基于新型吸附式制冷的光伏板降溫系統

劉怡，錢意禎，周長青

基于新型吸附式制冷的光伏板降溫系統

劉怡，錢意禎，周長青

（武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070）

設計了一種用于光伏板的多級自動降溫系統，以改善光伏板因溫度過高造成的發電功率下降問題。該裝置在常規的光伏板基礎上，加裝了基于新型吸附式制冷系統，借助微乳液相變材料的蓄冷功能，實現了在不影響發電效率的情況下，利用Low-e玻璃光熱分離技術分離出的低品位熱源進行制冷的功能。多級降溫有效地將光伏板的溫度控制在發電效率較高的范圍。同時，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時容易泄漏的問題。

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，太陽能的高效開發和利用是重要的研究課題和方向。晶體硅太陽電池的發電效率依賴其工作溫度，溫度每上升1 ℃將導致輸出功率減少0.4%～0.5%。由于到達電池表面80%以上的能量轉變成了熱量，使得太陽電池工作溫度通常在50 ℃以上，當散熱不良時甚至會達到80 ℃，太陽能光伏電池板溫度過高將嚴重影響太陽能電池的光電轉換效率，因此，研究降溫技術降低了光伏電池板溫度，對提高太陽能光伏系統發電效率具有非常重要的意義。

1 項目的研究目標和研究內容

1.1 研究目標

本項目基于現有的吸附式制冷技術，用相變微乳液代替傳統的冷卻介質，并結合其能利用低品位熱源的特點，采用Low-e玻璃光熱分離技術，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電效率。同時，還能延長太陽能光伏板工作壽命，達到節能減排的效果。

1.2 研究內容

1.2.1 吸附式制冷工作原理

太陽能吸附式制冷系統主要由太陽能吸附集熱器、冷凝器、蒸發儲液器等部分組成。其制冷過程是間歇性的，包括了吸附和脫附兩個過程。

吸附式制冷系統包括2個階段：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，當蒸汽壓力達到一定值，制冷劑蒸汽在冷凝器中冷凝成液體并流入蒸發器，在儲液器內冷卻以后再流回蒸發器。至此，也就完成了該制冷循環的解吸階段。②吸附階段。晚上，太陽輻射強度由強變弱，吸附集熱器開始降溫，里面的蒸汽因重新被吸附劑吸附其壓力，開始下降，導致蒸發器內壓力大于吸附床內部壓力，制冷劑開始蒸發并產生冷量。

1.2.2 相變微乳液特性

微乳液借助相變材料儲能和放能的過程來實現儲熱和蓄冷功效，相變材料則借助于微乳液良好的流動性發揮更好的作用。良好的相變微乳液相變潛熱為230～240 kJ/kg，是同等蓄冷介質的3～4倍。本項目選擇20%納米含量的相變微乳液，在具有高儲熱量的同時提高了吸/放熱速率。

1.2.3 工作流程

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

2 項目的實施方案及擬采取研究方法和技術路線

2.1 總體結構設計

該裝置的主體結構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生制冷效應后為相變微乳液儲能模塊制冷，在隨后吸附式制冷系統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熱性，將Low-e玻璃外表面的熱能收集，并通過熱管傳導至吸附床，如圖2所示。

1—導熱管；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生制冷效果的模塊是蒸發器。采用絕熱材料制作的外殼將太陽能光伏板背面覆蓋住，蒸發器產生的冷空氣通過空氣泵作用經過管道進入太陽能光伏板絕熱外殼中。經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定。

在蒸發器制冷時，采用相變微乳液對其進行蓄冷。蒸發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入儲液室，冷空氣通過儲液室儲液空間外圍的空氣流通部分與儲液部分進行熱交換。

當吸附式制冷系統進入脫附階段，蒸發器不再制冷，太陽能光伏板開始工作，此時太陽能光伏板溫度會升高，經過蓄冷達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行吸熱制冷。在吸附式制冷系統進行脫附的工程中，由相變微乳液對太陽能光伏板進行持續降溫制冷。

3 項目的研究基礎和可行性分析

3.1 太陽能發電效率分析

太陽能光伏板的表面工作溫度為65.5 ℃。本項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電效率。當高于溫度在55 ℃后發電效率會驟降，估算出效率會提高1，1約為50%，因此會提高50%左右發電效率。

3.2 改進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，因此根據效率核算中的變量核算法來比較引用本項目改進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，以這組為例計算制冷效率。定義單位質量吸附劑在某一溫度、壓力條件下對吸附劑的平衡吸附量為其平衡吸附量eq，簡稱吸附量，它是吸附式制冷體系中最重要的參數之一。

可以計算出當平衡時=29.85 ℃。太陽能集熱板的溫度平均為52.85 ℃以下時能達到最高發電效率，當表面溫度在56.85 ℃以上時發電效率會大打折扣。

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

4 檢驗方案擬定

裝置制作實物后將對多個方面進行檢驗：①在同種光伏板的溫度、發電電壓、發電電流、能量轉化率、最大發電功率、平均發電功率等多方面，在相同時間內，檢驗各方面指數進行對比分析，確定吸附式冷卻的設計合理性；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進行對比，通過在相同工作時間下、相同環境溫度、相同光照強度，在不同的溫度梯度下的發電效率來對降溫增效功能進行對比；③從裝置工作時長上進行校驗，檢驗其維護周期、相變材料的泄漏情況，分析本裝置的耐用度及抗惡劣環境的能力。

針對目前光伏板在高溫下發電功率低的問題，從以上3個方面驗證裝置設計的合理性，如果效果良好則能方便地滿足市場需求。

5 結論

綜上所述，該裝置在實現減小高溫對光伏板發電效率造成的負面影響的同時，相比于吸收式制冷技術在壽命、成本、噪聲大小等各個方面都有一定優勢，可提高發電效率，同時降低高溫對光伏板壽命的影響，使光伏板處于最適宜溫度，光電轉化效率較高的狀態，從而達到利用低品位熱源、不消耗外部能源實現光伏板降溫增效的目的。

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TM615

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.057

2095－6835（2019）24－0129－02

〔編輯：張思楠〕