光伏一体化的太阳能热泵热水器是建筑利用太阳能这种可再生能源和建筑节能降耗的有效装置。它使用光伏集热蒸发器实现光伏/光热一体化综合利用,达到较高的太阳能综合利用效率,且节约占地面积、有利于建筑一体化。本文构建的光伏一体化的太阳能热泵热水器能基本实现全年提供150L/50℃的生活热水,满足三口之家全年的生活热水需求。本文对光伏太阳能热泵热水器的重点问题,光伏管板式集热蒸发器的结构和性能优化、实时变容量控制系统和控制策略,进行了理论和实验研究。首先,建立了系统主要部件的数学模型,定义了以光伏集热蒸发器背板平均温度为基准的UL,给出了光伏集热蒸发板吸热量的详细计算式,光伏集热蒸发板模型同时适用于采用晶硅组件或玻璃基底的薄膜电池组件的光伏蒸发板。使用VisualBasic6.0编写了该系统的仿真运行程序。其次,采用一次能源节约效率评价光伏集热蒸发板的综合性能,以铜铟镓硒(CIGS)光伏管板式蒸发器为例,使用Visual Basic 6.0编写程序模拟分析管板式集热器的主要结构因素:蒸发管管内径、单管长和管间距对光伏集热器性能的影响。通过分析,减小蒸发管内径、减小管间距和增大管长均有利于提高光伏管板式集热器的热、电和一次能源节约效率。同时,减小蒸发管内径和增大管长时,流经集热板的制冷剂压降增大,设计时应控制其他局部阻力来保证性能。优化设计了单晶硅型管板式集热蒸发板,在南京地区搭建了基于PLC的变频光伏太阳能热泵热水器实验台,用4.32m2集热板搭配1HP工质R22的变频压缩机和150L保温水箱,可以实现系统空载、定频运行和受控变频运行,制取生活热水。根据多次定频运行试验和空载运行试验结果,检验了仿真运行程序和衍生的空载运行程序的精确性。接着,采用电子膨胀阀、变频压缩机、PLC、变频器、太阳总辐射表和热电偶等开发了光伏一体化的太阳能热泵热水器的实时变容量控制系统和相应的控制程序。制定了变容量控制策略的原则:对环境工况、运行频率分档进行策略制定;按各月理论辐射强度大于200W/m2的时长确定预定最大制热水时长;按照满足实时环境工况下制热水时长限制的实时最低运行频率运行。通过各工况、频率的模拟运行结果和控制策略原则制定了南京地区本实验台的控制策略表。针对高太阳辐射强度和低于环境温度的水箱初温时可能产生的蒸发压力和冷凝压力倒挂情况,制定了启动阶段的频率策略。定义“转换水温”为系统能以策略表拟定的最低运行频率运行的最低水箱温度。分析了实际自然环境工况下,由于气温日变化和辐射日变化峰值有时间差,系统启动时间对全天净发电量的影响。根据模拟发现,启动时间若较以正午12点为中心根据预测制热水时长确定的启动时间稍延迟,会有利于减少系统能耗,提高全天净发电量。本文的启动时间策略选择晴天推迟半小时启动系统。控制策略表、启动阶段的频率策略和启动时间策略构成了本文的综合控制策略。根据理论分析和模拟结果,证明当前光伏集热面积和水箱容积比的条件下,提高运行频率不利于增加全天净发电量,无法实现光伏直驱的太阳能热泵热水器。通过实时变容量运行试验,模拟对比其他两种变容量控制方式:按当月平均环境工况制定当月运行频率、按当天启动时的环境工况制定当天运行频率。结果显示构建的实时变容量系统达到了预期目的具有实用价值,且优于其他控制方式。根据各种工况下的实测数据,当晴天或多云天气时,系统制取150L/50℃生活热水的性能系数COP达到3.06～5.61;当阴天甚至有时有小雨的情况下,COP能达到2.68。