蒸發冷卻空調對光伏板降溫的實驗研究

申長軍 黃 翔 王興興 折建利 鞠昊宏

?

蒸發冷卻空調對光伏板降溫的實驗研究

申長軍 黃 翔 王興興 折建利 鞠昊宏

（西安工程大學 西安 710048）

光伏發電量受室外太陽輻射強度、溫度、灰塵等多種因素影響。通過蒸發式冷氣機產生的冷風對光伏板表面進行降溫實驗研究。通過實驗得出，在時間段12:00-14:50，有蒸發式冷氣機降溫時，光伏板溫度維持在28.4℃，此時500W光伏發電量提高約0.1kWh；該日總發電量為1.9kWh。若該降溫裝置應用于大型光伏電站的光伏板降溫則前景廣闊，最后結合實驗并提出了一些建議性措施。

蒸發式冷氣機；光伏板降溫；降溫顯著

0 引言

在能源、環境問題日益突出的今天，光伏發電作為一種清潔能源，逐步受到人們的青睞。然而光伏發電易受外界太陽輻射強度、溫度、灰塵等多種因素的影響，具有不穩定性。在夏季，本是太陽輻射強度最強季節，卻由于受到室外高溫影響，發電量不高甚至下降，據有關數據表明，太陽能電池板溫度每升高1℃，輸出功率減小0.4%[1]，因此如何對光伏板進行降溫，提高發電量，成為人們需要考慮的問題之一。

目前常用的光伏降溫方式有，在太陽能電池板加肋片或通道（介質為空氣或水）結構的自然冷卻和機械冷卻（在正面/背面），與太陽能集熱結合的PV/T集熱器冷卻方式，利用熱管、微通道等新型冷卻技術、甚至人工直接噴水冷卻[2-4]等，以上冷卻方式各有利弊，雖然在一定程度上達到了降溫效果，但造價較高不利于商業推廣，輔助冷卻裝置也增加了光伏板的重量，顯得笨重。而人工噴水，一定程度上起到溫降效果，但噴水具有間歇性，而且由于水珠存留在光伏表面，對光線多少還有反射作用，水侵濕光伏板還有安全隱患；若水含有雜質，容易附著光伏板表面反而會影響發電。

實際上，蒸發冷卻空調也可以用來對光伏板降溫，以提高發電效率。蒸發冷卻空調的優勢在于，利用自然界中可再生能源，“干空氣能”（空氣的干濕球溫差做驅動勢）來進行降溫，制冷劑為水，節能環保，初投資較低，降溫效果顯著[5,6]。蒸發冷卻空調不僅能產生冷風，對光伏板進行降溫及除塵，還可利用蒸發冷卻空調產生的高溫冷水[7]進行噴霧式降溫。本文通過蒸發冷卻空調中的一種設備--蒸發式冷氣機產生冷風，對光伏板表面進行通風降溫，使光伏板表面形成一層流動的冷空氣層，它兼具機械通風特點，降溫效果比單純通風降溫明顯。由于，蒸發冷卻空調只有節能風機和小型水泵，總功率較小，約在200～1kW左右，運行費用低，降溫卻顯著，在大型光伏電站中對光伏板降溫應用前景廣闊。

1 實驗介紹

1.1 試驗系統簡介

圖1 光伏系統室內設備

圖2 光伏板與蒸發式冷氣機

1.1.1 獨立式光伏發電系統

光伏發電按照系統形式主要分獨立式和并網式兩大類，本實驗為獨立式光伏系統主要由光伏板、光伏控制器、逆變器、蓄電池組組成。各部分功能是，光伏板通過“光生伏打效應”將太陽輻射能轉換成直流電能[8,9]；控制器功能，一是能使光伏板以最大功率輸出，二是對系統進行保護作用，防止蓄電池過充過放電；逆變器功能是將直流電轉換成220V交流電，供給負載使用。系統工作原理是，通過光伏控制器使光伏板輸出的直流電以最大功率輸出，然后經逆變器轉換成交流電供給負載使用，系統多余的電或者負載不足的電，由蓄電池組儲存或者補充。如圖1、2所示為本實驗500W獨立式光伏發電系統，用來驅動200W蒸發式冷氣機運轉，并利用產出的冷風對光伏板進行降溫實驗研究。本實驗系統的具體連接方式是兩塊250W光伏板串聯，接控制器，然后再接逆變器，四塊蓄電池12V/100Ah按照兩串兩并組成24V直流電壓系統，蓄電池組與逆變器并聯接入電路中。表1為光伏板參數。

表1 光伏板參數

1.1.2 試驗方案及目的

為測得光伏板表面各處溫度變化情況，將光伏板按照面積尺寸，等分為若干個小方格，測試時分別通過風速儀和紅外線測溫儀，測得光伏板表面各方格中的風速和溫度，并繪制成溫度場，按照顏色變化繪制成直觀圖。

為給光伏板表面降溫，將蒸發式冷氣機置于室外，放置于光伏板正對面，二者之間的距離以不在光伏表面產生陰影為宜。蒸發式冷氣機出風口設置為擴口形式，使形式的出風斷面直接吹在光伏板表面上。

通過本實驗測試蒸發冷卻空調對光伏板降溫情況，以便為在未來光伏電站中應用提出指導性意見。

1.2 測試工具

表2為測試過程中用到的儀表及參數。光伏發電系統用到的儀表有，萬用表、照度儀、紅外線測溫儀，蒸發式冷氣測試用到的測試工具有溫濕度記錄儀、風速儀、水銀溫度計等。

表2 測試用儀表參數

2 實驗研究

2.1 蒸發式冷氣機

蒸發式冷氣機為直接蒸發降溫形式，其工作原理是通過離心風機的作用，在蒸發式冷氣機內部形成負壓，室外空氣進入其內部的填料中，空氣與此時噴淋下來的水滴在填料表面形成的水膜直接接觸進行熱濕交換，空氣被水蒸發吸熱變成冷空氣，其空氣處理過程在焓濕圖上表示為等焓降溫過程。如圖3所示。

表3為本次試驗的蒸發式冷氣機參數，它是采用低噪聲前傾多翼式離心風機，風量大，噪聲小，出風均勻；通過智能液晶控制盤控制，并帶有溫濕度變送器，可對工作場所實現一定范圍內的溫濕度控制。

Wx-室外溫度，℃；to-出風口溫度，℃；ts-濕球溫度，℃；Wpv-光伏板空氣溫度，℃

表3 蒸發式冷氣機參數[10]

圖4 蒸發式冷氣空氣溫度及循環水溫變化

圖4為蒸發式冷氣機的進出口空氣溫濕度及循環水水溫變化情況，由圖可以得出，測試日式冷氣機進風溫度范圍在29-35.5℃，對應的相對濕度：40%-27%，從焓濕圖查得室外濕球溫度：18.9-20.9℃，此時蒸發式冷氣機出風溫度：22.9-24.5℃；可以得出進出口溫差范圍在6-11℃；蒸發式冷氣機工作過程中循環水溫，維持在19.1-21.2℃之間。

通過公式：=(t1-t2)/(t1-t1）[5]

式中，t1為進風干球溫度，℃；t2為出風干球溫度，℃；t1為進風濕球溫度，℃。

得出，熱濕交換（飽和）效率：59.4%-78.6%。

2.2 光伏系統發電量變化

圖5為有無降溫措施時光伏發電系統輸出功率變化、光伏驅動的負載蒸發式冷氣機功率變化情況，分別截取兩天中的同一時間段12:00-14:50進行對比，研究光伏板輸出功率及蒸發式冷氣機功率變化情況，由圖可以看出，此時間段光伏發電量大于負載用電量，多余電量儲存于蓄電池組中備用；對比有、無蒸發式冷氣機對光伏板降溫，統計得出此段時間內前后兩天同一時間段內發電量差值在0.09度，并且無降溫措施下，光伏板輸出功率跳躍性較大不穩定，而在有降溫措施下，光伏板輸出功率較穩定。

圖5 有/無蒸發式冷氣機降溫時光伏板輸出功率變化

2.3 光伏板降溫效果

圖6 光伏板表面溫度場

分別通過紅外線測溫儀和風速儀，測得光伏板表面若干個方格內的溫度、風速，最后繪制成溫度場，由于光伏板是約45°傾角[11]，面對太陽光的照射，從蒸發式冷氣機吹出的風在接觸到光伏板表面中心后會改變方向，向四周擴散，形成貼附流動。經測試得出，在光伏板表面豎向上風速較橫向的風速大些。如圖6所示為獲得的溫度變化情況，從圖中可以得出光伏板表面在蒸發式冷氣機送風區域內，光伏板溫度明顯較低，此區域光伏板最低區域溫度在28.4℃；而在未送風區域，光伏板表面最高溫度達38.5℃，二者差值達10.1℃。

2.4 日發電量情況

測試日光伏發電系統工作時間段為9:15-16:10，圖7為光伏系統在蒸發式冷氣機降溫下發電量情況，從圖中可以看出，從9:15開始，光伏板輸出功率逐漸穩步的呈上升趨勢，在12:30前后趨于最大值，然后下降。瞬時充電功率在300W以上時間段為10:55-14:20，占整個工作時間段的51.2%，工作時間段內日累計發電量1.9度，換算成標準情況下，峰值時間約3.8小時，相比明顯提高。

圖7 光伏系統日發電量

2.5 試驗優化措施

送冷風過程中具有溫升。為防止蒸發式冷氣機自身的外觀尺寸在光伏板表面形成陰影，影響光伏發電，所以二者之間有一定的距離，這也導致送出的冷風在吹到光伏板表面過程中與外界空氣存在能量交換過程，蒸發式冷氣機吹出的冷風到光伏板表面過程中大約有4℃溫升，若對送風裝置形式加以改進，則會減少輸送過程中冷量損失。

實驗裝置簡易，工作時間受限。由于蒸發式冷氣機出風口斷面為簡易裝置，送風區域并沒有把光伏板表面全部覆蓋，光伏板四角處送風風速接近為零，溫度接近室外溫度。另外，光伏板所處位置，由于女兒墻遮擋物影響及16:30點以后遠處高層建筑物遮擋原因，太陽光照射到光伏板表面較晚，卻又結束較早，最終導致相應的光伏發電工作時間稍微縮短，對以上問題加以改進，發電效果會更好。

⑶根據Cox單因素分析的結果，將有統計學意義的因素納入Cox多因素分析，結果顯示：LWR和腫瘤分化程度、TNM分期是影響胃癌患者總體生存期的危險因素（表3）。

光伏正、背面同時通風降溫效果更好。測試過程中，光伏板距離地面較低，一定程度上也受地面輻射熱影響。另外，在12:00-13:30測試過程中，通過紅外線測溫儀測得光伏板背面溫度達50℃以上，因此對其背面進行通風降溫也是非常必要的，若同時對光伏板正面和背面降溫，發電效果會更加顯著。

3 結論及建議

（1）通過以上試驗得出，蒸發式冷氣機對光伏板降溫，具有明顯效果，還具有除塵功能。蒸發式冷氣機出風溫度：22.9-24.5℃，能使室外溫度最大降低11℃，它形成的冷風吹在光伏板表面形成流動的冷空氣幕，溫度大約維持在28℃左右，而此時未送送區域光伏板表面溫度在38.5℃左右，另外這種流動的冷空氣層還能有效防止灰塵落在光伏板表面。

（2）對比兩天同一時間段，有、無降溫措施情況下發現，在無降溫措施下，光伏板輸出功率跳躍性較大，而在有降溫措施下，光伏板輸出功率較有規律。同時還得出，在有降溫措施下，該段時間內500W容量的系統光伏板發電量提高約0.1度，該日充電功率在300W以上時間段為10:55-14:20，占整個工作時間段的51.2%，工作時間段內日累計發電量1.9度。

（3）針對光伏板降溫的蒸發冷卻空調，建議出風處設計為喇叭口形式，并設計成自動擺動式百葉風口形式，這樣能形式一種較大橫斷面的波浪式冷空氣流，基本能覆蓋光伏板表面。測試過程中，發現光伏板背面溫度也較高，若能對光伏板正、背面同時進行這種通風降溫，發電量效果會更好。另外，光伏板安裝應距離地面有一定的高度，防止地面對其輻射熱，同時也有利于光伏板周圍的空氣流動。

（4）直流式蒸發冷卻空調將更節能，更有推廣價值。蒸發冷卻空調只有節能風機和小型水泵，因此總功率較小，運行費用低，降溫效果卻顯著，在大型光伏電站中對其通風降溫應用前景廣闊。若在大型光伏電站應用中使用光伏直流驅動式蒸發冷卻空調，由于減少了逆變器及轉換損失，可直接利用光伏板發出來的一小部分電直接驅動直流式蒸發冷卻空調進行光伏板降溫，不僅節省了系統造價，也更節能，發電效果將會更好。

[1] 劉宏,吳達成,楊志剛,等.家用太陽能光伏電源系統[M].北京:化學工業出版社,2007.

[2] 楊晶晶,劉永生,谷民安,等.太陽能光伏電池冷卻技術研究[J].華東電力,2011,39(1):81-85.

[3] 吳雙應,張巧玲,肖蘭,等.采用熱管冷卻技術的太陽能光伏電–熱一體化系統性能分析[J].中國電機工程學報,2011,31(32):137-144.

[4] 王寶群,姚強,宋薔,等.光伏/光熱(PV/T)系統概況與評價[J].太陽能學報,2009,30(2):193-200.

[5] 黃翔.空調工程[M].北京:機械工業出版社,2013.

[6] 黃翔.國內外蒸發冷卻空調技術研究進展(1)[J].暖通空調,2007,37(2): 24-30.

[7] 白延斌,黃翔,孫鐵柱,等.蒸發冷卻技術制備高溫冷水研究現狀探討[J].制冷與空調,2013,(1):39-44.

[8] 李芬,陳正洪,成馳,等.武漢并網光伏電站性能與氣象因子關系研究[J].太陽能學報,2012,(8):1386-1391.

[9] 王長貴.太陽能光伏發電實用技術[M].北京:化學工業出版社,2009.

[10] 澳藍（福建）實業有限公司.澳藍蒸發式冷氣機樣本[Z].

[11] 何道清,何濤,丁宏林.太陽能光伏發電系統原理與應用技術[M].北京:化學工業出版社,2012.

The Experimental Research of Evaporative Air Conditioning to Cool Photovoltaic Panels

Shen Changjun Huang Xiang Wang Xingxing She Jianli Ju Haohong

( Xi'an Polytechnic University, Xi'an, 710048 )

Photovoltaic power generation is easily suffered by the outdoor solar radiation intensity, temperature, dust, and other factors. In this paper, the experimental is that evaporative air conditioner produces cold wind to cool the surface of a photovoltaic panels. Through the experiment we can conclusion, existing the evaporative air conditioner equipment when at 12:00-14:50, the surface temperature of the photovoltaic panels is 28.4℃, and the 500W solar power capacity increases about 0.1 kWh; The total generating capacity of 1.9 kWh. If the cooling device is applied to large photovoltaic panels of photovoltaic power station cooling has broad prospects. Finally, puting forward some proposed measures combed with the experiment.

Evaporative air conditioner; Cooling photovoltaic panels; Obvious cooling

1671-6612（2016）05-603-05

TU83

A

陜西省科技工業攻關項目（編號：2015GY055）

申長軍（1987.4-），男，在讀研究生，E-mail：shenchjn@126.com

黃 翔（1962.7-），男，碩士，教授，E-mail：huangx@xpu.edu.cn

2015-07-15