《Energy Conversion and Management》：Experimental investigation and analysis of a direct expansion photovoltaic-thermal heat pump system with optimized solar energy harvesting
编辑推荐：
本研究提出一种双轴跟踪光伏热电联产系统，通过数学模型和实验验证，发现该系统在平均辐射强度994.9W/m2、环境温度27.8℃条件下，较传统光伏系统提升电输出6.4%，热性能系数达5.9，热增益因子0.68，适用于建筑领域的高效可持续能源解决方案。
作者：姜珊 | 刘磊 | 陈浩 | 谢文涛 | 戴彦军
上海交通大学制冷与低温工程研究所，中国上海200240
摘要
将光伏（PV）和太阳能热能技术相结合为从传统能源向可再生能源转型提供了一条有前景的途径。本研究提出了一种新型的直膨式热泵系统，该系统集成了双轴跟踪光伏-热能（PVT）模块，以增强太阳能的收集效率。我们建立了一个全面的数学模型，详细阐述了直膨式PVT热泵系统的整个能量转换过程，从入射太阳辐射到系统的实际冷凝能力。该模型为评估主动跟踪和太阳能辅助热泵循环的协同效应提供了基本框架。为了提高该框架下太阳能收集的准确性，采用基于图像采集的跟踪策略来实现太阳跟踪，并自动补偿旋转偏差。通过对比实验验证了所提出的模型和系统的性能。实验结果表明，在平均入射辐射强度为994.9 W/m2、环境温度为27.8°C的条件下，与双轴光伏系统相比，该系统的电能产出提高了6.4%。在目标热水供应温度为50.0°C时，系统的平均热增益系数（HGF）为0.68，平均性能系数（COP）为5.9。在典型气象条件下的性能评估显示，该配置使日COP提高了4.3%-12.2%，证明了其作为高效且可持续的建筑集成电力和热能联产解决方案的潜力。
引言
近几十年来，全球能源消耗和二氧化碳（CO?）排放量的迅速增加导致了严重的环境污染和气候变化。为应对日益严重的能源危机和减缓全球变暖的需求，开发和利用可再生能源已成为全球优先事项。在2023年迪拜举行的第28届联合国气候变化大会（COP 28）上，198个国家的代表达成了具有里程碑意义的阿联酋共识，强调加快从化石燃料向可再生能源系统的转型，以实现净零排放，并将全球温度上升限制在1.5°C以内[1]。
在各种可再生能源中，太阳能已成为现代能源组合的重要组成部分[2]、[3]。由于其广泛的可用性和多样的应用潜力，太阳能技术已被广泛应用于建筑领域，以满足电力和低品位热能的需求[2]、[3]、[4]。根据其直接能量输出的性质，太阳能利用技术通常分为光伏（PV）和太阳能热能系统。然而，每种技术单独使用只能提供一种形式的能量，这在高效利用有限的城市安装面积方面带来了挑战。此外，特别是基于晶体硅电池的光伏模块，这种主流商业技术，其性能会随着温度的升高而显著下降。具体来说，电气效率通常会随着模块工作温度每升高1°C而降低约0.3%-0.5%[5]。
为了解决这些限制，1976年提出了光伏-热能（PVT）技术，该技术通过在光伏模块背面集成热回收组件来实现电力和热能的同时生成[6]。这种配置不仅降低了太阳能电池的工作温度，还回收了废热以供热能利用。通过集成光伏和热能收集元件，PVT系统相比独立解决方案显著提高了整体太阳能转换效率[7]、[8]、[9]，突显了其在建筑应用中实现高效电力和热能联产的潜力，以及带来的经济和环境效益[8]、[10]、[11]、[12]、[13]。
目前关于PVT系统的研究主要集中在三个领域。一个关键方向是优化组件设计和模块架构，以提高整体太阳能转换效率[14]、[15]、[16]。另一个重要领域是探索PVT与互补可再生能源（如地源热泵系统）的集成[11]。此外，大量研究工作致力于PVT技术的控制策略及其在终端应用领域的应用，特别是在建筑能源系统方面[8]、[10]、[12]、[13]、[17]、[18]。太阳能跟踪PVT系统通过不断调整方向来最大化入射太阳辐射，从而提高电力和热能输出[19]。已经进行了大量关于跟踪PVT系统开发的研究，其中集中式PVT配置是研究最广泛的类型。Rosell等人[20]提出了一种低倍聚光PVT系统，该系统结合了线性菲涅尔聚光器和通道式PVT集热器，在超过六倍太阳聚光比的情况下实现了超过60%的整体效率。Liu等人[21]评估了不同旋转轴的单轴跟踪PVT系统的性能，而Abd-Elhady等人[22]实验研究了由两个平面镜反射器和滚压结合热交换器组成的双轴跟踪PVT系统。结果表明，与传统面板相比，其相对电气效率提高了高达40%。集中式PVT模块还被集成到建筑百叶窗中，同时充当遮阳装置和发电组件[23]。尽管集中式配置有效减少了角度不匹配造成的损失，从而提高了电力输出，但增强的太阳通量不可避免地增加了太阳能电池的工作温度，导致了一定的性能下降。为了解决这个问题，Ne?ovi?等人[24]提出了一种使用平板集热器的单轴跟踪PVT系统。研究发现，该跟踪系统的平均日特定有用热量比固定系统高8%。虽然基于水的PVT系统的温室气体排放影响相对较低，但它们通常提供的出口温度较低，这总是需要使用辅助热泵来达到实际的加热水平[25]。另一方面，使用具有低全球变暖潜能（GWP）的制冷剂的PVT系统也可以获得相对有利的环境回报时间[26]、[27]。Zheng等人[28]研究了一种基于柔性分离热管的PVT系统的热性能，在最大倾斜角度组合下实现了53%的热效率。进一步的结构和填充比优化将热效率提高到了69.37%-79.71%[29]。尽管取得了这些进展，但由于太阳辐射的间歇性，基于热管的系统仍然容易不稳定[30]。为了解决这些问题，提出了直膨式PVT热泵系统作为集成解决方案，将PVT模块与直膨式太阳能辅助热泵结合在一起。在这种配置中，PVT模块同时充当太阳能集热器和蒸发器，能够回收和提升废热至适合家庭热水或住宅供暖的应用温度。总体而言，表1总结了相关出版文献中的关键发现。
以往的研究忽视了直膨式PVT热泵系统中整个能量转换过程的机制。深入理解这一过程对于优化PVT模块设计和开发有效的PVT热泵系统运行策略至关重要。为了填补这一空白，本研究提出了一种新型的双轴跟踪PVT热泵系统，旨在提高综合太阳能收集效率。我们建立了一个全面的数学模型，描述了从入射太阳辐射到最终冷凝能力的整个能量转换过程。在这一理论框架的指导下，制造了一种新型的双轴跟踪PVT热泵系统，该系统采用了基于图像采集的闭环控制策略，自动补偿旋转偏差，确保高精度的轨迹跟踪。通过与传统光伏系统的对比研究，评估了电能产出的增益。这项工作为直膨式PVT热泵系统在可持续建筑应用中高效联产电力和热能提供了理论基础和实证基准。
系统描述
系统描述
图1展示了所提出的双轴跟踪PVT热泵系统的示意图，该系统旨在为住宅建筑高效供应电力和家庭热水。如图1(d)所示，双轴跟踪PVT模块同时作为太阳能集热器，吸收入射辐射的热能，并在热泵循环中作为蒸发器使用，其中R134a作为工作制冷剂。多层结构和视图...
数学模型
本节开发了一个全面的能量转换模型，描述了所提出系统中的整个能量路径，包括从入射太阳辐射到PVT模块内的能量损失，最终到PVT热泵系统的冷凝能力。该模型包含一个太阳几何子模型，用于计算太阳高度角和方位角，从而精确确定太阳光谱辐射分布...
实验和模型验证
本节首先提供了测试装置的概述以及所有设备和测试仪器系统的详细设计规格。基于数据采集系统，可以计算出第4.2小节中提到的关键评估指标。第4.3小节验证了第3节中展示的数学模型的准确性。
结果与讨论
本节基于仿真和实验结果，概述了所提出系统的运行性能。根据第3节中的数学模型，分析了环境条件对系统性能的影响，特别关注了典型夏至日的详细能量流动情况。此外，还分析了系统在各种季节下的日能量分布和整体性能...
结论
本文提出并实验研究了一种新型的双轴跟踪PVT热泵系统，用于高效联产电力和热能。在上海建立了原型测试装置，以验证系统的可行性和所开发数学模型的准确性。系统从入射太阳辐射能量到实际冷凝能力的整个能量流动路径得到了系统性的表征，特别关注了能量损耗...
作者贡献声明
姜珊：撰写——初稿、可视化、验证、软件、方法论、数据管理、概念化。刘磊：撰写——审稿与编辑、方法论、调查、数据管理。陈浩：方法论、数据管理。谢文涛：调查、数据管理。戴彦军：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了山东省重点研发计划（合同编号2024CXGC010705）和上海市科学技术委员会“高效低成本混合太阳能光伏-热能系统的关键技术及试点应用”项目（合同编号22dz1206200）的支持。作者还感谢“中国中央高校基本科研业务费”（AF0200316）的支持。
