光伏熱水系統在不同溫度工況下的熱性能研究

胡志鵬，高 錢，肖君彥，盛振猛

(1.山東省產品質量檢驗研究院，濟南 250102；2.舜普新能源科技(山東)有限公司，濟南 250100)

0 引言

太陽能作為一種綠色、可再生的清潔能源，現已得到廣泛利用，而太陽能熱水系統與光伏發電系統是太陽能的2種主要利用方式[1-2]。本文設計了一種將儲熱水箱與光伏發電相結合的熱水系統(下文簡稱“光伏熱水系統”)，利用光伏組件將太陽能轉化為電能，通過電加熱的方式為儲熱水箱中的水加熱，以此實現熱水供應。針對光伏組件的光電轉換效率受環境溫度與太陽輻照度影響這一特性，提出了不同環境溫度工況下光伏熱水系統的熱性能測試方法，設計了一套模擬該光伏熱水系統實際工作溫度的實驗平臺，并對該系統進行了性能測試、分析與研究。

1 光伏熱水系統的組成及實驗平臺搭建

1.1 光伏熱水系統的組成

本文設計的光伏熱水系統主要包括光伏組串、儲熱水箱、直流加熱器及連接電纜等。光伏組串由安裝于山東省產品質量檢驗研究院綜合樓(36.66°N、117.23°E)樓頂的 3塊功率為 275 W的多晶硅光伏組件串聯而成；儲熱水箱中安裝有直流加熱器，光伏組串產生的電能通過電纜進入直流加熱器，用于加熱儲熱水箱中的水。

1.2 實驗平臺搭建

光伏組串放置在溫度可調的環境箱內，同時在環境箱內安裝1塊與組件安裝傾角(45°)相同角度的總輻照表。儲熱水箱安裝在室內，室內溫度設定為16±3 ℃；儲熱水箱中設置有溫度傳感器，用于監測儲熱水箱中的水溫。

2 實驗過程

1)稱量儲熱水箱盛滿水后的質量，以此判斷儲熱箱的容水量。

2)設定環境箱內的溫度。

3)儲熱水箱充滿水后，記錄儲熱水箱中的初始水溫；實驗結束后，記錄儲熱水箱中的終止水溫。

4)記錄光伏組串表面接收的太陽輻照量。

5)通過功率分析儀監測直流加熱器端的電壓、電流、功率。

6)根據儲熱水箱中的水溫變化計算得到水的得熱量；根據水的得熱量、光伏組串表面接收的太陽輻照量、光伏組串輪廓采光面積計算得到光伏熱水系統的轉換效率(系統的轉換效率為水的得熱量與光伏組串表面接收的太陽輻照量和光伏組串輪廓采光面積乘積的比值)[3-5]。

3 實驗結果及分析

為了研究高溫和低溫環境溫度對光伏熱水系統熱性能的影響，分別選取2020年的4月3日、4月24日及4月30日作為測試日進行測試。4月3日設定了較高的環境箱內溫度；4月24日和4月30日設定了低于大氣環境溫度的環境箱內溫度。不同溫度工況下光伏熱水系統的熱性能測試數據如表1所示。

由表1可以看出，雖然2020年4月3日這天光伏組串表面接收的太陽輻照量最大，為14.08 MJ/m2，但該日的系統轉換效率最低，僅為14.21%。這是因為在光伏組串輪廓采光面積一定的情況下，系統的轉換效率只與光伏組串表面接收的太陽輻照量及水的得熱量有關，而水的得熱量又與光伏組串的發電量直接相關。由于4月3日環境箱內設置的溫度過高，對光伏組件的工作溫度造成了影響，降低了光伏組串的發電量，導致系統的轉換效率較低。同理，4月24日與4月30日時，環境箱內的溫度設置的較低，光伏組串的發電量也相對較好。但從表中也可以看出，4月24日，光伏組串的發電量為3天中最佳，但該日系統的轉換效率僅排名第2，而4月30日時系統的轉換效率反而最高。這也說明了雖然環境溫度是影響光伏熱水系統轉換效率的因素，但并不是唯一的影響因素，具體原因將在今后的實驗中繼續探索。

表1 不同溫度工況下光伏熱水系統的熱性能測試數據Table 1 Test data of thermal performance of PV hot water system under different temperature conditions

4月3日、4月24日及4月30日光伏組串表面接收的太陽輻照量與光伏組串的發電量隨時間變化的曲線如圖1所示。對比3張圖可以發現，并非光伏組串表面接收的太陽輻照量越多，組串的發電量就越多，尤其是4月3日，光伏組串表面接收的太陽輻照量最多，但該日組串的發電量僅高于4月30日組串的發電量。

綜合表1和圖1可以發現， 4月3日光伏組串表面接收的太陽輻照量是4月24日的1.05倍，而組串的發電量只是4月24日的0.90倍；同樣，4月3日組串表面接收的太陽輻照量是4月30日的1.26倍，而組串的發電量只是4月30日的1.08倍。也就是說，在單位太陽輻照量下，4月3日光伏組串的發電量是最少的，這也說明過高的環境溫度對光伏組串的發電量有一定影響，但這可能不是唯一的影響因素，后續還需進行進一步研究。

4 結論

本文介紹了一種光伏熱水系統，并搭建了可模擬該系統實際應用的實驗平臺，該平臺可設定不同的環境溫度條件，有助于對光伏熱水系統整體性能進行長期研究與分析。

本文選取了3個不同環境溫度工況進行實驗，結果表明，光伏組串表面接收的太陽輻照量最大時，系統的轉換效率未必最高；同時，環境溫度會對系統的轉換效率產生影響，但環境溫度不是唯一的影響因素。