基于新型吸附式制冷的光伏板降溫系統(tǒng)

劉怡，錢意禎，周長(zhǎng)青

基于新型吸附式制冷的光伏板降溫系統(tǒng)

劉怡，錢意禎，周長(zhǎng)青

（武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

設(shè)計(jì)了一種用于光伏板的多級(jí)自動(dòng)降溫系統(tǒng)，以改善光伏板因溫度過高造成的發(fā)電功率下降問題。該裝置在常規(guī)的光伏板基礎(chǔ)上，加裝了基于新型吸附式制冷系統(tǒng)，借助微乳液相變材料的蓄冷功能，實(shí)現(xiàn)了在不影響發(fā)電效率的情況下，利用Low-e玻璃光熱分離技術(shù)分離出的低品位熱源進(jìn)行制冷的功能。多級(jí)降溫有效地將光伏板的溫度控制在發(fā)電效率較高的范圍。同時(shí)，微乳液相變材料的選取以及和吸附劑的配合，改善了相變材料在液態(tài)時(shí)容易泄漏的問題。

光伏板降溫；吸附式制冷；微乳液相變材料；電池板

作為一種綠色無污染的新能源，太陽能的高效開發(fā)和利用是重要的研究課題和方向。晶體硅太陽電池的發(fā)電效率依賴其工作溫度，溫度每上升1 ℃將導(dǎo)致輸出功率減少0.4%～0.5%。由于到達(dá)電池表面80%以上的能量轉(zhuǎn)變成了熱量，使得太陽電池工作溫度通常在50 ℃以上，當(dāng)散熱不良時(shí)甚至?xí)_(dá)到80 ℃，太陽能光伏電池板溫度過高將嚴(yán)重影響太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，因此，研究降溫技術(shù)降低了光伏電池板溫度，對(duì)提高太陽能光伏系統(tǒng)發(fā)電效率具有非常重要的意義。

1 項(xiàng)目的研究目標(biāo)和研究?jī)?nèi)容

1.1 研究目標(biāo)

本項(xiàng)目基于現(xiàn)有的吸附式制冷技術(shù)，用相變微乳液代替?zhèn)鹘y(tǒng)的冷卻介質(zhì)，并結(jié)合其能利用低品位熱源的特點(diǎn)，采用Low-e玻璃光熱分離技術(shù)，將光伏板廢熱二次利用，改善太陽能電池板降溫效果，以提高太陽能光伏板的發(fā)電效率。同時(shí)，還能延長(zhǎng)太陽能光伏板工作壽命，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

1.2 研究?jī)?nèi)容

1.2.1 吸附式制冷工作原理

太陽能吸附式制冷系統(tǒng)主要由太陽能吸附集熱器、冷凝器、蒸發(fā)儲(chǔ)液器等部分組成。其制冷過程是間歇性的，包括了吸附和脫附兩個(gè)過程。

吸附式制冷系統(tǒng)包括2個(gè)階段：①解吸階段。白天在太陽光的照射下，吸附劑的溫度不斷升高，制冷劑從吸附劑材料的微孔中脫附出來成為蒸汽，當(dāng)蒸汽壓力達(dá)到一定值，制冷劑蒸汽在冷凝器中冷凝成液體并流入蒸發(fā)器，在儲(chǔ)液器內(nèi)冷卻以后再流回蒸發(fā)器。至此，也就完成了該制冷循環(huán)的解吸階段。②吸附階段。晚上，太陽輻射強(qiáng)度由強(qiáng)變?nèi)酰郊療崞鏖_始降溫，里面的蒸汽因重新被吸附劑吸附其壓力，開始下降，導(dǎo)致蒸發(fā)器內(nèi)壓力大于吸附床內(nèi)部壓力，制冷劑開始蒸發(fā)并產(chǎn)生冷量。

1.2.2 相變微乳液特性

微乳液借助相變材料儲(chǔ)能和放能的過程來實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)熱和蓄冷功效，相變材料則借助于微乳液良好的流動(dòng)性發(fā)揮更好的作用。良好的相變微乳液相變潛熱為230～240 kJ/kg，是同等蓄冷介質(zhì)的3～4倍。本項(xiàng)目選擇20%納米含量的相變微乳液，在具有高儲(chǔ)熱量的同時(shí)提高了吸/放熱速率。

1.2.3 工作流程

該改進(jìn)式吸附式制冷系統(tǒng)采用Low-e玻璃光熱分離技術(shù)，將照射在光伏板的太陽能分離為光能和熱能，一方面實(shí)現(xiàn)了光伏板一級(jí)降溫；另一方面分離出來的熱能通過聚酰亞胺薄膜以及熱管導(dǎo)出，與集熱板集熱共同作為吸附式制冷的熱源。

2 項(xiàng)目的實(shí)施方案及擬采取研究方法和技術(shù)路線

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該裝置的主體結(jié)構(gòu)分為光熱分離模塊和吸附式制冷模塊。光熱分離模塊吸收太陽光中的熱能之后可以為吸附式制冷模塊提供熱源，太陽能吸附式制冷模塊吸收熱量產(chǎn)生制冷效應(yīng)后為相變微乳液儲(chǔ)能模塊制冷，在隨后吸附式制冷系統(tǒng)處于脫附過程的白天，相變微乳液制冷模塊為太陽能光伏板制冷。整體模型如圖1所示。

2.2 光伏板光熱分離模塊

此模塊主要由太陽能光伏板Low-e玻璃外罩和聚酰亞胺薄膜組成。Low-e玻璃可以使光透過，將熱量阻隔在玻璃外表面。在Low-e玻璃表面附加上聚酰亞胺薄膜，利用聚酰亞胺薄膜良好的導(dǎo)熱性，將Low-e玻璃外表面的熱能收集，并通過熱管傳導(dǎo)至吸附床，如圖2所示。

1—導(dǎo)熱管；2—集熱板；3—光熱分離模塊；4—微乳液管；5—制冷蓄冷模塊。

1—Low-e玻璃外罩和聚酰亞胺薄膜；2—熱管。

2.3 吸附式制冷模塊

光伏板表面與集熱板共同為吸附式制冷提供主要熱源，采用平板集熱管降低成本。在吸附式制冷過程中產(chǎn)生制冷效果的模塊是蒸發(fā)器。采用絕熱材料制作的外殼將太陽能光伏板背面覆蓋住，蒸發(fā)器產(chǎn)生的冷空氣通過空氣泵作用經(jīng)過管道進(jìn)入太陽能光伏板絕熱外殼中。經(jīng)過熱交換之后通過絕熱外殼另一端的出氣口排出，從而維持外殼中氣壓的穩(wěn)定。

在蒸發(fā)器制冷時(shí)，采用相變微乳液對(duì)其進(jìn)行蓄冷。蒸發(fā)器中排出的冷空氣一部分用于太陽能光伏板的制冷，另一部分通過管道進(jìn)入儲(chǔ)液室，冷空氣通過儲(chǔ)液室儲(chǔ)液空間外圍的空氣流通部分與儲(chǔ)液部分進(jìn)行熱交換。

當(dāng)吸附式制冷系統(tǒng)進(jìn)入脫附階段，蒸發(fā)器不再制冷，太陽能光伏板開始工作，此時(shí)太陽能光伏板溫度會(huì)升高，經(jīng)過蓄冷達(dá)到飽和的相變微乳液在流過蛇形管道的過程中，由于太陽能光伏板溫度升高，后蓋內(nèi)溫度上升，與相變微乳液的溫度形成溫度差，相變微乳液在蛇形管道中進(jìn)行吸熱制冷。在吸附式制冷系統(tǒng)進(jìn)行脫附的工程中，由相變微乳液對(duì)太陽能光伏板進(jìn)行持續(xù)降溫制冷。

3 項(xiàng)目的研究基礎(chǔ)和可行性分析

3.1 太陽能發(fā)電效率分析

太陽能光伏板的表面工作溫度為65.5 ℃。本項(xiàng)目采用吸附式制冷的方法給太陽能光伏板降溫，將其溫度降低到53 ℃左右，并在此處維持太陽能光伏板的較高發(fā)電效率。當(dāng)高于溫度在55 ℃后發(fā)電效率會(huì)驟降，估算出效率會(huì)提高1，1約為50%，因此會(huì)提高50%左右發(fā)電效率。

3.2 改進(jìn)前后吸附式制冷效率分析

吸附式制冷的效率受到多方面的條件制約，因此根據(jù)效率核算中的變量核算法來比較引用本項(xiàng)目改進(jìn)前后的吸附式制冷效率。

吸附式制冷的冷凝劑效率最高的為活性炭-甲醇組合，因此，以這組為例計(jì)算制冷效率。定義單位質(zhì)量吸附劑在某一溫度、壓力條件下對(duì)吸附劑的平衡吸附量為其平衡吸附量eq，簡(jiǎn)稱吸附量，它是吸附式制冷體系中最重要的參數(shù)之一。

可以計(jì)算出當(dāng)平衡時(shí)=29.85 ℃。太陽能集熱板的溫度平均為52.85 ℃以下時(shí)能達(dá)到最高發(fā)電效率，當(dāng)表面溫度在56.85 ℃以上時(shí)發(fā)電效率會(huì)大打折扣。

分析可得相變微乳液的能量轉(zhuǎn)化效率為73.74%，在吸附式制冷系統(tǒng)制冷期間能夠很大程度地儲(chǔ)存這部分冷量。

4 檢驗(yàn)方案擬定

裝置制作實(shí)物后將對(duì)多個(gè)方面進(jìn)行檢驗(yàn)：①在同種光伏板的溫度、發(fā)電電壓、發(fā)電電流、能量轉(zhuǎn)化率、最大發(fā)電功率、平均發(fā)電功率等多方面，在相同時(shí)間內(nèi)，檢驗(yàn)各方面指數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，確定吸附式冷卻的設(shè)計(jì)合理性；②從裝置可靠性、制冷效率、制冷效果、噪聲大小、使用壽命、成本等多方面與吸收式制冷技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，通過在相同工作時(shí)間下、相同環(huán)境溫度、相同光照強(qiáng)度，在不同的溫度梯度下的發(fā)電效率來對(duì)降溫增效功能進(jìn)行對(duì)比；③從裝置工作時(shí)長(zhǎng)上進(jìn)行校驗(yàn)，檢驗(yàn)其維護(hù)周期、相變材料的泄漏情況，分析本裝置的耐用度及抗惡劣環(huán)境的能力。

針對(duì)目前光伏板在高溫下發(fā)電功率低的問題，從以上3個(gè)方面驗(yàn)證裝置設(shè)計(jì)的合理性，如果效果良好則能方便地滿足市場(chǎng)需求。

5 結(jié)論

綜上所述，該裝置在實(shí)現(xiàn)減小高溫對(duì)光伏板發(fā)電效率造成的負(fù)面影響的同時(shí)，相比于吸收式制冷技術(shù)在壽命、成本、噪聲大小等各個(gè)方面都有一定優(yōu)勢(shì)，可提高發(fā)電效率，同時(shí)降低高溫對(duì)光伏板壽命的影響，使光伏板處于最適宜溫度，光電轉(zhuǎn)化效率較高的狀態(tài)，從而達(dá)到利用低品位熱源、不消耗外部能源實(shí)現(xiàn)光伏板降溫增效的目的。

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A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.057

2095－6835（2019）24－0129－02

〔編輯：張思楠〕