面向热带旅游住宿的光伏-电池供电空调系统的长期实验性能研究

《Solar Energy Advances》：Long-Term Experimental Performance of a PV–Battery-Powered Air-Conditioning System for Tropical Tourism Accommodation

　　

本研究介绍了一项光伏（PV）-电池供电空调（AC）系统在热带旅游住宿模拟器中的长期实验性能分析，其中制冷负荷代表了主要能源需求。实验系统由1.74 kWp单晶硅光伏阵列、3.6 kW混合逆变器、5.12 kWh LiFePO₄电池以及一台制冷容量为7000 BTU/h的定速分体式空调单元（作为主要制冷负荷）组成。研究人员通过基于物联网（IoT）的监测平台，对系统运行进行了为期六个月（2024年10月至2025年3月）的连续监测，以实现实时数据采集和长期运行观察。结果表明，PV-电池供电制冷系统实现了平均PV能量利用率（EUR）为83.64%，所有月度数值均保持在80%以上。最高EUR记录于2025年1月（90.36%），而最低值出现在2025年3月（80.33%），这是由于雨季太阳辐射减少所致。月度光伏盈余能量范围在13.9至27.5 kWh之间，表明存在集成额外负荷或扩大电池储能容量的机会。在运行六个月后进行的电池性能测试表明，LiFePO₄电池能够可靠地支持夜间空调运行约9–10小时，同时将电池荷电状态（SoC）维持在20%的最低水平。实验结果表明，在热带条件下，该系统具有稳定的长期运行性能和可靠的电池支持制冷性能。

**论文解读：面向热带旅游住宿的光伏-电池供电空调系统的长期实验性能研究**

**1. 研究背景与问题**

在全球范围内，建筑物是电力消耗的主要来源之一，尤其在热带地区，空调系统主导了与制冷相关的能源需求。旅游住宿建筑因其长时间运行、持续入住以及高舒适度要求，导致制冷电力消耗显著增加。研究表明，在热带气候下的酒店设施中，空调系统用电量可占总建筑用电量的40%以上。因此，在维持稳定室内热环境的同时，降低制冷相关电力消耗，成为热带旅游住宿应用面临的重要挑战。

太阳能光伏（PV）技术因其全年太阳能资源丰富，在支持热带建筑制冷电力需求方面获得了越来越多的关注。然而，日间光伏发电与夜间制冷需求之间的不匹配是主要的运行挑战。尽管逆变器空调系统已被广泛研究，但许多热带发展中国家的旅游住宿建筑仍因安装成本低、维护简便而主要使用定速分体式空调。因此，对光伏-电池供电定速分体式空调系统进行长期实验评估，对于热带制冷应用具有重要的实际意义。

现有研究多基于短期实验、模拟分析或组件级评估，缺乏对长期运行可变性的理解，特别是模拟方法缺乏在湿热热带条件下的连续经验验证。因此，研究人员开展了此项研究，问题聚焦于：在热带气候变异性下，光伏-电池供电空调系统能在多大程度上可靠地维持以制冷为主的运行？该研究旨在通过长期实验监测，评估光伏发电与制冷需求之间的能量平衡、运行性能、电池可靠性以及运行稳定性。

**2. 关键技术方法**

本研究采用了基于物联网（IoT）的监测平台，用于实现连续实时数据采集和长期运行观察。实验系统配置包括一个1.74 kWp的单晶硅光伏阵列、一个3.6 kW的混合逆变器、一个5.12 kWh的LiFePO₄电池，以及一个额定制冷容量为7000 BTU/h、额定功率为640 W的定速分体式空调单元。所有数据通过SOLARMAN云平台以5分钟间隔进行记录。系统性能评估主要基于光伏能量利用率（EUR）和电池放电可靠性等指标。

**3. 研究结果**

**3.1 数据收集与验证**
通过为期六个月的连续监测，研究人员获得了光伏发电与空调能耗之间的对应数据，表明系统运行稳定，且通过SOLARMAN IoT平台获得了可靠的长期数据采集。例如，2024年10月，光伏阵列发电166.0 kWh，空调消耗138.5 kWh，产生27.5 kWh的盈余能量，光伏能量利用率为83.43%。

**3.2 光伏系统性能与能量利用行为**
在整个监测期间，光伏系统产生的电能足以维持空调单元运行。月度光伏能量利用率（EUR）在80.33%至90.36%之间波动，平均值为83.64%。最高EUR出现在2025年1月，而最低值在2025年3月，这归因于雨季太阳辐射减少。总光伏发电量为815.0 kWh，空调需求为683.0 kWh，累计盈余能量为132.0 kWh。所有月度EUR均保持在80%以上，表明系统运行稳定。月度盈余能量范围为13.9至27.5 kWh，表明存在集成额外负荷的潜力。

**3.3 电池性能与可靠性**
5.12 kWh的LiFePO₄电池在实验期间表现出稳定且可重复的充放电行为。基于2025年3月三次代表性单日测试，电池可提供约3.75–3.998 kWh的交流侧可用能量，对应9.4–9.9小时的夜间空调运行，同时电池荷电状态（SoC）保持在20%以上。测试表明，在循环运行模式下，电池容量足以支持夜间制冷，但若空调连续满负荷运行，则运行时间会缩短。

**3.4 讨论与结论**
系统在六个月的监测期内稳定运行，月度EUR均超过80%，平均为83.64%，表明光伏发电与制冷负荷之间实现了良好匹配。电池测试验证了其在夜间支持空调运行的可靠性。与文献中报道的同类系统相比，本研究的性能具有竞争力，并提供了长期现场实验数据。研究结果对热带旅游住宿的节能设计具有实际意义，表明适当规模的光伏-电池系统可以有效地支持制冷运行，并减少对电网的依赖。研究结论如下：本研究通过现场实验评估了光伏（PV）-电池供电定速分体式空调系统在热带旅游住宿模拟器中的长期运行性能。在六个月的监测期内，集成系统运行稳定可靠，月度光伏能量利用率（EUR）持续超过80%，平均值为83.64%。这些发现证实，适当规模的光伏-电池系统可以有效支持热带环境下的制冷运行。分析还表明，系统性能受季节性气候变异性影响显著，尤其是太阳辐照度和环境条件。电池性能评估表明，5.12 kWh的LiFePO₄电池可可靠地支持夜间空调运行约9–10小时，同时将电池荷电状态（SoC）维持在20%的最低水平，从而在波动的太阳能可用性下维持稳定的夜间制冷运行。结果还表明，监测期间始终存在光伏盈余能量，提示存在集成额外负荷或扩大电池储能容量的机会。本研究为光伏-电池供电分体式空调系统在热带制冷条件下的长期运行稳定性、能量平衡行为和电池支持制冷可靠性提供了实验监测证据。