光伏光熱一體化系統性能實驗研究

宮冠軍

（中海油能源發展裝備技術有限公司，天津 300000）

隨著光伏發電技術的日益成熟，光伏發電在全世界取得了迅速發展，太陽能電池是光伏發電的核心，晶體硅太陽能電池的發電效率依賴其工作溫度，研究表明，太陽能電池工作溫度上升1 ℃，電池輸出功率隨之降低0.5%[1]。大部分太陽輻射能在電池表面轉化成了熱量，特定條件下時，其工作溫度甚至將達到80 ℃[2]，過高的工作溫度不僅會降低太陽能電池的工作效率，也會存在安全隱患。

因此，有必要采取措施對太陽能電池進行降溫處理，提高光伏發電效率。

1 光伏光熱一體化冷卻技術

在降低太陽能電池溫度的同時，將流體帶走的熱量加以利用，這種系統在提高發電效率的同時還可以提供熱能，可稱之為光伏光熱一體化(PV/T)系統。同樣外部條件下，PV/T 系統可以更有效地降低太陽能電池工作溫度。而實際情況中為了盡可能有效降低太陽能電池溫度，PV/T 集熱器進口冷卻水溫度較低，這種情況下使得PV/T 集熱器出口水溫也較低，PV/T 集熱器收集的太陽輻射能量不能得到高效利用[3]。PV-SAHP 系統將太陽能電池和熱泵系統的蒸發器結合在一起，形成PV 蒸發器。PV 蒸發器接收到的太陽輻照中，一部分用于光伏發電，另一部分的能量由PV 蒸發器吸收，經熱泵系統循環提升后得到可供利用的熱量。PV-SAHP 系統不僅可以有效降低太陽能電池溫度，還可以提高熱泵的效率[4]。

2 實驗原理及裝置

PV-SAHP 系統實驗原理是在太陽能電池背面設置冷卻盤管，冷卻盤管也作為蒸汽壓縮式熱泵系統的蒸發器，制冷劑在冷卻盤管中通過相變吸收太陽能電池散發的熱量，從而達到對太陽能電池降溫的目的，同時熱泵系統將蒸發器吸收的熱量循環后通過冷凝器放出，可以用于生活供熱。實驗裝置及測點示意圖如圖1 所示。

圖1 實驗裝置及測點示意圖

3 實驗結果分析

3.1 太陽能電池工作溫度的變化

圖2 和圖3 為無冷卻和有冷卻條件下，連續兩天太陽能電池的工作溫度變化曲線。可以看出在熱泵系統工作階段，太陽能電池工作溫度明顯下降。08-29 溫度最高時刻為14：00，兩組太陽能電池工作溫度均為最高，有冷卻組最高溫度為45 ℃，無冷卻組最高溫度為55 ℃。溫差在14：00 也為一天中最大，溫差為10 ℃。08-30 溫度最高時刻為15：00，兩組太陽能電池工作溫度均為最高，有冷卻組最高溫度為45 ℃，無冷卻組最高溫度為63 ℃。溫差在15：00 也為一天中最大，溫差為18 ℃。

圖2 08-29 無冷卻和有冷卻條件下的太陽能電池工作溫度

圖3 08-30 無冷卻和有冷卻條件下的太陽能電池工作溫度

通過實驗結果，在系統工作時間內，08-29 太陽能電池溫度平均下降8 ℃，08-30 太陽能電池溫度平均下降12 ℃。這顯示了熱泵蒸發器對太陽能電池有良好的降溫作用，這對于太陽能電池發電是十分重要的。

3.2 太陽能電池發電功率的變化

圖4 和圖5 為無冷卻和有冷卻條件下，連續兩日太陽能電池的發電功率曲線。在相同的環境條件下，可以看出在制冷裝置工作階段，有冷卻的太陽能電池發電功率明顯高于無冷卻的太陽能電池組的發電功率。08-29 發電功率最高時刻為14：00，兩組太陽能電池發電功率均為最高，有冷卻組最高發電功率為181.1 W，無冷卻組最高發電功率為172.2 W。功率提升的幅度在14：00 也為一天中最大，功率提升最大為8.9 W。08-30 溫度最高時刻為15：00，兩組太陽能電池發電功率均為最高，有冷卻組最高發電功率為176.1 W，無冷卻組最高發電功率為165.5 W。功率提升的幅度在15：00也為一天中最大，功率提升最大為11.1 W。

圖4 08-29 無冷卻和有冷卻條件下的太陽能電池發電功率

圖5 08-30 無冷卻和有冷卻條件下的太陽能電池發電功率

通過分析實驗結果得到，在熱泵蒸發器將太陽能電池降溫幅度最大的時刻（08-29T14：00、08-30T15：00），也是太陽能電池發電功率最高的時刻，這再一次證明了熱泵系統對太陽能電池發電功率有著積極的正面作用。在系統工作時間內，08-29 太陽能電池發電功率平均提升6.9 W，提升幅度約為4%；08-30 太陽能電池發電功率平均提升8.2 W，提升幅度約為5%。

4 結論

PV-SAHP 系統可以有效降低太陽能電池的工作溫度，提高光伏發電功率，并且將太陽能電池余熱高效利用，實現了太陽能的雙重使用，提高系統的節能效果。本文對PV-SAHP 系統進行了實驗研究和混合預測，得到如下結論：①PV-SAHP 系統將太陽能電池和太陽能熱泵系統的蒸發器結合在一起，形成PV 蒸發器。PV-SAHP 系統不僅可以有效降低太陽能電池溫度，還可以提高熱泵的效率。②搭建了光伏太陽能熱泵系統，PV 蒸發器可以有效降低太陽能電池的工作溫度，最高降溫可達18 ℃，平均下降10 ℃，光伏發電效率平均提升約5%。