冷卻水流量變化對板管式光伏光熱系統的性能影響探析

張適闊

(江西現代職業技術學院，江西 南昌 330000)

0 引言

板管式光伏光熱系統是利用太陽能進行能源轉化的系統，其中的核心便是光伏電池，為了提高光伏電池的電壓和電流，通常情況下就會將光伏電池進行串聯或并聯，以此來實現電壓和電流很小的光伏電池的電壓提升，從而構成了光伏組件，來促進光伏電池的有效使用。現階段廣泛應用的光伏組件是晶硅組件，相比于其他的組件晶硅組件價格更加低廉，并且在長時間的研究與發展中，技術也更加成熟，發電過程也更加穩定，并且原料豐富制備工藝也已經十分成熟。雖然晶硅組件有著諸多的優勢，但是其缺點也十分明顯，那就是晶硅組件很容易受到溫度影響，在溫度升高的過程中，晶硅組件的發電效率會明顯地降低，由于晶硅組件的溫度系數較大，所以應當采用冷卻措施來保證晶硅組件的溫度，以此來確保晶硅組件的輸出功率穩定，提升單位面積晶硅組件的發電量[1]。

1 冷卻類型

1978年，國外科學家率先提出了光伏光熱系統，即PV/T系統，在現階段的研究之中，根據冷卻系統的工質不同，可以將冷卻類型分為空氣型和水冷型，這兩種類型是目前常用的兩種類型，各有利弊。平板式水冷型，這一類型的優點是能夠直接使用，并且不需要進行二次換熱，不僅如此，在光學特性以及熱容量方面都有著很明顯的優勢，很多學者都選擇這一類型進行深入研究，希望讓這一類型的優勢進一步擴大，更好地推動其全面應用。有關專家會利用模型進行研究，結果發現，在保證熱傳導、熱對流以及熱輻射等條件穩定的情況下，光伏光熱系統的總效率能夠達到60%～80%，隨后根據理論分析和實驗探究，在對9種結構不相同的水冷型光伏光熱系統進行測試之后發現，在光伏光熱系統熱效率與電效率的相互作用之下，只有板管式光伏光熱系統的熱效率是最高的，其主要的冷卻方法是將冷卻工質順著光伏板下方的流道進行流動，以此來實現對光伏光熱系統的冷卻，在后續的研究中發現，工質溫度較高是引起電能損失的主要原因，而熱能損失的主要原因則是熱對流和吸熱板的高發射率，除此之外，還發現要想實現對光伏光熱系統電性能與熱性能的改善，就需要充分改善集熱器結構和冷卻工質的流量，并對太陽輻射的吸收量進行控制[2]。在通過大量的實際測試發現，板管式光伏光熱系統的熱性能與電性能很大程度上受到冷卻水流量的影響，因此為了實現更好的發電效率，還需要對冷卻水的流量進行研究，探尋出最佳的流量范圍。

2 光伏光熱系統模型

在光伏光熱系統正常工作的條件之下，熱能傳遞主要過程如下，首先太陽將熱量輻射傳送到光伏光熱系統的表面，隨后由表面的組件接收熱量，隨后由接觸面傳遞到非接觸面，再由非接觸面傳遞到冷卻水，實現了熱量傳遞，在這一過程之中會通過熱對流實現熱量的散失，除此之外，還有熱量傳遞過程中的熱量散失，根據這些熱量傳遞與散失的過程可以實現對光伏光熱系統熱效率的計算。

3 光伏光熱系統的原理

整個光伏光熱系統的構成有光伏光熱組件、儲熱水箱、水管水泵、變頻器和數據采集系統幾個部分，其主要的原理是利用水管和水泵將儲熱水箱中的水進行泵出，隨后將水輸送到光伏發熱組件最下部的銅管中，利用銅鋁集熱器將熱量進行吸收隨后傳遞到冷卻水中，在冷卻水吸收了光伏光熱組件中的熱量之后，通過水泵的作用流回儲熱水箱中去，如此往復，實現對光伏光熱系統的持續散熱。為了實現資源的有效利用，被加熱多次后的冷卻水可以輸送到住戶中，作為生活用水使用，不僅能夠保證冷卻效果的良好，還能夠為住戶提供生活熱水，可謂誰一舉多得，其中水泵是由調節變頻器來控制的，通過變頻器頻率變化來控制水量變化，實現對溫度的最佳控制[3]。

4 實驗環境控制

在進行光伏光熱系統的測試時，要充分模擬外部環境，實現真實的環境模擬，要將溫度進行細微的控制，保證溫度的變化范圍不超過0.5 ℃，保證實驗室全部封閉平均溫度恒定在26 ℃，為了模擬太陽光，要采用功率很大的鹵鎢燈來進行照射實驗，為了更加全面的模擬太陽照射，要安裝多臺鹵鎢燈并且還要進行分散的照射，試驗時要將光伏光熱組件進行區域的劃分，從而實現對于組件各個位置太陽光輻射強度的有效檢測，除此之外，還要保證所有的組件都是能夠正常使用，使實驗過程中各個部分的參數能夠取標準值，便于對實驗結果的測算，只有嚴格控制好實驗環境，才能夠保證實驗結果的準確。

5 實驗結果的分析

在外界的溫度環境不變的情況下，冷卻水的流量、光伏光熱組件的溫度以及光伏光熱系統的發電功率會有不同的變化，一般情況下，隨著冷卻水流量的逐步增加，光伏光熱組件的溫度在不斷地下降，同時光伏光熱組件的發電功率衰減百分數，呈現出了先增加后減小的趨勢，由此可以看出，冷卻水流量與光伏光熱組件的溫度，以及光伏光熱組件的發電功率衰減百分比并沒有顯現出線性關系，主要原因是光伏光熱組件溫度在冷卻水的作用下降低之后，發電功率得到了一定程度的提升。可是隨著冷卻水的不斷循環，冷卻水流回集熱水箱后，溫度并沒有得到有效降低，便再次進入了冷卻循環，這就導致集熱水箱之中的冷卻水溫度逐漸上升，冷卻水與光伏光熱組件之間的熱交換效率下降，導致整體的冷卻效果下降，光伏光熱組件的溫度不能夠及時，降低，致使光伏光熱組件的溫度上升，電功率也就因此有了一定程度的下降。在進行實際的試驗時發現，光伏光熱組件在冷卻水的作用下溫度明顯降低，同時光伏光熱組件的電功率衰減百分數，也隨著冷卻水流量的增加逐漸上升，在對實驗結果的分析發現，冷卻水流量控制在0.15 kg/s 時，能夠實現最低的平均溫度以及最低的輸出功率衰減百分數，由此可以得出，冷卻水流量在0.15 kg/s 時，對于光伏光熱組件的冷卻效果最好，并且對于光伏光熱組件的運用效率也最高[4]。

6 結語

本文主要對板管式光伏光熱系統，在熱性能和電性能方面進行了探究，并根據實際的實驗對冷卻水流量進行了分析，得出了在整個系統發電效率最高，同時冷卻效果最好的冷卻水流量值。其主要表現在冷卻水流量的增加光伏光熱組件的溫度變化、發電功率的變化、光伏光熱系統的熱效率變化，以及PV/T組件相對于PV組件的優越性。