太陽輻照強度對PVT太陽能光伏光熱效率的影響王彥龍;蔣綠林;劉凈凈;孫譽桐;操樂成【期刊名稱】《《工業(yè)安全與環(huán)?！贰贰灸?卷)，期】2019(045)010【總頁數(shù)】5頁(P98-102)【關(guān)鍵詞】輻照強度;板芯溫度;光伏效率;光熱效率;熱泵【作者】王彥龍;蔣綠林;劉凈凈;孫'譽桐;操樂成【作者單位】常州大學(xué)石油工程學(xué)院江蘇常州213016【正文語種】中文0引言當(dāng)今世界的主要能源依然以煤、石油、天然氣等一次能源為主。同時，煤、石油、天然氣等這些一次能源的儲量正在急劇下降，我國是世界能源生產(chǎn)和消費大國，且能源儲量不容樂觀［1］，因此，為解決世界能源危機，探索新能源和開發(fā)可再生能源在未來一段時間都將具有重要的意義。太陽能作為一種新能源，有著普遍、無害、長久、巨大的優(yōu)點［1］；每年到達(dá)地球表面的輻射大約有5.57x1018MJ,相當(dāng)于190萬t標(biāo)準(zhǔn)煤；我國是亞洲面積第一大國，主要氣候以溫帶和亞熱帶為主，因此具有較為豐富的太陽能資源。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，中國年太陽輻照總量大約為3.35x103MJ［2］。現(xiàn)階段對于太陽能的利用主要集中在太陽能集熱和太陽能光伏發(fā)電，將太陽能光熱和光伏與熱泵結(jié)合為一體的技術(shù)也逐漸走向人們的視野。Kern和Russell［3］最早于1978年提出太陽能光伏光熱一體化應(yīng)用（簡稱PVT）技術(shù)，該技術(shù)是在光伏板的背面鋪設(shè)流體管道，由流體帶走光伏發(fā)電所產(chǎn)生的熱量，并將這部分熱能回收利用，同時產(chǎn)生熱和電兩種效益。Huang等［4］以光電光熱綜合效率作為PVT熱水系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行，實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)的日平均熱效率達(dá)38%，光熱光電綜合效率達(dá)60%。Chaturvedi等［5-8］大多國內(nèi)夕卜研究者相繼對這種太陽能熱泵熱水系統(tǒng)進(jìn)行研究，并且取得了大量的成果。本文將對結(jié)合熱泵運行的光伏光熱系統(tǒng)進(jìn)行試驗及理論研究，討論太陽輻照強度對光伏光熱效率的影響，以達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)運行效果的目的。1試驗原理及主要裝置該系統(tǒng)將太陽能PVT光伏集熱器與水源熱泵進(jìn)行結(jié)合運行，系統(tǒng)主要分為兩個部分，第一部分為太陽能PVT光伏光熱部分，PVT作為水源熱泵的低溫?zé)嵩?，并且為熱泵壓縮機輸出一定的電能；系統(tǒng)有兩個循環(huán)，第一個循環(huán)為太陽能PVT端的循環(huán)，以非直膨式太陽能集熱器為原型，PVT太陽能集熱器為液冷式集熱器，流體通過PVT集熱器將溫度提升至20^左右，再流經(jīng)熱泵蒸發(fā)器進(jìn)行熱量交換將熱量傳遞至熱泵端，流出蒸發(fā)器的低溫流體將再次流經(jīng)PVT集熱器進(jìn)行集熱形成—個循環(huán)；第二個循環(huán)為熱泵端循環(huán)，得到低溫?zé)嵩吹闹评鋭┙?jīng)過壓縮機壓縮之后成為高溫高壓的制冷劑氣體，再流經(jīng)熱泵冷凝器進(jìn)行冷凝放熱，最后流過節(jié)流閥再次流至蒸發(fā)器進(jìn)行吸熱。本文主要將PVT太陽能作為熱泵的低溫?zé)嵩囱b置進(jìn)行初級熱量的吸收并產(chǎn)生電能；本文實驗系統(tǒng)裝置主要由PVT太陽能光伏光熱板、壓縮機、板式換熱器、電子膨脹閥、循環(huán)水泵等組成（圖1）。采用常州?？ㄌ柲軣岜糜邢薰旧a(chǎn)的PVT太陽能板，尺寸為2000x1000x350mm,該PVT太陽能集熱板額定發(fā)電量為320W，額定制熱量為760W，循環(huán)水流量最大為393kg/h，設(shè)計出水溫度20C1-PVT太陽能光伏集熱器；2-循環(huán)水泵;3-蒸發(fā)器;4-壓縮機;5-冷凝器;6-節(jié)流閥;7-末端；8-板芯溫度測試點;9-電流電壓測試點;10-進(jìn)口溫度測試點;11-出口溫度測試點;I-太陽能PVT光伏光熱系統(tǒng);口-二級熱源熱泵系統(tǒng)圖1系統(tǒng)原理及裝置圖2實驗方法及測試點介紹本文選取常州地區(qū)2018年11月份晴天和多云天氣兩個典型氣象日進(jìn)行試驗，試驗時間為8:00-17:00，根據(jù)當(dāng)?shù)鼐暥扰c太陽角，設(shè)置PVT板安裝傾角為52°;試驗測試裝置包括JK-16U多路巡檢儀、SWP-ASR200無紙記錄儀、測量太陽輻照強度的輻射量采集儀、水流量測量用渦輪流量計、電流表、電壓表等，太陽輻照測量儀放置在與PVT板相同斜度的斜面上。本實驗分晴天工況與多云天氣兩個工況進(jìn)行，分別選取晴天和多云天的太陽輻照情況進(jìn)行對比，探究太陽輻照的變化對PVT集熱器進(jìn)出口流體溫度、板芯溫度、輸出電功率的影響，從而得出輻照強度的變化對光伏光熱效率的影響，用來評價系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。本實驗測試點主要為PVT太陽能集熱板流體進(jìn)出口溫度、PVT板輸出電功率、實驗時段水平面太陽能輻照強度以及集熱板板芯溫度等。3理論計算3.1太陽角太陽輻照強度一般是指太陽投射到水平面上的輻照強度，而通常太陽能板的放置與水平面形成一定的傾角，斜面上太陽輻照強度的變化受太陽角變化的影響，下面通過半經(jīng)驗公式計算太陽角及斜面上的太陽輻照強度：cos0=cos^cos8coww+sin^sin8(1)8=0.36-22.96cos(0.9856n)-0.37cos(2x0.9856n)-0.15cos(3x0.9856n)+4sin(0.9856n)(2)w=15x(12-Ts)(3)Ts=Tis+E+4x(Lsm-Li)(4)式中，。為太陽天頂角，°；中為緯度，°；8為太陽赤緯角，°；w為時角，°；Ts為24h下的真太陽時，h；Tis為當(dāng)?shù)氐臉?biāo)準(zhǔn)時間，時和分；E為時差，分；Lsm為當(dāng)?shù)貢r區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)子午線精度，°；Li為當(dāng)?shù)亟?jīng)度，°。3.2斜面上的太陽輻照強度太陽集熱器一般是朝南一定角度(在北半球)放置，為了計算在給定的時間內(nèi)落在集熱器上的太陽輻照量，必須把水平面上的太陽輻照量換算到任意方向上，下面將通過公式計算斜面上的太陽輻照強度。受照斜面上的總輻照強度為：Iz=ID+IS+IF(5)ID=IHD[sin8sin(^-P)+cos(^-P)cos^cos0](6)(7)(8)式中，IS為斜面太陽散射輻照強度，W/m2；IF為斜面太陽反射強度，W/m2；ID為斜面太陽直射輻照強度，W/m2;IHD為水平面太陽直射輻射強度，W/m2;IHS為水平面太陽散射輻照強度，W/m2；B為集熱器安裝角，取60°;p為地面反射率。4實驗及結(jié)果分析試驗內(nèi)容主要包括兩個工況，晴天及多云天氣工況下太陽輻照強度對PVT運行時光伏集熱板溫度、進(jìn)出水溫度、輸出電流電壓等的影響。測試日的氣象數(shù)據(jù)由下圖2可知，輻照強度的峰值出現(xiàn)在13:30左右，多云天氣輻照強度比晴天較為緩和，晴天輻照峰值1056W/m2，多云天氣輻照峰值可達(dá)到876W/m2。由圖3可知PVT太陽能光伏集熱版的進(jìn)出口水溫的變化，8:00左右出口溫度較低是由于早晨太陽輻照強度較弱且測試設(shè)備初始運行的緣故；出口溫度峰值出在13:00左右,此時進(jìn)出口溫差達(dá)到最大值。圖2晴天與多云天氣輻照強度變化曲線4.1實驗數(shù)據(jù)處理PVT太陽能集熱器光熱效率：nt=[qwcp(Tout-Tin)]/AcIZ⑼式中，qw為PVT太陽能集熱器循環(huán)水流量，kg/h;cp為水的定壓比熱，J/(kg%);Tout為集熱器出水口溫度，°C;Tin為集熱器進(jìn)水口溫度，°C;Ac為PVT集熱板的面積，m2。圖3PVT光伏集熱板進(jìn)出口水溫PVT太陽能瞬時光電效率：r|e=UI/AeIZ(10)式中，U、I分別為PVT太陽能集熱器的輸出電壓和電流值，V、A;Ae為光伏電池板的面積，m2。光伏光熱總效率：q0=qt+qe(11)光伏光熱綜合效率：(12)式中,np為常規(guī)活力發(fā)電廠的發(fā)電效率，取0.38。4.2理論計算太陽輻照強度與實際測量對比太陽輻照強度受天氣、云層等不穩(wěn)定因素的影響變化較大，從而直接影響太陽能集熱蒸發(fā)器工作的穩(wěn)定性［9］。如圖4所示，為太陽輻照強度在測試時間段內(nèi)的變化幅度，由兩個工況下的太陽輻照強度實測曲線可看出，輻照強度在正午時刻逐漸到達(dá)峰值；由圖可以看出理論計算下的太陽輻照在12:00左右到達(dá)峰值為641.08W/m2，而理論計算之下的輻照強度雖然在正午時刻也到達(dá)峰值，但比實測輻照強度較為緩和，是因為理論計算時大氣透明指數(shù)、地面反射率等參數(shù)都以年平均值作為參考值，失去了太陽輻照的波動性，所以在分析輻照強度對光伏光熱效率的影響時，以實測為主，理論計算為輔。4.3輻照強度與板芯溫度光伏板板芯溫度受太陽輻照強度影響較大，但是板芯溫度的升高又是導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率下降的主要原因，電池板芯溫度每上升1°C,光電轉(zhuǎn)換效率下降0.3%~0.5%［10］；由圖5和圖6可以看出在輻照強度出現(xiàn)峰值之前，板芯溫度隨著輻照強度的增強而上升，在輻照強度到達(dá)峰值之后趨于平緩；這是因為初始時由于早晨太陽輻照強度較低，光伏電池組接收到的太陽光照較少，所以板芯溫度較低；在達(dá)到峰值之后板芯溫度沒有再持續(xù)上升而是趨于平緩是由于光伏集熱器設(shè)計出水溫度為20°C,在光伏電池組件下面鋪設(shè)的流體管道通過換熱帶走這部分熱量，即達(dá)到給板芯降溫，帶走熱量進(jìn)行下一級利用，又解決了由于板芯溫度過高而導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)化效率下降的問題，這也說明光熱轉(zhuǎn)化效率較高且穩(wěn)定；板芯溫度峰值出現(xiàn)在13:30，晴天工況下可達(dá)到23C,多云天氣工況下峰值可達(dá)到22C。圖4太陽輻照強度理論計算與實測對比圖圖5晴天工況下輻照強度與板芯溫度的變化曲線圖6多云工況下輻照強度與板芯溫度的變化曲線4.4輻照強度對光熱效率與光電效率的影響圖7是晴天工況下取自8:00~13:30的光電效率和光熱效率隨輻照強度變化曲線圖，由圖可以看出，晴天工況下光熱效率隨著輻照強度的增加逐漸降低，而光電效率隨著輻照強度的增加逐漸升高，光電效率和光熱效率最小值分別為0.36%、71.67%，平均值分別為4.17%、129.93%；光熱效率之所以隨著輻照強度的增強而降低是因為到正午輻照強度較高時環(huán)境溫度也較高，此時板芯溫度也較高，集熱器出口水溫增加，集熱器帶走大部分熱量的同時對外散失的熱量也增加，由此導(dǎo)致光熱效率出現(xiàn)偏低的現(xiàn)象；而光電效率隨著輻照強度的增強逐漸增大，在經(jīng)過峰值之后下降趨勢比較緩慢，是由于實驗開始時，輻照強度較弱，板芯太陽能電池板輸出的電流電壓較低，此時無法直接供二級系統(tǒng)壓縮機正常使用，因此此時壓縮機用電網(wǎng)供電。圖7晴天工況下光電效率和光熱效率隨輻照強度的變化曲線圖8是多云天氣工況下取自8:00~13:00時段的光電效率與光熱效率曲線的變化曲線圖，由圖9可以看出，光熱效率和光電效率的最小值分別為79.76%、0.017%，平均值分別為123.01%、2.76%，光電效率與光熱效率的變化趨勢與晴天工況相似，但平均水平低于晴天工況，由于云層等不穩(wěn)定因素對輻照強度的影響，輻照強度變化波動較大，引起光熱轉(zhuǎn)化效率與光電轉(zhuǎn)化效率也隨之產(chǎn)生波動。圖8多云天氣工況下光電效率和光熱效率隨輻照強度的變化曲線由圖7和圖8可以得出，光熱效率與光電效率都隨著輻照強度變化而變化，除極端天氣(陰、雨、雪天氣)外，太陽能集熱器都能夠獨立的作為熱泵的低溫?zé)嵩催M(jìn)行運行，太陽光熱效率較高且穩(wěn)定；在設(shè)計集熱器出水溫度為20°C時，PVT太陽能光伏也具有較高的電收益，較好的解決了光電效率因溫度升高而降低的問題；縱觀輻照強度對光伏光熱效率的影響，系統(tǒng)光伏效率遠(yuǎn)大于光電效率，在極端天氣情況下，系統(tǒng)在水源熱泵壓縮機的工作下仍然可以正常運行，但PVT太陽能無法持續(xù)產(chǎn)生足夠供壓縮機正常運行的電能；因此在系統(tǒng)實際投入時主要收益以光熱為主。4.5PVT系統(tǒng)總效率與綜合效率熱能和電能是兩種不同品位的能源，電能的品位高于熱能，因此HuangB.J等學(xué)者提出光電熱綜合效率和總效率來評價PVT太陽能集熱器的綜合性能［1］。由圖9和圖10晴天與多云天氣系統(tǒng)總效率與綜合效率可以看到，光伏光熱總效率與綜合效率變化趨勢基本一致，在機器啟動運行初期光伏光熱總效率與綜合效率曲線基本重合，總效率與綜合效率相同，是因為機器運行初期光電效率較低，結(jié)合式(11)和式(12)可以得出當(dāng)光電效率較低時，光熱總效率與綜合效率大致相同。由圖9和圖10還可以看出引入總效率與綜合效率來評價系統(tǒng)性能時，綜合效率略大于總效率，這是由于電能熱能是兩種不同品位的能量，在做效率分析引入綜合效率是考慮了電能是高品位能的因素；整個系統(tǒng)受輻照強度影響較為明顯。圖9晴天工況下PVT系統(tǒng)效率曲線5結(jié)論本文主要針對不同工況下PVT太陽能光伏光熱效率進(jìn)行試驗研究，研究表明：太陽輻照強度的變化會影響太陽能PVT光伏光熱板的板芯，繼而影響光伏光熱效率，輻照強度越大，板芯溫度越高。輻照強度引起的板芯溫度變化，從而使光伏光熱效率發(fā)生變化，輻照強度越大，光熱效率反而逐漸降低，光電效率逐漸升高。圖10多云天氣工況下PVT系統(tǒng)效率曲線⑶PVT系統(tǒng)光熱效率遠(yuǎn)大于光伏效率，當(dāng)輻照強度較低時，太陽能光伏產(chǎn)生的電能無法獨立供系統(tǒng)使用。(4)系統(tǒng)綜合效率大于總效率，由于電能與熱能的品位不同，系統(tǒng)效率以光熱效率為主，系統(tǒng)總效率和綜合效率與輻照強度呈現(xiàn)逆變化趨勢。參考文獻(xiàn)【相關(guān)文獻(xiàn)】王崗.新型PV/T-空氣雙熱源復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)性能研究[D].北京:北京工業(yè)大學(xué),2014.劉偉鋒.太陽能一空氣復(fù)合熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)研究[D].濟(jì)南：山東建筑大學(xué),2011.KernEC,RussellMC.Combinedphotovoltaicandthermalhybridcollectorsystems[C].IEEEPhotovoltaicSpecialistsConference，1978，13:1153-1157.BJHuang,THLin,WCHung,etal.Performanceevaluationofsolarphotovoltaic/thermalsystems[J].So