屋頂太陽能PV/T系統性能分析

徐姝涵

（西安鐵一中國際合作學校，陜西 西安 710054）

1 前言

太陽能的應用，以采用單晶硅作為原料生產的太陽能電池，其轉化率在16%～20%，而在此基礎上，其能量轉化效率很差。此外，在溫度的作用下，太陽能硅片的輸出功率也受到了很大的影響。系統溫度上升1℃時，系統的發電效率就會下降大約0.5%。從光電轉換的角度來看，大約80%的光輻射沒有得到充分的使用，而沒有被充分利用到的熱量則會使電池堆的熱量升高，從而降低了功率。

針對太陽能光伏系統中由于環境的變化，采用在太陽能板后鋪設流動通道，利用循環的方式對其進行降溫，從而使其降溫，改善太陽能的利用率。利用循環系統將太陽能電池的熱轉移出去，同時，產生電能和熱效益的技術。PV/T是一項被世界公認的新型太陽能技術，它可以有效地提高太陽能的利用率，并能滿足客戶對電能質量和質量要求的要求。PV/T系統可以提供熱量和電力，但是，PV/T的運行受到氣象環境的嚴重制約，并且沒有足夠的能量供應。

自從PV/T被提出后，就受到國內外學者廣泛關注，國內外學者從不同的角度對PV/T進行了研究。目前，所研究方向主要集中在材料、結構、流道集合特性、換熱性能等方面。

張晨宇等通過對PV/T采用的相變式蓄熱器進行了實驗，結果表明，采用這種方法可以降低PV/T的溫度變化。對于相同材質的PV/T模型和集熱工質，已有學者對其進行了多種改良。張乾等對PV/T結構有沒有玻璃蓋進行了討論，結果表明，盡管有蓋玻璃罩的PV/T比不加玻璃罩的熱效率要高，但有罩的PV/T比不用玻璃罩要低得多。魯朝陽等人對不同形狀的空冷PV/T流道結構進行了分析，結果表明，通過增加PV/T的入口和入口的面積比例可以有效地改善PV/T的整體性能。王博飛分析了不同流速對PV/T操作特性的影響，得出了在選擇最優流量時，太陽輻照的強弱對PV/T的選擇起著決定性的作用；在高日照條件下，這種方法的作用不明顯。PV/T背后的流路結構是光熱光電轉換的重要因素，許多學者都用各種通道的數學模式來分析PV/T的特性。梁子偉等對PV/T工藝參數進行了優化，結果表明：PV/T型管的最大流量為0.008kg/s，而太陽能電池板的最大體積和集熱器區域比例為0.4。在相同材質、相同等級的情況下，為了滿足電力的需要，本文將重點轉向PV/T的聯接模式對電力設備的操作效果。歐陽麗萍等通過對PV/T系統串聯方式（串聯和并聯）的最佳聯接方式進行了優化分析，結果表明，在各種情況下，采用串聯方式實現最大功率，但采用串聯方式實現最大集中熱的方式卻不盡相同。童維維研究了不同連接方式下的PV/T熱水系統的性能，結果表明，PV/T的綜合性能更優。

如前所述，國內外的研究學者對PVT做了許多提升系統性能的相關研究，本文結合東北地區的氣象參數，對該系統利用仿真模擬的方法對參數變化情況進行了模擬研究。

2 系統介紹

PVT是一種將太陽光電與光熱結合起來的系統。該系統由光伏(PV)和光熱(PT)兩大類組成，即將太陽能和集熱管結合在一起，通過光電效應將光電轉換成DC；然后，將其轉換成工頻的AC電力，由太陽能板產生電能。然后，將太陽能板在光電轉換時所生成的一部分熱能，經過熱交換器回收，并將其持續地轉化成加熱熱水，由此可以在PVT中進行熱電連接。

PVT裝置一般由PVT組件、匯流箱、逆變器、純水箱、平板式換熱器、蓄熱水箱組成。PVT部件是它的主要組成部分，主要有：玻璃罩板、電池板、集熱器、熱傳導硅脂層、水管、隔熱層等。為了減小電池面板前面的熱量損耗，在面板和面板間設置了一道氣流。導電的硅樹脂增強了電池組和集熱體的熱量傳遞，并減小了集熱體后部的熱量損耗。管道與集熱管均勻地連接，使其內部的水溫保持一致，并將吸收熱量的水存儲在一個容器內。

PVT集熱器的發熱范圍為30～60℃，適合家用熱水、采暖及其他需要較高低溫熱需求的公用、民用。鑒于電能能源屬于優質能源，而熱能屬于低端能源，其主要目標是通過增加太陽能發電的利用率來獲取更多電力，從而減少了電力的投入回收周期。而在此過程中，所得到的熱量會成為一種副產物，能夠生產出一定數量的熱水。而PVT系統，則會因為雨天和夜晚的光照不足，而不能進行持續的光和熱交換，從而造成了太陽能電池背面的熱量超標，從而降低了太陽能電池的利用率，從而對太陽能的運行產生不利的作用。

3 系統仿真模型

3.1 模擬軟件介紹

Trnsys仿真軟件是一個瞬態系統仿真軟件，分別包括TRN Build、TRNEdit、TRNOPT。通過在負載的基礎上，TRNSYS能夠精確地計算出系統的能量消耗，并對系統進行優化。TRNSYS仿真程序的最大優勢是計算靈活，組件模塊化。用戶可以按照自己的要求構建任意的連接，從而構成各種系統的計算軟件。

在構建系統模型時，可以從實際情況出發，選擇適當的模型，或者自行構建C語言。該系統可以用于冷、熱聯產系統、槽式太陽能電站、采暖空調系統以及可再生能源的氫氣系統的瞬態仿真。

3.2 PV/T模型

PV/T的太陽能模塊采用Type560模組。PV/T組件能夠為上方的太陽能光電板供電，背面的吸熱器可以從光電電池中吸取熱，再通過管中的循環媒介將熱排出；該換熱器與太陽能電池下面的吸收面板相連（圖1）。

圖1

Type560是基于光伏電池、吸收板和通道管道能量平衡的特殊PV/T模型。光電轉換模式的光電效率與光電板溫度和入射太陽輻射呈線性關系。通過忽略太陽能板表面上能量傳遞的影響，建立太陽能電池表面上任意一點處的能量平衡關系，其公式如下：

式中，S為凈吸收太陽輻射量，W/m2；houter為與環境的對流換熱系數，W/(m2·℃)；TPV為光伏電池板的溫度，℃；Tamb為環境溫度，℃；hrad為輻射換熱系數，W/(m2·℃)；Tsky為天空溫度，℃；Tabs為吸收板的溫度，℃；RT為光伏電池板和吸熱板之間的材料熱阻，(m2·℃)/W。

輻射換熱系數計算如式（2）所示：

式中，ε為光伏電池板的表面輻射系數，取為0.9；Σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數，取為5.67×10-8W/(m2·℃4)；S為單位面積凈吸收太陽輻射量，表示光伏電池板吸收的太陽總輻射減去光伏發電量，S值可由式（3）確定。

式中，(τα)n為法向入射下直射的有效投射吸收積，取值0.85；IAM為入射角修正系數，取為0.1；GT為太陽總輻射，W/m2；ηPV為光伏效率，%。

光伏效率與光伏電池板的溫度和入射太陽輻射相關，如式（4）所示。

式中，ηn為STC下光伏效率20.2%；Xc為PV電池效率與電池溫度的函數；XR為PV電池效率與入射輻射的函數；Xc=1+EffT(TPV-Tref)；Tref為STC下的參考溫度（25℃）；XR=1+EffG(GT-Gref)；Gref為STC下參考光譜輻照度為1000W/m2。

在根據入射太陽輻射和光伏溫度計算光伏系統的效率后，計算有效面積下輸出電功率如式（5）：

式中，APVT為PV/T面積，m2。

當循環工質流過PV/T吸熱板后的流道時吸收熱量，溫度升高，出口溫度可由式（6）計算。

式中，Tfluid,out為PV/T出口溫度，℃；Tfluid,in為PV/T進口溫度，℃；Ntubes為PV/T吸熱板后通道數；Cp為流經PV/T流體的比熱，kJ/(kg·℃)；L為PV/T沿流體方向長度。

式中，ηt為PV/T的熱效率；Qu為PV/T的集熱量，kJ。

3.3 PV/T系統仿真模型（圖2）

圖2 PVT系統仿真模型

通過對PV/T的文獻研究，得出了PV/T裝置的詳細參數，見表1。根據以上工作方式及控制方法，并采用PV/T對系統進行供暖。

表1 PV/T設備參數

在模擬模型中，假定了以下幾個條件：（1）水是單相的、均質的、不可壓縮的；在集熱器中，熱物理性能不隨溫度變化，一維恒定；（2）水箱在集熱期充滿水，系統依靠動力循環泵，在一定的流量下進行循環；（3）沒有考慮集熱系統的熱容影響，認為集熱系統是穩定的還是準穩定的；（4）在實際的耦合體系中，沒有考慮各種管道的壓力損耗和阻力損耗；（5）在實際耦合系統中，管道的熱損耗未被考慮；（6）裝置的各個初始設計資料在瞬態系統中維持不變。

4 系統運行特性模擬研究

本章首先根據第二章建立的部件模塊，結合系統計算仿真流程，使用TRNSYS軟件平臺建立了仿真模型。模擬研究了西安市典型年的氣象參數下，當管數為10根，水箱容積為300L，在不同條件水泵流速30kg/h、40kg/h，50kg/h下，系統各項性能參數的變化規律，分析了各因素對系統性能的影響。

PV/T上的光伏電池組將太陽能轉化為電能進行輸出，當太陽能光照輻射充足，光伏電池組的發電量提高，但大部分輻射沒有在光伏電池組上發生光生伏特效應，未被利用的能量會導致光伏溫度升高，影響發電效率。

但從圖3～5可知，隨著循環水泵的流量提升，基本上發電效率、發熱效率和發電功率不發生大的變化，全年基本維持在一個穩定的功率下，所以光伏發電效率受到水泵流量的影響并不顯著，是因為當PV/T光伏電池組溫度過高時，PV/T集熱循環泵運行，利用循環冷卻介質及時帶走熱量，有效降低了光伏電池組的溫度，保證PV/T在正常工作溫度高效發電。

圖3 PV效率

圖4 熱效率

圖5 PV發電效率

5 結語

本文介紹PVT的工作原理和特點，利用該系統的原理和流程，確定該系統的適用場合、不同運行工況，明確所要達到的目標和目標實現的方式。建立各個部件的數學模型，并對系統整體進行建模。

以數學模型為理論基礎，研究該系統各個部件的相互影響、相互制約的關系，建立PVT系統的仿真模型并設計仿真流程，進行求解。改變入口流量對系統的運行特性進行模擬仿真，并對系統各項性能參數的變化規律進行分析。