太陽電池光伏光熱一體化系統(tǒng)的性能研究

常澤輝，田瑞，侯靜

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010051；2.內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010070）

隨著節(jié)能減排觀念的日益深入，利用太陽能、風(fēng)能等可再生能源成為了解決目前嚴(yán)重的化石能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的有效途徑。其中太陽能光伏技術(shù)日趨成熟，光伏電站已經(jīng)并網(wǎng)發(fā)電，但在太陽能光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用上還存在著光電轉(zhuǎn)換效率低、發(fā)電成本高、評價體系不夠完善等問題。實驗研究表明，在太陽輻照度一定的條件下，當(dāng)太陽光照射到太陽能光伏電池上時，只有能量大于其半導(dǎo)體材料的禁帶寬度的部分光子能量能夠轉(zhuǎn)化為電能，此外的能量不僅不能轉(zhuǎn)化為電能輸出，還會變?yōu)閺U熱造成光電轉(zhuǎn)換效率下降[1]。為了解決這個問題，越來越多的學(xué)者開始關(guān)注太陽能光伏光熱（PV/T）一體化系統(tǒng)，該系統(tǒng)由太陽電池和熱收集單元共同組成，可以同時獲得電能和熱能。一般認(rèn)為，太陽能光伏光熱集熱器概念于20世紀(jì)70年代提出[2]，但是，近十幾年，隨著太陽電池效率和太陽能熱水器效率的提高，以及國內(nèi)外學(xué)者對PV/T集熱器的優(yōu)化設(shè)計，使得太陽能光伏光熱一體化系統(tǒng)整體效率得到了提高。

1 太陽電池光伏光熱測試實驗

1.1 測試方法

本文所進(jìn)行的實驗測試區(qū)域位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市（東經(jīng)111°40'，北緯40°30'，海拔1 088米），實驗測試時間從2010年6月至9月。選用的太陽電池是由美國西門子公司生產(chǎn)的SM 55型電池板，實驗中，電池板正南放置在離地25米空曠的平臺上。實驗區(qū)域年均日照時數(shù)為3 000多小時，年均太陽輻照度在1 000W/m2左右，屬太陽輻射二類地區(qū)。

實驗過程分兩部分：第一部分是在相同的太陽輻照度下，相同負(fù)載條件下，對選用的規(guī)格相同的兩塊太陽電池的輸出功率進(jìn)行對比校核。在校核實驗中電池板的傾角變化范圍從30°到55°，調(diào)整傾角間隔為5°。第二部分是在固定式太陽電池板以當(dāng)?shù)鼐暥茸罴褍A角放置時，對所設(shè)計的太陽能光伏光熱一體化系統(tǒng)進(jìn)行性能測試。

1.2 實驗裝置

如圖1所示，本文研究的銅管式太陽能光伏光熱一體化系統(tǒng)由一塊普通太陽電池、一塊裝有銅管換熱器太陽電池、太陽能光伏發(fā)電測試系統(tǒng)、太陽能熱水測試系統(tǒng)、太陽能輻射量監(jiān)測系統(tǒng)、連接管路、負(fù)載和支撐框架組成。實驗中的銅管式太陽能光伏光熱模塊的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

實驗選用的測試儀器是錦州陽光生產(chǎn)的PC-2型太陽輻射記錄儀和TRM-FD1型太陽能發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)。TRM-FD1型太陽能發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)的電壓傳感器精度：小于0.5%，顯示分辨率為0.1 V；電流傳感器精度：小于0.5%，顯示分辨率為0.1 A；溫度傳感器測溫范圍：－50～100℃，精度：±0.2℃，顯示分辨率：0.1℃。PC-2太陽輻射記錄儀的準(zhǔn)確度：0.5%，儀器內(nèi)分辨率：±1μV，顯示精度：1W。

1.3 實驗板件

實驗中所采用的實驗板件是由美國西門子公司生產(chǎn)的SM 55型電池板，具體參數(shù)如表1中所示。

表1 實驗板件參數(shù)

2 太陽電池光伏光熱一體化系統(tǒng)的實驗測試

實驗中，把銅管換熱器安裝在太陽電池2板背后，用壓條將銅管換熱器與太陽電池板背緊密結(jié)合，外面敷設(shè)保溫材料。太陽能光伏光熱測試系統(tǒng)中工質(zhì)循環(huán)方式為自然循環(huán)，裝置正南向放置，太陽電池陣列安裝傾角為47°[3]。實驗采用對比實驗法進(jìn)行測量，實驗電池板傾角相同，負(fù)載相同，實驗地相同。實驗步驟如下：首先對TRM—FD1型太陽能發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)中的測量管路和水箱溫度的溫度傳感器進(jìn)行溫度校正；然后在相同太陽輻照度條件下，對銅管式太陽能光伏光熱一體化系統(tǒng)進(jìn)行測試。測量的參數(shù)包括：太陽輻射量R、工作電壓UW、工作電流IW、水箱溫度TW、環(huán)境溫度TS，數(shù)據(jù)采集時間間隔為5m in。

從實驗結(jié)果中可以得出，在測量的時間單元里，太陽電池工作時產(chǎn)生的熱量能夠?qū)⑺疁赜沙跏嫉?2℃最高升至33℃，使得裝有銅管換熱器的太陽電池2板的板背溫度控制在45℃以下，比1板的板背溫度最多可以降低8℃。水箱溫度TW、環(huán)境溫度TS、1板板背溫度T1、2板板背溫度T2變化的趨勢曲線如圖3、圖4、圖5所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：裝有銅管束換熱裝置的2板工作溫度曲線要比1板工作溫度曲線平緩。

實驗中，沒有安裝換熱裝置的太陽電池溫度在晴天或多云的天氣里電池組件的工作溫度最高可達(dá)到65℃，高溫導(dǎo)致太陽電池光電裝換效率明顯下降。本文所設(shè)計的太陽電池光伏光熱一體化系統(tǒng)性能實驗測試數(shù)據(jù)比較如圖6、圖7、圖8所示。從實驗數(shù)據(jù)中可以看出，帶有銅管換熱器的2板的輸出功率比沒有換熱裝置的1板的輸出功率要大。在測試時間為8：00～15：30之間時，對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計計算，2板的輸出功率分別比1板大7.1、6.8、9.3W，相對于太陽電池額定輸出功率分別增加了12.90%、12.36%、16.90%。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)太陽輻照度在1 000W/m2左右的時候，設(shè)計加工的銅管集熱器能夠保證太陽電池的工作溫度低于45℃，使太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率有所提高。

（2）固定式光伏方陣以最佳傾角安裝時，在相同的太陽輻照度和環(huán)境溫度條件下，相對于太陽電池額定輸出功率，裝有銅管集熱器的單塊太陽電池的輸出功率比普通單塊太陽電池輸出功率提高近17%。

（3）裝有銅管集熱器的太陽電池的工作溫度曲線較普通太陽電池的工作溫度曲線平緩，這對于提高太陽光伏發(fā)電系統(tǒng)中的鉛酸蓄電池的使用壽命是有利的。

[1] 魏葳,駱仲泱,趙佳飛,等.太陽能光電-光熱綜合利用系統(tǒng)[J].上海節(jié)能,2010,5:12-13.

[2] KERN E C,RUSSELL M C.Combined photovoltaic and thermal hybrid collector system[C]//Proceedings of 13thIEEE Photovoltaic Specialists Conference.Washington:13thIEEE Photovoltaic SpecialistsConference,1978:1153-1157.

[3] 常澤輝,田瑞.固定式太陽電池方陣最佳傾角的實驗研究[J].電源技術(shù),2007,31(4):312-314.