太陽(yáng)能光伏光熱一體化系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)研究摘要:太陽(yáng)能光伏光熱一體化系統(tǒng)(hybrid

p

hotovoltaic

-

thermal

solar

system

-

PVT

系統(tǒng))

作為一種利用太陽(yáng)能同時(shí)獲得電收益和熱收益的新型能源利用方式,近年來(lái)受到學(xué)者的廣泛關(guān)注。本文搭建了PVT系統(tǒng)電、熱性能綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái),通過(guò)全天實(shí)驗(yàn),分別研究和分析了系統(tǒng)的溫度特性與相對(duì)電效率的關(guān)系。結(jié)果表明,在日照條件較好,系統(tǒng)循環(huán)水溫較低的情況下,

PVT

系統(tǒng)的電效率與普通光伏電池相比可以提高約7

%。同時(shí),文章還分析了PVT系統(tǒng)內(nèi)水的溫度一天內(nèi)的變化情況,提出了在午后太陽(yáng)輻射強(qiáng)度逐漸減弱,環(huán)境溫度逐漸升高時(shí)如何保持PVT系統(tǒng)較高電效率的方法。關(guān)鍵詞:太陽(yáng)能;光伏光熱一體化系統(tǒng);實(shí)驗(yàn)研究;熱電收益Exper

imental

St

udy

of

Hybrid

Photovol

ta

ic

-

ther

mal

Solar

SystemAbstract

:A

new

type

of

energy

utilization

way

called

hybrid

p

hotovoltaic

-

thermal

solar

system

(

PV

T

sys2tem)

,

which

can

convert

solar

energy

into

bot

h

power

and

thermal

energy

at

the

same

time

,

becomes

muchmore

popular

recently1

In

view

of

this

point

,

a

hybrid

experimental

system

for

power

and

thermal

performanceof

PVT

is

established

inthis

paper

,

the

relation

between

temperatures

and

relatively

power

efficiency

is

studiedexperimentally1

The

results

indicate

that

,

the

PV

T

system

can

imp

rove

the

power

efficiency

by

7

%

relativelyunder

better

condition

of

sun

radiation

and

a

lower

temperature

of

circulating

water1

Meanwhile

,

the

change

ofthe

water

temperature

in

PVT

system

is

analyzed

and

a

met

hod

of

how

to

keep

a

high

level

of

power

efficiencyis

proposed

under

a

lower

solar

radiation

and

higher

environmental

temperature1Key

wor

ds

:solar

energy

;

PVT

system

;

experimental

study

;

power

benefits輸入光能的儲(chǔ)量無(wú)限性,越來(lái)越受到人們的青睞。0引言但是在其應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn),太陽(yáng)能電池的發(fā)電效率會(huì)隨著電池表面溫度的升高而降低,研究表明電池溫度每升高1

℃,相對(duì)電效率下降015

%。因此有人提出,將使電池溫度升高的熱量加以回收利用,既能使電池的溫度維持在一個(gè)較低的水平,又能得到額外的熱收益,于是太陽(yáng)能光伏光熱一體化系統(tǒng)(

hy2brid

p

hotovoltaic

-

thermal

solar

system

—PV

T

系統(tǒng))

應(yīng)運(yùn)而生

。針對(duì)這樣一種新型的能量利用系統(tǒng),許多人類(lèi)從地球上采集的能源有99198

%來(lái)自于太陽(yáng)能,據(jù)相關(guān)資料介紹,太陽(yáng)能到達(dá)地球的總輻射能量約為177

×1017

kW

,這些太陽(yáng)能中又有

30

%以光的形式被反射回宇宙〔1〕。而太陽(yáng)能光伏電池依靠其學(xué)者作了大量的工作。比較早期的研究對(duì)象為空冷面板,大部分是以冷卻太陽(yáng)電池為目的,但實(shí)際上即使增加了保溫措施,由空氣工質(zhì)收集到的熱量仍比較分散,難以利用,所以后來(lái)的研究更多集中在水冷面板上。在水冷面板方面,許多學(xué)者進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。De

Vries

和

Zondag

等制作的管板式電熱面板實(shí)際測(cè)量結(jié)果,電熱面板在保證較高電效率的同時(shí),能額外提供效率高于50

%的熱量,而且受溫度的影響采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方法,將

PV

T

組件與普通電池組件按60°傾角,朝南放置,離地面高度013

m。從太陽(yáng)輻射較穩(wěn)定的9∶30

到15∶30

,溫度采集系統(tǒng)每隔5

mi

n讀取、并記錄數(shù)據(jù)一次。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

PV

T

組件電池背板的溫度變化?！?〕〔3〕要低于傳統(tǒng)電池板

。Huang

等學(xué)者則采用了集熱板內(nèi)置流道的方案,并且將集熱板的材料由銅換成了廉價(jià)的聚碳酸脂波紋板

。在由該面板(不保溫)和保溫水箱、水泵、管道組成的系統(tǒng)中,測(cè)量結(jié)果顯示電池的最高溫度為

52

℃,僅與水箱內(nèi)的水相差4

℃以?xún)?nèi)

。季杰

、程洪波等設(shè)計(jì)了一套建立在家用扁盒式鋁合金平板型太陽(yáng)熱水器基礎(chǔ)之上的自然循環(huán)式PVT

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)在具有較高的整體效率的同時(shí)還可以得到溫度較高的熱水〔4

-

7〕?；谇叭说幕A(chǔ),本文針對(duì)光伏光熱一體化組件,即

PVT

系統(tǒng)的相對(duì)發(fā)電效率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)論證,計(jì)算不同環(huán)境溫度,進(jìn)口溫度下

PVT

組件的相對(duì)電效率,期望對(duì)后續(xù)工作有所啟發(fā)。圖3

測(cè)試系統(tǒng)示意圖1實(shí)驗(yàn)裝置介紹PVT

系統(tǒng)綜合性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建在上海理工大學(xué)太陽(yáng)能樓二樓平臺(tái)上,全天可以接受良好的太陽(yáng)輻射,系統(tǒng)共有兩塊外觀相同的太陽(yáng)能電池板,其中一塊是安裝了集熱器的PVT

組件如圖1

和圖2

所示。圖4

實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖選取2008

年11

月18

日中午11∶00

到13∶00

的數(shù)據(jù)列表1、2

,這一時(shí)段的太陽(yáng)輻射達(dá)到了一天中的最大值,而后由于天空少量云層的遮擋,使得

PV

T組件的集熱器變成了保溫裝置,影響

PV

T

系統(tǒng)的光電效率

。因此將這兩部分?jǐn)?shù)據(jù)分別單獨(dú)考慮

。其中組件的平均溫度為組件背板四個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度的平均值,系統(tǒng)循環(huán)水流量為100

L/

h。圖1

集熱器的局部截面圖表1

10∶59～11∶49

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(單位:

℃)進(jìn)口水

出口水

PVT

組件普通組件

環(huán)境溫

組件溫差時(shí)間溫

Tin

溫

T

平均溫度

T

平均溫度

T

度

TaTn-

Tp141014121515151316171714outpn10∶59

191211∶04

181711∶09

191011∶14

191611∶19

201311∶24

2113251629122911281128182819281443124313431544114515451814131219131913191317141423182310231123142319圖2

PVT組件結(jié)構(gòu)示意圖11111111∶29

22

211∶34

231311∶39

241011∶44

241111∶49

241324

6251325192616271230

0301330123116321444

4421142174317431814

7131414151412141114

51118121512111113實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)如圖3

,包括8

個(gè)溫度測(cè)點(diǎn),開(kāi)路電壓,短路電流測(cè)試部分

。為了考察電池背板被冷卻的均勻程度,在電池板的長(zhǎng)度方向上分別布置了4

個(gè)熱電偶,以便對(duì)比

。表2

11∶54～12∶59

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)口水

出口水

PVT

組件(單位

℃)線性變化。其光伏發(fā)電效率隨溫度變化的系數(shù)θpv=

015

%

K-

1

。因此,對(duì)于溫度高于標(biāo)準(zhǔn)工況

25

℃(

Tref

=

25

℃)

時(shí),光伏組件的光電效率表達(dá),如下普通組件

環(huán)境溫

組件溫差時(shí)間溫

Tin

溫

T

平均溫度

T

平均溫度

T

度

TaoutpnTn

-

Tp71071481991481991881051471671371261371661311∶54

241311∶59

241412∶04

241512∶09

241512∶14

241612∶19

241812∶24

241912∶29

251212∶34

251612∶39

261012∶44

261412∶49

261412∶54

261812∶59

27102710311230183116311831173118311630153016311832123118311732163813381240154112401641163917351938123912391438123913381912191310141513151219131913191316141513181319151215131419η=η

ref

×[1

-

θ(Tpv-Tref)

](1)2616261827112712271427112711271127172811281028132817pv由圖7

可以看出,環(huán)境溫度與

PV

T

電池組件的溫差在11

:00～13

:00

逐漸增大,因?yàn)椴粩嘌h(huán)的水溫度在升高。這就說(shuō)明,對(duì)于未經(jīng)過(guò)保溫處理的PVT電池組件,其發(fā)電效率受到環(huán)境影響較小。較低的環(huán)境溫度可以改善普通組件的散熱條件,因此其相對(duì)發(fā)電效率的提高值會(huì)降低。在正午之前,天空晴朗少云,且集熱器進(jìn)口水溫較低,此時(shí)可以看到

PVT

組件相對(duì)于普通電池組件的優(yōu)勢(shì)。經(jīng)計(jì)算在11∶00～12∶00

之間,

PVT

組件與普通組件的平均溫差為14112

℃。隨著中午時(shí)分天空中少量云層的遮擋,太陽(yáng)輻射減弱,太陽(yáng)電池背板的溫度下降,普通電池組件由于受到環(huán)境風(fēng)的冷卻作用,溫度開(kāi)始下降

。PVT

電池組件由于有集熱器的保溫作用,溫度波動(dòng)不大

。因此雖然兩者的平均溫差有所減少,但PVT組件能夠維持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的溫度,以保持電功率的穩(wěn)定輸出。圖5

平均溫度隨時(shí)間變化情況圖6

集熱器進(jìn)出口水溫隨時(shí)間變化情況圖7

環(huán)境溫度對(duì)相對(duì)電效率的關(guān)系圖8

進(jìn)口溫度對(duì)相對(duì)電效率的關(guān)系2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如圖5

所示,環(huán)境溫度全天保持在(10～15)

℃之間,

PVT

組件的平均溫度全天各時(shí)段均未超過(guò)35

℃,而普通電池卻在中午時(shí)分超過(guò)了40

℃。而

在下午14∶00

以后,

PVT

組件的溫度高于普通組件,但是仍沒(méi)有超過(guò)35

℃,這是因?yàn)橄挛绲奶?yáng)輻射強(qiáng)度大大減少,而環(huán)境溫度又比較低,30

℃時(shí)水的定壓比熱為41174

kJ/

(

kg·K)

,而在環(huán)境溫度

10

℃時(shí),空氣的比熱只有11005

kJ/

(

kg·K)

,所以普通電池組件散熱較

PVT

組件要快的多。同樣的影響體現(xiàn)在集熱器中水的進(jìn)出口溫度的變化上(如圖6)

,14

:00

以后太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的減少,環(huán)境溫度的持續(xù)下降,使得集熱器得不到更多的熱量,水流經(jīng)集熱器后向環(huán)境散熱,出現(xiàn)水的進(jìn)口溫度高于出口溫度的反?，F(xiàn)象。3電效率的計(jì)算太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中,

標(biāo)準(zhǔn)狀況下(

G0

=

1

0002)W/

m

,

t

=

25

℃,晶體硅電池的發(fā)電效率為12

%～017

%。而實(shí)際中,太陽(yáng)能電池的發(fā)電效率要低很多,原因是一部分熱量使得電池表面的溫度升高,研究表明電池溫度每升高1

℃,電效率下降015

%。即光伏發(fā)電的最大功率點(diǎn)效率η

pv

,隨電池的工作溫度呈結(jié)果表明,在日照條件較好,系統(tǒng)循環(huán)水溫度較低的情況下有利于

PV

T

系統(tǒng)的電效率提高,其相對(duì)效率提高值約為7

%