光伏电池配置、压缩机转速范围设计等问题进行了研究。通过研究光伏电池配置对系统性能的影响,得出结论,随着光伏标称功率的增大,虽然系统的全天总制冷量会持续升高,但单位标称功率对应的制冷量却先升高再下降。通过研究压缩机转速范围对系统性能的影响,得出,在提升本文PV/T直驱冷热联供系统的制冷性能方面,降低压缩机转速下限具有较大的潜力。通过研究蓄冰槽内初始水温对系统性能的影响,得出,随着蓄冰槽内初始水温的升高,尽管系统的制冷时长会减少,但全天总制冷量仍会增大。5)对比研究了不同压缩机转速调节策略下的光伏直驱制冷系统,并分析了不同策略下太阳辐照强度、环境温度及冷冻室内温度的变化对系统性能的影响。相比于应用压缩机转速预测法(CSP)的系统,应用扰动观察法(P&O)的系统太阳能制冷效率更高。然而,可通过调整CSP模式中控制函数的参数,来缩小CSP模式与P&O模式在制冷效率上的差距。另外,相比于CSP模式,P&O模式对环境温度和冷冻室内水温变化的适应性更强。在环境温度或水温波动较大的工况下,采用P&O模式更为合适。
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