積塵對光伏光熱系統性能影響的實驗研究

張星晨， 呂 建， 霍雨霞， 張帥兵

（1.天津城建大學 能源與安全工程學院， 天津 300384； 2.成都基準方中建筑設計有限公司北京分公司，北京 100123）

0 引言

Kern 于1978 年首次提出了光伏光熱（PV/T）系統，該系統能夠同時提供電量和熱量[1]。PV/T 組件是PV/T 系統的關鍵部件，PV/T 組件內的流體可以從光伏電池板背面吸收熱量， 以降低光伏電池工作溫度，從而提升光伏電池發電效率[2]～[4]。 對于放置在室外的PV/T 組件，其表面會發生積塵，從而影響太陽光線的透過率， 最終影響PV/T 系統輸出的電量和熱量。

對于積塵對光伏組件和光熱組件各項性能的影響，國內外學者進行了大量研究。在積塵對光伏組件各項性能的影響方面，Cabanillas 通過實驗研究了自然積塵對3 種光伏電池板各項性能的影響， 發現單晶硅電池板和多晶硅電池板的最大電動勢均降低了6%左右， 非晶硅的最大電動勢降低了12%左右[5]。 Paudyal 從積塵密度和氣象條件2個方面研究了積塵對光伏組件的影響，研究結果表明：與清潔光伏組件相比，積塵光伏組件的發電效率降低了29.76%；長時間的積塵對光伏組件具有較高的風險，可能會導致光伏組件永久損壞[6]。 在積塵對光熱組件各項性能的影響方面，劉剛通過研究發現，與清潔的太陽能熱水系統相比，半年未清洗的太陽能熱水系統的日有用得熱量降低了3.95%， 該系統的升溫性能降低了3.19%～5.31%，該系統的日集熱效率降低了4.05%[7]。

綜上可知， 前人對積塵對光伏組件和光熱組件各項性能的影響進行了大量研究。然而，對于積塵對PV/T 系統各項性能影響的研究相對較少。本文通過實驗研究了積塵對PV/T 系統的光電效率、光熱效率以及二者綜合效率的影響，研究結果為PV/T 系統的運行和維護提供了參考。

1 PV/T 實驗系統

1.1 實驗系統

本實驗利用各項性能均相同的2 組PV/T 組件搭建成積塵PV/T 系統和清潔PV/T 系統對比實驗臺。其中，清潔PV/T 系統記為A 組，積塵PV/T 系統記為B 組，二者的結構相同。對比實驗平臺設置在天津某實驗樓五樓平臺上，PV/T 組件的安裝傾角為天津地區全年最佳傾角（45°），朝向為正南方向[8]。

實驗系統的示意圖如圖1 所示。由圖1 可知，實驗系統主要由PV/T 組件、儲熱水箱、水泵、循環管路和白熾燈負載組成。 圖2 為實驗系統的實物圖。 圖3 為PV/T 組件結構示意圖。 圖3 中，微熱管陣列是一種高效的熱傳輸導熱元件。PV/T 組件的最大輸出功率為265 W，短路電流為9 A，開路電壓為38.26 V，光伏板的長度為165 cm，寬度為100 cm。 儲熱水箱的材料為白硬塑料，幾何尺寸為500 mm×500 mm×400 mm， 外側敷設保溫材料并貼有鋁箔紙。

圖1 實驗系統的示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

圖2 實驗系統的實物圖Fig.2 Physical diagram of the experimental system

圖3 PV/T 組件結構示意圖Fig.3 Structure diagram of PV/T module

測量儀器：SPDT/C 型安捷倫數據采集儀、TBQ-2C 型總輻射表、JJ124BC 型電子天平、銅-康銅T 型熱電偶、MIK-DZI-10A 型直流電流傳感器、MIK-DZU-40V 直流電壓傳感器和熱水表。

1.2 實驗系統測試內容

本實驗對PV/T 組件的進、出口溫度，電流，電壓， 以及太陽輻射強度進行實時測量。 在實驗前、后，對積塵密度進行稱量和計算。 在儲熱水箱中心以及PV/T 組件進、 出口處分別布置了溫度測點。環境溫度測點設置在遮陽通風處，距離地面高度為1 m[9]。

實驗過程中， 采用間接測量方法對PV/T 組件表面的積塵密度進行測量。具體的測量步驟：將玻璃標片（幾何尺寸為140 mm×170 mm×6 mm）放置于PV/T 組件中心等高的支撐架上， 并使得玻璃標片的傾角與PV/T 組件相同； 每次實驗前、后， 均采用高精度電子天平稱量積塵玻璃標片的重量， 并計算積塵玻璃標片重量與清潔標片重量之間的差值。 積塵質量與玻璃標片表面積之比為PV/T 組件表面的積塵密度。

1.3 實驗方案

本文中PV/T 組件的積塵方式為自然積塵。測試時間為2018 年4 月6 日9：00-16：00。 實驗開始前，將2 組實驗系統的儲熱水箱儲滿水，A，B 2 組PV/T 系統運行時，PV/T 系統內循環水的質量流量均為0.1 kg/s，循環水的初始溫度相同。

2 PV/T 系統的理論分析及性能評價

2.1 理論分析

當太陽光線投射到PV/T 組件的玻璃蓋板表面時，一部分被吸收、反射，一部分透過PV/T 組件蓋板。PV/T 組件玻璃蓋板表面所接收的太陽輻射能，一部分被光伏電池板吸收后轉化為電能，并向外輸出；一部分轉化為熱能。上述熱能一部分被集熱器中的冷卻水吸收； 一部分以輻射換熱和對流換熱的方式散失到周圍的環境中。

整個PV/T 系統的能量平衡關系式為

式中：Q 為PV/T 系統吸收的太陽輻射能，J；Qe為光伏電池板輸出的電能，J；Qu為PV/T 系統的得熱量，J；Qs為光伏電池板和集熱器的儲能，J；Qc為PV/T 系統的輻射換熱損失，J；Qr為PV/T 系統的對流換熱損失，J。

由于積塵顆粒屬于非透明性固體， 因此會遮擋太陽光線。 若PV/T 組件表面存在積塵，其玻璃蓋板表面所接受的太陽輻射能會減弱， 從而影響PV/T 系統的得熱量和發電量。

2.2 性能評價指標

2.2.1PV/T 系統光電效率評價指標

當PV/T 組件在穩態條件下運行時， 該PV/T組件的實際發電量與其表面接收到的太陽輻射量之比為PV/T 系統的光電效率。 PV/T 系統光電效率ηe的表達式為

式中：P 為PV/T 組件的輸出功率，W；ε 為PV/T 組件表面的覆蓋因子；A 為PV/T 組件的面積，m2；E為太陽輻射強度，W/m2；V 為PV/T 組件的實時電壓值，V；I 為PV/T 組件的實時電流值，A。

2.2.2PV/T 系統光熱效率評價指標

當PV/T 組件在穩態條件下運行時， 該PV/T組件的實際得熱量與其表面接收的太陽輻射量之比為PV/T 系統的光熱效率。 PV/T 系統光熱效率ηth的表達式為

式中：Q 為PV/T 組件的實際得熱量，W；m 為PV/T 組件內循環工質的質量流量，kg/s；cw為PV/T 組件內循環工質的比熱容，J/（kg·℃）；△T 為PV/T組件的進、出口溫度差，℃。

2.2.3PV/T 系統光電光熱綜合效率評價指標

PV/T 系統輸出的能量包括電能和熱能，因此，對PV/T 系統的性能進行評價時，比單獨評價太陽能集熱系統和光伏系統復雜。PV/T 系統光電光熱綜合效率（以下簡稱為綜合效率）ηz的表達式為

由于電能的品位比熱能高，Huang 定義了新的PV/T 系統的綜合效率ηpz， 該評價參數考慮了熱能與電能的品味差[10]。 ηpz的表達式為

式中：ηpv為PV/T 系統的加權綜合效率；ηpower為常規電廠的發電效率，取0.38。

2.2.4 下降率

光電效率下降率ξe的表達式為

式中：ηB，e為B 組PV/T 系統的光電效率；ηA，e為A組PV/T 系統的光電效率。

光熱效率下降率ξth的表達式為

式中：ηB，th為B 組PV/T 系統的光熱效率；ηA，th為A 組PV/T 系統的光熱效率。

綜合效率下降率ξz的表達式為

式中：ηB，z為B 組PV/T 系統的綜合效率；ηA，z為A組PV/T 系統的綜合效率。

光電效率下降率、光熱效率下降率和綜合效率下降率分別表征積塵對PV/T 系統光電效率、光熱效率和綜合效率的影響程度。

3 實驗結果與討論

3.1 不同狀態下PV/T 系統實驗分析

測試日， 太陽輻射強度和環境溫度隨時間的變化情況如圖4 所示。

圖4 測試日，太陽輻射強度和環境溫度隨時間的變化情況Fig.4 Changes of solar radiation intensity and ambient temperature with time on the test day

測試日，清潔、積塵狀態下，PV/T 系統的光電效率、光熱效率隨時間的變化情況如圖5 所示。本文若如無特殊說明，積塵密度均為1.56 g/m2。

圖5 測試日，清潔、積塵狀態下，PV/T 系統的光電效率、光熱效率隨時間的變化情況Fig.5 Changes of photoelectric efficiency and photothermal efficiency of PV/T system with time under clean and dust accumulation conditions on test day

由圖4，5 可知，2 組PV/T 系統光電效率的變化趨勢均與太陽輻射強度的變化趨勢相似， 均呈現出先上升后下降的變化趨勢， 只有在12：00 左右出現一個低值點， 這是由于12：00 左右太陽輻射強度較大，PV/T 組件流道中冷卻水溫度升高速度較快，導致PV/T 組件溫度較高，因此，PV/T 系統光電效率較低。 由圖5 還可看出，A 組PV/T 系統光電效率整體上高于B 組PV/T 系統，并且這2組PV/T 系統的光電效率均在13：30 左右達到最高值，A，B 組PV/T 系統光電效率的最大值分別為17.6%，16.1%。 由圖5 可知，A，B 組PV/T 系統光熱效率的變化情況基本相同， 整體上均呈現出先增大后減小的變化趨勢， 這是由于從早晨到中午太陽輻射強度逐漸升高， 并且試驗開始階段PV/T 組件流道中循環水溫度較低，因此，循環水的吸熱效果較好， 導致PV/T 系統的集熱效率逐漸升高。 到了中午，隨著PV/T 組件流道中循環水溫度逐漸升高，循環水吸收熱量的能力逐漸下降，同時太陽輻射強度也逐漸呈下降趨勢， 在這2 種因素的共同作用下，PV/T 系統的集熱效率呈現出快速下降的變化趨勢。A 組PV/T 系統的光熱效率整體上高于B 組PV/T 系統，A，B 兩組PV/T 系統的光熱效率均在13：00 左右達到最高值，A 組PV/T 系統光熱效率的最大值為58.68%，B 組PV/T系統光熱效率的最大值為50.74%。

圖6 為測試日， 是否考慮電能與熱能的品位差時，清潔、積塵狀態下，PV/T 系統綜合效率隨時間的變化情況。

由圖6 可知，考慮、不考慮電能與熱能的品位差時，A，B 組PV/T 系統綜合效率隨時間的變化均呈現出先上升后下降的變化趨勢。A，B 組PV/T系統綜合效率均在13：00 左右達到最大值。 由圖6 還可看出，考慮電能與熱能的品位差時，A，B 組PV/T 系統綜合效率隨時間的變化趨勢與不考慮電能與熱能品位差的工況大體相同。 考慮電能與熱能的品位差時，A，B 組PV/T 系統綜合效率整體上高于不考慮電能與熱能品位差的工況。

圖6 測試日，是否考慮電能與熱能品位差時，清潔、積塵狀態下，PV/T 系統光電光熱綜合效率隨時間的變化情況Fig.6 Whether to consider the change of PV/T system photoelectric photo thermal comprehensive efficiency with time under the condition of clean and dust accumulation when considering the power and heat grade difference on the test day

結合上文的測試數據可以計算出， 積塵狀態下，PV/T 系統光電效率下降率、光熱效率下降率，以及是否考慮電能與熱能的品位差時， 該PV/T系統的光電光熱綜合效率下降率（以下簡稱為綜合效率下降率）。測試日，PV/T 系統的光電效率下降率、光熱效率下降率，以及是否考慮電能與熱能的品位差時，PV/T 系統的綜合效率下降率隨時間的變化情況，如圖7 所示。

圖7 測試日，積塵狀態下，PV/T 系統不同參數下降率隨時間的變化情況Fig.7 Variation of the decline rate of different parameters of PV/T system with time under dust accumulation state on the test day

由圖7 可知， 積塵狀態下，PV/T 系統的光電效率下降率、光熱效率下降率，以及是否考慮電能與熱能的品位差時，PV/T 系統綜合效率下降率均呈現出先下降后上升的變化趨勢， 這表明光照強烈時（11：00-15：00），積塵狀態下，PV/T 系統光電效率和光熱效率的衰減速率均較慢； 光照不強烈時（9：00-11：00，15：00-16：00），PV/T 系統光電效率和光熱效率的衰減速率均較快， 這是由于強烈光照穿透積塵的能力較強。 積塵狀態下，PV/T 系統光電效率下降率為9.24%～13.55%，光電效率下降率的平均值為11.15%；PV/T 系統光熱效率下降率為13.54%～18.21%， 光熱效率下降率的平均值為15.56%。 由此可見，PV/T 系統表面積塵對自身光熱效率的影響大于對該系統光電效率的影響。 不考慮電能與熱能的品位差時，積塵狀態下，PV/T 系統綜合效率下降率為12.51%～16.57%，PV/T 系統綜合效率下降率平均值為14.17%；考慮電能與熱能的品位差時，PV/T 系統綜合效率下降率為11.56%～15.47%，PV/T 系統綜合效率下降率的平均值為13.07%。

3.2 積塵密度影響實驗

本文測試了5 種積塵密度條件下（積塵密度分 別 為0.49，0.73，0.95，1.21，1.56 g/m2），PV/T 系統的光電效率下降率、光熱效率下降率，以及是否考慮電能與熱能的品位差時，PV/T 系統的光電光熱綜合效率下降率， 得到了各參數的下降率隨積塵密度的變化曲線以及相應的擬合方程。

圖8 為PV/T 系統的光電效率下降率隨積塵密度的變化情況以及相應的擬合曲線。 圖8 中PV/T 系統光電效率下降率隨積塵密度變化的擬合公式為y=3.820 11n（x）+9.519 3，相關系數的平方R2為0.998 5。

圖8 PV/T 系統的光電效率下降率隨積塵密度的變化情況以及相應的擬合曲線Fig.8 The change of photoelectric efficiency decline rate with dust density and the corresponding fitting curve of PV/T system

此外，PV/T 系統光熱效率下降率隨積塵密度變化的擬合公式為y=6.309 1ln （x）+12.72，R2為0.984 9； 未考慮電能與熱能品位差時，PV/T 系統綜合效率下降率隨積塵密度變化的擬合公式為y=5.331 1ln（x）+11.723，R2為0.954 3；考慮電能與熱能的品位差時，PV/T 系統綜合效率下降率隨積塵密度變化的擬合公式為y=4.224 7ln（x）+11.113，R2為0.982 1。 綜上可知， PV/T 系統光電效率下降率、光熱效率下降率，以及是否考慮電能與熱能的品位差時， 該PV/T 系統的光電光熱綜合效率下降率，隨積塵密度的變化趨勢大體相同，均隨著積塵密度的增大而增大。 此外，通過分析發現，當沉積密度較小時，各參數下降率的增速較快；當沉積密度較大時，各參數下降率的增速較慢。

3.3 積塵形態影響實驗

由于外界條件、 自身屬性的影響，PV/T 組件蓋板表面的積塵常出現不同的積塵形態。 通常將灰塵形態分為松散積塵形態和粘結積塵形態。 表1 為不同積塵形態下，積塵密度以及PV/T 系統的各項性能的下降率。 表中粘結積塵形態實驗在小雨天后的第二天進行。

表1 不同積塵形態下，積塵密度以及PV/T 系統各項性能的下降率Table 1 The decline rate of dust density and performance of PV/T system under different dust deposition forms

由表1 可知， 粘結積塵形態下的PV/T 系統光熱效率下降率與松散積塵形態下的PV/T 系統光熱效率下降率很接近，但粘結積塵形態下的PV/T 系統的光電效率下降率和綜合效率下降率均大于松散積塵形態。

4 結論

本文通過對比實驗， 研究自然積塵對光伏光熱（PV/T）系統各項性能的影響，分析結論如下。

①與清潔狀態相比， 當PV/T 組件表面積塵密度為1.56 g/m2時，PV/T 系統光電效率下降率為11.15%；PV/T 系統光熱效率下降率為15.56%；不考慮電能與熱能的品位差時，PV/T 系統綜合效率下降率為14.17%； 考慮電能與熱能的品位差時，PV/T 系統綜合效率下降率為13.07%。

②測試日，PV/T 系統光電效率下降率、 光熱效率下降率，以及是否考慮電能與熱能品位差時，PV/T 系統綜合效率下降率均呈現出先下降后上升的變化趨勢。 PV/T 組件表面積塵對PV/T 系統光熱效率的影響大于對該系統光電效率的影響。

③PV/T 系統的光電效率下降率、光熱效率下降率， 以及是否考慮電能與熱能的品位差時，PV/T 系統綜合效率的下降率均隨著表面積塵密度的增大而增大。 當積塵密度較小時，各參數下降率的增大速率均較快；隨著積塵密度逐漸增大，各參數下降率的增大速率均逐漸減慢。

④粘結積塵形態下PV/T 系統的各項性能的下降率均大于松散積塵形態下的PV/T 系統。