光伏光熱一體化組件性能實驗探究與分析

白梓丁 于國清

上海理工大學

0 引言

在建筑建造中常采用光伏發電裝置，該裝置較常見的問題為在發電的同時會產生過熱，影響其總發電效率。在新型熱電聯產系統中，將這部分熱量收集起來用于建筑供暖，并且使光伏電池溫度保持在不降低總效率的區間內，這種將發電和供暖相結合的裝置稱為PV/T裝置。

國內外許多學者也對PV/T系統進行了研究，主要集中在一體化組件的結構優化，性能的提高與建筑的一體化結合等方面。張遠巍等人提出了一種新型熱管式光伏光熱一體化系統，分析不同因素對熱管式PV/T系統光電轉化效率、光熱轉化效率以及實際能量[1]影響。胡志鵬等人主要研究了不同溫度工況下熱水系統的熱性能[2]。鄭仁春等人通過建立PV/T系統的動態數學模型，對比計算了系統在有無重力特性下的熱力性能[3]。郭嘉等人定量分析了環境溫度、風速、入射輻射量對系統熱電性能以及綜合性能的影響[4]。何世鈞等人通過計算機仿真計算可知在太陽能熱水系統補充熱量最小的傾角時,才能更有效地利用冬季的太陽能資源[5]。陳海平等人對在定出口水溫工況下運行的低倍聚光光伏/光熱系統進行理論與實驗研究[6]。

本文主要對不同進口水溫，不同一體化組件傾角，不同流量時PV/T一體化組件的熱、電效率進行研究。

1 實驗系統

1.1 研究對象

本文的研究對象是PV/T系統，PV/T系統是由光伏電池組件和太陽能集熱器組成的系統，其組件結構如圖1所示。當太陽輻射通過玻璃蓋板入射到電池組件上，一部分被轉化為電能通過外接電路輸出，一部分被轉化為熱能傳遞給流體通道內的散熱介質，EVA包裹著光伏組件，流體通道和層壓板有較大的接觸面積，以提高對電池組件的散熱效果[4]，可以同時實現光電利用和光熱利用，從而提高太陽能的綜合利用效率[7]。

圖1 光伏光熱一體化系統（PV/T）結構示意圖

1.2 實驗系統的組成

本文介紹的PV/T一體化組件性能測試實驗臺搭建在上海理工大學城建學院樓頂，實驗系統由PV/T一體化組件和恒溫水箱、水表、循環水泵組成，實驗管線連接如圖2所示。

圖2 實驗管線連接圖

1.3 PV/T組件性能測試

本次實驗中需測量的參數：太陽輻照度、室外環境溫度、室外風速、PV/T一體化組件的進口水溫、出口水溫、流量、電阻兩端電壓。測試詳細工況見表1。

表1 測試詳細工況

在熱性能測試系統中，利用恒溫水浴裝置控制進口水溫，實驗過程中通過調節旁通閥來控制流量，光伏光熱板進出口處裝有四線制PT100鉑電阻對進、出口水溫進行測量，通過進、出口溫差以及水的密度、水的比容和水流量的乘積可計算出一體化組件的有效得熱量，光熱效率可用得熱量除PV/T組件接收到的太陽輻照度。熱電性能測量所用儀器及其用途見表2。

表2 熱電性能測量所用儀器及其用途

電性能測試系統中的實驗裝置見圖3。將標準電阻串聯在一體化組件的正負極兩端形成電路，測量通過標準電阻的電流值可計算PV/T一體化組件連接負載時的實際輸出功率，接50Ω負載時該一體化組件的光電效率值可用輸出電功率除PV/T組件接收到的太陽輻照度。實驗裝置為了更直觀地分析一體化組件的效率，引入一體化組件的日總熱效率、日總電效率和日總綜合效率進行分析，其計算方法分別為有效時間段內有效得熱量總和與總太陽輻照量的比值，輸出電功率總和與總太陽輻照量的比值，按式（1）可計算得出綜合性能效率。

式中：Ep——光伏光熱一體化組件綜合性能效率；

ηt——光伏光熱一體化組件光熱效率；

ηe——光伏光熱一體化組件光電效率；

ζ——常規火力發電效率。

圖3 實驗裝置

2 基本工況測試結果分析

實驗工況：PV/T一體化組件正南方向與地面30°傾角放置，進口水溫控制為35℃（溫度波動不大于0．5 ℃），流量為120 L/h。

1）一體化組件有效得熱量與太陽輻照度及環境溫度的關系見圖4。

圖4 有效得熱量與輻照度及室外溫度的關系

由圖4可見，有效測試時間段9:30-15:00內太陽輻照度的范圍為660～888 W/m2，最大值出現在11:30左右，最小值出現在15:00。室外環境溫度最小值出現在10:00左右，并隨著時間呈逐漸增大趨勢。一體化組件的有效得熱量的范圍為59．03～335．29 W，最大值出現的時刻為11:30左右，與輻照度最大值出現時刻相符。由圖中可以看出有效得熱量變化趨勢與太陽輻照度基本一致，但上午的有效得熱量低于下午相同輻照度時刻的有效得熱量。可以得出一體化組件的有效得熱量受太陽輻照度和環境溫度的共同影響，但相對而言，太陽輻照度的影響較大。

2）一體化組件串聯50Ω電阻時輸出電功率和太陽輻照度及環境溫度的關系見圖5。

圖5 輸出電功率與輻照度及室外溫度的關系

分析數據可以發現，系統剛開始運行時出現了一體化組件最大輸出電功率值，隨后緩慢減小并從9:30左右趨于穩定，在15:00后又急劇減小。

根據實驗數據可得出以下結論：當系統循環水溫達到穩定且輻照度不小于300 W/m2時，串聯50Ω電阻的光伏電池板的輸出電功率相對較穩定，整體無大波動；太陽輻照度低于300 W/m2時，一體化組件串聯50Ω電阻時的輸出功率出現驟減現象。組件光電、光熱效率與輻照度關系見圖6。

圖6 光電、光熱效率與輻照度的關系

3）一體化。

一體化組件光電、光熱效率與輻照度的關系如圖6所示。由圖6可以看出在9:30-15:00時間段內一體化組件光熱效率的范圍為12．31%～34．53%，其中最大值出現在11:45，與最高太陽輻照度值出現的時間段相符，可以看出光熱效率變化趨勢與輻照度變化趨勢基本一致，但上午的熱效率低于下午相同輻照度時刻的熱效率。

有效測試時間內串聯50Ω負載的一體化組件輸出光電效率范圍為2．78%～5．53%，觀察一體化組件瞬時電效率曲線可以發現測試時間段內無大波動，但太陽輻照度大的時間段內輸出電效率較低。

4）一體化組件效率分析如圖7。

一體化組件正南方向30°傾角放置，進口水溫控制為35℃，流量為120 L/h工況下的各效率如圖7，由圖上可以看出該測試工況下一體化組件日總熱效率為22．43%，日總電效率為6．25%，日總綜合效率為36．87%。

圖7 一體化組件光熱效率曲線

3 影響因素分析

由圖8可以看出Ti=30℃工況下組件具有最高的綜合效率，其次為Ti=35℃工況和Ti=40℃工況，其對應的日總綜合效率依次為43．69%，39．29%，37．54%。可得出結論：在進行的調節進口水溫的測試工況中，Ti=30℃工況是一體化組件的最佳運行工況。

不同傾角工況下一體化組件綜合性能效率對比如圖9。由圖9可見45°傾角工況下組件具有最高的綜合效率，其次為30°工況和0°工況，其對應的 日 總 綜 合 效 率 依 次 為 41．35% ，36．87% ，36．13%。可得出結論：在調節進口水溫的測試工況中，45°傾角工況是一體化組件的最佳運行工況，30°工況和0°工況下組件綜合效率相差不大。

圖8 不同進口水溫一體化組件日綜合效率對比圖

圖9 不同傾角工況一體化組件日綜合效率對比圖

不同流量工況下一體化組件綜合性能效率對比如圖10，由圖10可見，85 L/h工況下組件具有最高的綜合效率，其次為120 L/h工況和50 L/h工況，其對應的日總綜合效率依次為34．73%，33．00%，26．69%。可得出以下結論：在所進行的調節進口水溫的測試工況中85 L/h工況是一體化組件的最佳運行工況，見圖10。

4 結論

本文通過實驗測試了一體化組件不同進口水溫，不同傾角，不同流量下的熱性能和電性能，對實驗數據進行處理分析，并引入一體化組件綜合性能進行分析，得出如下結論：

1）在流量120 L/h，傾角30°時，在進口水溫30℃工況下一體化組件擁有最優的熱效率值和輸出電功率值，其日總熱效率為35．97%，對應的輸出電功率范圍為29．40～30．51 W。

2）流量120 L/h，進口水溫35℃時，45°傾角放置的一體化組件可接收到較多的太陽輻照度，且具有最優的光熱性能，對應的日總熱效率為32．65%；0°、30°、45°三種傾角工況下一體化組件串聯50Ω標準電阻的輸出電功率相差不大，其影響可忽略。

3）在0°傾角，35℃進口水溫時，調節一體化組件流量分別為120 L/h、85 L/h、50 L/h進行測試可得出流量85 L/h工況下一體化組件擁有最優的熱效率值，對應的日總熱效率值為25．89%；串聯50Ω電阻時組件的輸出電功率隨流量的增大而增大，但變化較小，流量120 L/h工況下一體化組件擁有最優的輸出電功率值，對應的輸出電功率值范圍為24．02～29．19 W。