Исследователи разработали фотоэлектрический тепловой насос с одним интегрированным испарителем

На сайте инверторы ру, вы можете купить аккумулятор FIAMM FG 21202

Фотоэлектрический тепловой насос (PVT) с двумя источниками энергии объединяет сбор солнечного тепла и тепла окружающего воздуха в одном ребристом испарителе, что устраняет необходимость в отдельных теплообменниках. По словам исследователей, упрощенная конструкция может снизить затраты на установку.

Исследовательская группа из Китая и Руанды разработала новый фотоэлектрический тепловой насос с прямым расширением (DX) и двумя источниками энергии (PVT), который сочетает в себе сбор солнечного тепла и тепла окружающего воздуха в одном ребристом испарителе, что устраняет необходимость в отдельных теплообменниках.

Их тепловой насос представлен в исследовательской работе «Тепловая эффективность двухкомпонентного фотоэлектрического теплового насоса с потенциалом для декарбонизации энергетики зданий», опубликованной в журнале Results in Engineering.

Корреспондент-автор Эммануэль Бисенгимана рассказал, что основная новизна исследования заключается в архитектуре предлагаемой системы

«В отличие от традиционных систем с двумя источниками, для которых требуются отдельные и сложные солнечные и воздушные испарители, наша конструкция включает в себя один компактный ребристый фотоэлектрический/тепловой блок, который выполняет обе функции», — пояснил Бисенгимана.

Бисенгимана добавил, что это достигается за счет удаления задней изоляции стандартного фотоэлектрического коллектора и прикрепления полукруглых алюминиевых ребер к змеевику с хладагентом, что позволяет одновременно поглощать тепло солнечного излучения и окружающего воздуха. «Такая интеграция значительно снижает сложность конструкции, требования к пространству для установки и капитальные затраты, сохраняя при этом эффективную тепловую производительность», — подчеркнул он.

Работа системы была смоделирована на вычислительной платформе MATLAB с использованием конечно-разностной модели переходных процессов и хладагента R134a. Он состоит из абсорбера PVT размером 2 м × 1 м с монокристаллической фотоэлектрической секцией площадью 1,34 м², змеевика испарителя с оребрением из серпентинита, внутренним диаметром 8 мм и внешним диаметром 10 мм, компрессора, работающего со скоростью 2900 об/мин, расширительного клапана и змеевика конденсатора водяного бака длиной 10 м, внутренним диаметром 9 мм и внешним диаметром 10 мм.

Во время работы фотоэлектрические элементы вырабатывают электроэнергию, а коллектор одновременно поглощает тепло как от солнечного света, так и от окружающего воздуха, чтобы испарить хладагент R134a. Пар сжимается и направляется в конденсатор с водяным баком, где он отдает тепло для обогрева помещения или нагрева воды для бытовых нужд, а затем проходит через расширительный клапан и возвращается в испаритель PVT, чтобы цикл повторился. Выработанная электроэнергия проходит через солнечный контроллер и инвертор для использования, накопления или передачи в сеть.

Исследователи смоделировали работу системы в типичных зимних, весенних и летних условиях в Ибине, Китай. Они также изучили, как изменение интенсивности солнечного излучения (от 100 до 900 Вт/м²), температуры окружающей среды (от 2 до 33 °C), давления конденсации (от 12 до 20 бар) и массы водяного бака (от 7 до 24 кг) влияет на различные характеристики системы и коэффициент полезного действия (КПД).

По словам Бисенгиманы, самым обнадеживающим результатом стала стабильность системы и ее высокая эффективность в различных сезонных условиях.

«В условиях климата Ибиня система сохраняла удивительно стабильную COP в диапазоне от 5,2 до 5,38 в течение всего года, — рассказал Бисенгимана. — Кроме того, параметрический анализ выявил очевидный компромисс: хотя более высокая солнечная радиация увеличивает общую выработку энергии, она одновременно усиливает потери, связанные с температурой, снижая электрический КПД». С другой стороны, зимние условия с более низким уровнем солнечного излучения на самом деле способствовали повышению эффективности преобразования на единицу солнечной энергии за счет снижения тепловых потерь».

Моделирование показало, что температура поверхности фотоэлектрических элементов варьируется от 11 °C зимой до 53 °C летом, что соответствует электрическому КПД от 13,9 % до 15,4 %, в то время как тепловой КПД остается примерно на уровне 55 %. Пиковая мощность составляет около 230 Вт в электрическом и 1181 Вт в тепловом режиме, а максимальный коэффициент полезного действия при нагреве превышает 5. Повышение давления конденсации с 12 до 20 бар снизило коэффициент преобразования энергии с 5,3 до 3,3.

«Мы планируем несколько направлений дальнейших исследований, — добавил Бисенгимана. — В первую очередь мы сосредоточимся на двух ключевых областях: экспериментальной проверке прототипа интегрированного испарителя для подтверждения наших численных расчетов и разработке передовых стратегий управления для оптимизации работы гибридной системы солнечного и воздушного отопления, что позволит максимально повысить производительность системы в течение года». Долгосрочная цель — провести комплексный технико-экономический анализ и анализ выбросов углекислого газа, сопоставив систему с фактическими нагрузками на здание, чтобы точнее оценить ее потенциал для достижения статуса здания с нулевым балансом энергии (Net Zero Energy Building, NZEB)».

В исследовании приняли участие ученые из Юго-Западного университета Цзяотун в Китае и Университета Руанды.