太陽能熱電新風機系統(tǒng)容量匹配*

張泠，謝磊，劉忠兵，孟方芳，羅勇強

(湖南大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410082)

太陽能熱電新風機系統(tǒng)容量匹配*

張泠?，謝磊，劉忠兵，孟方芳，羅勇強

(湖南大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410082)

提出了一種太陽能熱電新風機，為適應逐時變化的新風負荷需求，擬通過調節(jié)熱電新風機的輸入電壓滿足新風負荷要求.在此基礎上分析了光伏組件、熱電新風機、蓄電池三者之間的容量匹配關系，并建立了3個系統(tǒng)之間的容量匹配計算數學模型.以北京某新風量為90 m3/h的辦公室為例，模擬了7月21日至8月21日和1月1日至1月31日每天8:00至18:00熱電新風機的使用工況.結果表明：所選光伏組件7月21日至8月21日發(fā)電量為94.24 kW，熱電新風機的總耗電量為64.35 kW，連續(xù)陰雨天氣時蓄電池的最大放電量為1.19 kW，熱電新風機的平均制冷系數達到2.50；光伏組件1月1日至1月31日發(fā)電量為50.29 kW，熱電新風機的總耗電量為40.54 kW，連續(xù)陰雨天氣時蓄電池的最大放電量為1.51 kW，熱電新風機的平均制熱系數達到3.02.

光伏組件；熱電新風機；蓄電池；容量匹配；制冷系數(COP)

隨著生活水平的提高及環(huán)保意識的增強，人們對室內環(huán)境的要求越來越高，對辦公室的空氣品質也愈加重視.對沒有新風處理設備的辦公室而言，主要依靠開窗通風滿足新風需求，這種方式難以有效通風換氣，同時對室內人體熱舒適性和空調能耗有較大影響，因此解決辦公建筑新風換氣問題對人體健康和建筑節(jié)能有著重要的意義.處理室外新風需要較大的空調能耗，目前利用各種換熱器回收室內排風能量預冷(熱)新風在工程運行中具有廣泛的應用，但這種方式對新風的處理能力有限，不能實現主動制冷和制熱[1].

熱電制冷技術依靠空穴和電子在運動中直接傳遞熱量，結構緊湊，體積小，維護簡單，安全性能好，可分散供電，改變電流方向即可實現反向加熱，易于恒溫控制，與壓縮制冷相比，沒有機械轉動部件，無需制冷劑，無噪聲，無污染，可靠性高，壽命長[2-3].隨著太陽能驅動的熱電產品逐步出現，太陽能熱電技術逐漸成熟，如太陽能熱電冰箱[4]、太陽能熱電墻體[5]、太陽能熱電制冷制熱系統(tǒng)[6]等.本文在熱電熱泵熱力學分析的基礎上，設計了一種由光伏組件、蓄電池、熱電新風機等組成的太陽能熱電新風機.熱電新風機的輸入功率、光伏組件的發(fā)電功率、蓄電池的容量匹配是決定系統(tǒng)供電保障以及系統(tǒng)經濟性的重要因素.太陽能熱電新風機在各系統(tǒng)容量匹配合理的條件下，光伏組件發(fā)電即發(fā)即用，對室內排風余熱進行回收，實現對新風的主動制熱和制冷，不僅解決了辦公室新風換氣問題，而且有效地降低了建筑能耗.同時，提出了各系統(tǒng)的功率計算數學模型，并對各系統(tǒng)進行容量匹配.模擬了北京某辦公室7月21日至8月21日和1月1日至1月31日8:00至18:00太陽能熱電新風機的使用工況.

1 太陽能熱電新風機工作原理及系統(tǒng)構成

太陽能熱電新風機利用半導體的熱電效應,并將由太陽能光電轉換裝置所提供的直流電供給熱電堆, 從而達到制冷、供熱的目的.如圖1所示，該系統(tǒng)由光伏組件、蓄電池、熱電新風機、充放電控制器等構成.正常日照下光伏組件通過光電轉換效應將太陽能轉變?yōu)殡娔?，輸出直流?一部分可以直接供給熱電芯片, 另一部分由蓄電池儲存,維持陰雨天氣系統(tǒng)正常使用.在直流電流的作用下, 熱電新風機產生一邊冷一邊熱的熱泵效果.夏季，熱電新風機冷端對新風供冷；冬季，只需改變輸入電流的方向, 對新風制熱；充放電控制器使整個系統(tǒng)的能量供給始終處于匹配狀態(tài).

圖1 太陽能熱電新風機原理圖Fig.1 Schematic diagram of the solar-powered thermoelectric ventilator

2 太陽能熱電新風機系統(tǒng)容量匹配數學模型

2.1 熱電新風機的容量匹配數學模型

根據能量平衡和熱電制冷(制熱)熱力學基本理論，得該系統(tǒng)基本方程[7-8]，熱電新風機模型圖如圖2所示.

圖2 熱電新風機模型圖Fig.2 Model diagram of the thermoelectric ventilator

夏季冷端空氣吸收的冷量Qc為：

Qc=ρG(hout-hin).

(1)

冬季熱端空氣吸收的熱量Qh為：

Qh=CpρG(Th-Ths).

(2)

熱電新風機的制冷量Qc和制熱量Qh為：

(3)

(4)

熱電新風機的工作電壓為：

U=N[α(Th-Tc)+IR].

(5)

熱電新風機的輸入功率為

(6)

式中：α為熱電熱泵的熱電系數(塞貝克系數)，為0.052 V/K；R為電阻，為2.45 Ω；K為熱傳導率，W/(m·K)；I為熱電熱泵的工作電流；Th為熱電熱泵熱端溫度，K；Tc為熱電熱泵冷端溫度，K；(Th-Tc)為冷熱端溫差，K；N為熱電芯片個數.

新風機冷端熱管散熱器和熱端熱管散熱器傳熱方程為：

Tc=Tcs-Qc·Rcs,

(7)

Th=Ths+Qh·Rhs.

(8)

制冷系數：

(9)

式中:Pf為風機功率.

2.2 光伏發(fā)電量計算匹配模型

根據電子學理論，光伏電池等效電路如圖3所示.[9-10]

圖3 光伏電池等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit of the solar cell

根據圖3，忽略結電容Cj，可以得到光伏電池的I-V特性曲線方程為

(10)

式中:IL為光電流,A；I0為反向飽和電流,A；q

為電子電荷, 1.6×1019C；K為玻爾茲曼常數,1.38×10-23J/K)；T為絕對溫度,K；A為二極管因子；Rs為串聯電阻,Ω；Rsh為并聯電阻,Ω.在式(10)的基礎上，對電路模型簡化處理，得出:

(11)

該模型只需要提供4個重要的技術參數Isc,Voc,Im和Vm，可以在一定的精度下復現太陽能電池的特性.任意光照S和溫度T條件下：

(12)

任意條件下的太陽能電池溫度為

T=Tair+KS.

(13)

式中:S為太陽輻射強度，W/m2；Sref=1 000W/m2,為參考太陽輻射強度；Tref=25℃,為參考電池溫度；e為自然對數底數；補償系數a=0.002 5/℃，b=0.000 5/ (W/m2)，c=0.002 88/℃；K取0.03.

光伏組件的輸出電能Ppv(t)與負載功率P(t)應滿足：

Ppv(t)>P(t).

(14)

本文采用的光伏組件參數見表1.

2.3 蓄電池的容量匹配模型

蓄電池的容量設計應能滿足在一定的日太陽輻射變化量下儲存保證熱電新風機用電所需的電能.其目標為在一定負荷條件下保證系統(tǒng)能量的平衡，且光伏系統(tǒng)的能量利用率較高.蓄電池在蓄/放電的過程中，用荷電狀態(tài)參數SOC(t)反映蓄電池剩余能量的大小，其取值范圍為SOCmin≤ SOC(t)≤SOCmax，其中SOCmax和SOCmin分別為蓄電池的允許荷電狀態(tài)上限和下限[11].

表1 光伏組件參數

蓄電池的容量CB滿足[12]：

(15)

式中：E為連續(xù)陰雨天氣熱電新風機最大消耗的功率，W；θm為蓄電池的最大放電深度，一般取0.8；ξ為線路損失系數，取0.05；γ為溫度系數，取0.9；ηBA為蓄電池的安時效率，取1.2.

3 太陽能熱電新風機算例結果與分析

本文模擬辦公室的計算參數：新風量為90m3/h；夏季室外空氣相對濕度為60%，室內空氣溫度為26 ℃，相對濕度為55%；冬季室內空氣溫度為18 ℃.熱電芯片型號為TEC1-12706；最大工作電壓、最大電流分別為15.4V，6A，共計36片；光伏板數量為4件；風機功率為18W，額定流量100m3/h.

3.1 夏季數據分析

圖4所示為夏季光伏組件發(fā)電量Ppv與室外空氣溫度T和太陽輻射量S的關系；新風負荷Q，熱電新風機的輸入功率P和制冷量Qc以及COP，蓄電池的蓄(放)電量與室外空氣溫度T的關系.

圖4 夏季數據分析曲線圖Fig.4 Data analysis diagram in summer

如圖4所示，室外空氣溫度T和太陽輻射量S均對光伏板的發(fā)電量有影響，但太陽輻射量S為主要因素，光伏組件發(fā)電量Ppv與太陽輻射量S呈正比；熱電新風機的輸入功率P和制冷量Qc與室外空氣溫度T呈正比；而COP與冷熱端空氣溫差和輸入電壓有關，室外溫度低于30 ℃時，熱電新風機COP與溫度呈正比，室外空氣溫度高于30 ℃時，熱電新風機COP與溫度呈反比，且熱電新風機平均COP達到2.50；根據新風負荷匹配熱電新風機、光伏組件及蓄電池的容量，在確定熱電新風機和光伏組件的容量后，通過蓄電池維持熱電新風機和光伏組件的能量平衡，蓄電池蓄(放)電量為光伏組件發(fā)電量Ppv與熱電新風機輸入功率P的差值，當光伏組件的發(fā)電功率大于熱電新風機的輸入功率，且SOC(t)< SOCmax時，蓄電池蓄電；當出現連續(xù)陰雨天氣時，蓄電池放電維持熱電新風機正常運行.在夏季模擬周期內，蓄電池在連續(xù)陰雨天氣最大的放電量為1.19 kW.

3.2 冬季數據分析

圖5為冬季光伏組件發(fā)電量Ppv與室外空氣溫度T和太陽輻射量S的關系；新風負荷Q，熱電新風機的輸入功率P和制熱量Qh以及COP，蓄電池的蓄(放)電量與室外空氣溫度T的關系.

圖5 冬季數據分析曲線圖Fig.5 Data analysis diagram in winter

如圖5所示，室外空氣溫度T和太陽輻射量S均對光伏板的發(fā)電量有影響，但太陽輻射量S為主要因素，光伏組件發(fā)電量Ppv與太陽輻射量S成正比；熱電新風機的輸入功率P和制冷量Qc與室外空氣溫度T呈正比；而COP與冷熱端空氣溫差和輸入電壓有關，由于熱電新風機為熱回收，室內外空氣溫差為影響COP的主要因素，冬季COP與室外空氣溫度呈反比，且熱電新風機平均COP達到3.02.出現連續(xù)陰雨天氣時，蓄電池放電維持熱電新風機正常運行.在模擬周期內，蓄電池在連續(xù)陰雨天氣最大的放電量為1.51 kW.

3.3 蓄電池選型

根據模擬數據,冬季連續(xù)陰雨天氣熱電新風機的最大消耗功率E為1.51 kW，由式(15)可得蓄電池容量，所采用的蓄電池參數見表2.

表2 蓄電池參數

3.4 系統(tǒng)成本分析

以本文所采用的新風量為90 m3/h的太陽能熱電新風機系統(tǒng)為例，根據市場價格進行投資費用分析.4片尺寸為1 482 mm×666 mm×35 mm的光伏組件價格為2 400元，蓄電池價格為1 500元，36片熱電芯片價格為360元，熱管、翅片和風機總計250元，控制器價格100元，系統(tǒng)總價4 610元，其中蓄電池占32.5%，光伏組件占52%，其他占15.5%.

4 結 論

1)本文提出了一種太陽能熱電新風機，由光伏組件、熱電新風機和蓄電池等組成.分析了光伏組件、熱電新風機、蓄電池三者之間的容量匹配關系，并建立了3個系統(tǒng)之間的容量匹配計算數學模型.

2)針對該太陽能熱電新風機，模擬了北京某辦公室7月21日至8月21日和1月1日至1月31日每天8:00至18:00太陽能熱電新風機系統(tǒng)的使用工況，光伏組件發(fā)電供熱電新風機使用，通過調節(jié)熱電芯片的輸入電壓，改變熱電新風機的制冷量和制熱量來滿足逐時變化的新風負荷要求；夏季和冬季連續(xù)陰雨天氣蓄電池最大放電量分別為1.19 kW 和1.51 kW；蓄電池蓄電量大于放電量，能滿足熱電新風機用電需求.

3)模擬周期內，系統(tǒng)能正常運行，夏季熱電新風機平均制冷COP達到2.50，冬季熱電新風機制熱COP達到3.02.

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Capacity Match of Solar-driven Thermoelectric Ventilator System

ZHANG Ling?, XIE Lei, LIU Zhongbing, MENG Fangfang, LUO Yongqiang

(College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

A solar-driven thermoelectric ventilator was designed, by adjusting the input voltage of the thermoelectric ventilator to adapt the requirement of fresh air load varied with times.The capacity matching relationships among PV modules, thermoelectric ventilator and battery were analyzed, and the corresponding numerical model was also developed.The working condition of thermoelectric ventilator for an office with a fresh air of 90 m3/h at 8:00 to 18:00 in Beijing from July 21stto August 21stand from January 1stto 31stwas simulated.The simulation results show that during the simulation period, the total output of PV modules was 94.24 kW, and the total electricity consumption of thermoelectric ventilator was 64.35 kW, the maximum power consumption of continuous rainy weather was 1.19 kW, and the system’s average cooling COP can reach 2.50 from July 21st to August 21st.The total output of PV modules was 50.29 kW, and the total electricity consumption of thermoelectric ventilator was 40.54 kW, the maximum power consumption of continuous rainy weather was 1.51 kW, and the system average heating COP can reach 3.02 from January 1st to 31st.

PV modules；thermoelectric ventilator；battery；capacity match；coefficient of performance (COP)

1674-2974(2017)07-0194-05

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.07.025

2016-06-02

國家自然科學基金資助項目(51178170), National Natural Science Foundation of China(51178170)；國家科技支撐計劃項目(2011BAJ03B07)，National Key Technology Support Program(2011BAJ03B07)

張泠(1969—)，女， 湖南長沙人，湖南大學教授，博士?通訊聯系人，E-mail：lingzhang@hnu.edu.cn

TU832

A