關(guān)于不同結(jié)構(gòu)PV／T系統(tǒng)的熱電性能的探討
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作者：張毅
由于材料本身的限制，晶體硅太陽能電池對太陽光的吸收截止波長在1100 nm左右，只能利用太陽光中20%左右的能量，而剩余的太陽光除了少部分被反射外，其余將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苁闺姵販囟壬遊1]。隨著光伏電池溫度升高，其光電轉(zhuǎn)換效率隨溫度變化的負(fù)效應(yīng)明顯，電池溫度每提高10C ，導(dǎo)致晶體硅太陽電池的輸出功率降低0.4%~ 0.5%，非晶硅電池的輸出功率降低0.25%左右[2],[3]。
將光伏板和平板集熱器有機結(jié)合起來形成的PV/T系統(tǒng)，其應(yīng)用前景非�？捎^。在PV/T系統(tǒng)中，冷卻液帶走光伏板上的多余能量，降低電池工作溫度，能使系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換效率保持在較高的水平；同時，可以利用冷卻液吸收的熱量為建筑供暖和提供生活熱水[4]。PV/T系統(tǒng)在提高電池光電轉(zhuǎn)換效率的同時，還提升了太陽能綜合利用率。
目前，國內(nèi)外許多學(xué)者對PV/T系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究，主要涉及PV/T集熱器結(jié)構(gòu)、運行參數(shù)、系統(tǒng)性能和評估方法，但仍然存在許多尚待解決的問題[5] 。本文設(shè)計并搭建了無空腔PV/T和有空腔PV/T兩種不同集熱結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，試驗研究了系統(tǒng)的熱電性能，對比分析了兩種系統(tǒng)的熱效率、發(fā)電效率和一次能源節(jié)約率，為今后的工藝研究提供依據(jù)。
1 PV/T系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及實驗設(shè)計
1.1 PV/T系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本文設(shè)計了兩種PV/T系統(tǒng)集熱器結(jié)構(gòu)（圖1）。圖1(a)為無空腔的PV/T集熱器，圖1b)
為有空腔的PV/T集熱器。
兩個PV/T集熱器均使用同一批次的156mmx156 mm多晶硅電池片．每個集熱器由40塊太陽電池串聯(lián)組成．電池面積
為243.36cm2電池覆蓋率為60.14%，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下集熱器的最大輸出功率為160W。在無空腔的PV/T熱器中，電池片通過層壓方式均勻排布在藍(lán)膜表面，中間通過透明光伏背膜TPT進(jìn)行絕緣保護(hù)。兩個PV/T集熱器均采用透明光伏背膜TPT和藍(lán)膜。集熱管道分布于藍(lán)膜背部，管道間距為12 cm。藍(lán)膜與集熱管道間采用激光焊接連接。兩個系統(tǒng)均使用同一品牌的搪瓷水箱、循環(huán)泵和玻璃纖維棉。
本文所設(shè)計的PV/T系統(tǒng)實驗原理如圖2所示。水箱中的水經(jīng)循環(huán)泵進(jìn)入鋪設(shè)在電池片背部的集熱管道，管道中的流體可將集熱板吸收的熱量及時帶走，降低電池工作溫度，并將收集的熱量存儲在水箱中。同時，PV/T系統(tǒng)產(chǎn)生的直流電經(jīng)微型逆變器轉(zhuǎn)為交流電與市網(wǎng)連接，并通過能量通信器ECU模塊對系統(tǒng)發(fā)電功率進(jìn)行實時監(jiān)測。
1.2實驗設(shè)計
兩個系統(tǒng)并排排布，面向正南，與水平面傾斜20℃ ，水箱置于集熱器后方（圖3）。水箱和集熱管道中的流體通過循環(huán)泵強制循環(huán)，循環(huán)泵的開動和停止由溫度控制器控制，啟動溫差為4℃，循環(huán)泵可實現(xiàn)3檔調(diào)速。
2試驗測試
2.1環(huán)境參數(shù)
PV/T系統(tǒng)的發(fā)電功率和熱效率均受到太陽輻照度、環(huán)境溫度和風(fēng)速的影響。
實驗在2015年2月9日11：00—16：00進(jìn)行。用GM8902風(fēng)速儀監(jiān)測風(fēng)速，試驗期間平均風(fēng)速為2.4 m/s左右。用太陽輻照儀測量集熱器表面接收到的太陽輻照度和環(huán)境溫度，測試結(jié)果如圖4所示[6]。
2.2 PV/T系統(tǒng)性能測試
目前，評價PV/T系統(tǒng)性能普遍使用PV/T系統(tǒng)綜合效率作為評價標(biāo)準(zhǔn)，它等于系統(tǒng)的發(fā)電效率和熱效率之和門，系統(tǒng)綜合效率可以反映系統(tǒng)的能量利用率，但忽略了電和熱的品質(zhì)差別。本文采用Huang提出的一次能源節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)對PV/T實驗系統(tǒng)性能進(jìn)行評估亨二該方法考慮了電和熱的品質(zhì)差別，從PV/T系統(tǒng)利用太陽能而節(jié)藥一次能源的角度對系統(tǒng)進(jìn)行評價：
本文采用K型熱電偶和Fluke Hydra Series數(shù)據(jù)采集儀分別對兩個系統(tǒng)的集熱器表面溫度和進(jìn)出口溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)測量和采集，每分鐘記錄一次。
3 數(shù)據(jù)處理與分析
對兩種結(jié)構(gòu)的強制循環(huán)式PV/T系統(tǒng)進(jìn)行了5h的室外試驗測試。測試當(dāng)天的最高氣溫為
19.60C，太陽輻照度的最大值為799 W/m2．循環(huán)水流速為55 L/h，
3.1溫度特性
相同工況下，兩系統(tǒng)的集熱器表面溫度和進(jìn)出口溫度如圖5、圖6所示。
由圖5和圖6可知，由于有空腔系統(tǒng)的電池板與藍(lán)膜間存在空腔，使電池板未能達(dá)到較好的冷卻，因此集熱器表面溫度高于無空腔系統(tǒng)。因為無空腔系統(tǒng)的電池板與藍(lán)膜直接接觸，集熱管道內(nèi)的循環(huán)水及時將電池板的熱量帶走，因此無空腔系統(tǒng)的表面溫度與出口水溫的溫度之差小于有空腔系統(tǒng)二在13:00后，太陽輻照度下降，無空腔系統(tǒng)的表面溫度隨之降低，而有空腔系統(tǒng)的表面溫度在13:00后緩慢上升一段時間，才開始下降．
3.2效率分析
3.2.1熱效率
圖7為有空腔系統(tǒng)和無空腔系統(tǒng)的熱效率。由于空腔的存在，在電池板與藍(lán)膜間形成了一個小溫室，集熱管道內(nèi)的水有一個較穩(wěn)定的熱源，因此有空腔系統(tǒng)的熱效率明顯高于無空腔系統(tǒng)，最高可達(dá)69.24%。13:30后，因為太陽輻照度的下降，兩個系統(tǒng)的熱效率均開始下降。
3．2．2發(fā)電效率
圖8、圖9分別為無空腔系統(tǒng)和有空腔系統(tǒng)的發(fā)電功率和發(fā)電效率。由圖可見，由于受太陽輻照度的影響，無空腔系統(tǒng)的發(fā)電功率和有空腔系統(tǒng)的發(fā)電功率均出現(xiàn)了相似的波動趨勢：有空腔系統(tǒng)的發(fā)電效率低于無空腔系統(tǒng)，這是因為太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率隨溫度升高而下降，影響了光伏系統(tǒng)的工作效率。
3.2.3—次能源節(jié)約效率
圖10為PV系統(tǒng)的一次能源節(jié)約率。有空腔系統(tǒng)一次能源節(jié)約效率的最大值和最小值分別為92.71%,67.02%,無空腔系統(tǒng)一次能源節(jié)約率的最大值和最小值分別為88.52%，55.65%。由于有空腔系統(tǒng)的一次率明顯高于無空腔系統(tǒng)，因此，有空腔系統(tǒng)的一次能節(jié)約率仍略高于無空腔系統(tǒng)。
4 結(jié)論
本文設(shè)計并搭建了兩種不同集熱結(jié)構(gòu)的PV/T系統(tǒng)，采用一次能源節(jié)約率的評價標(biāo)準(zhǔn)對系統(tǒng)進(jìn)行了評估。
由于有空腔系統(tǒng)的電池板與藍(lán)膜間存在空腔，使電池板未能得到較好的冷卻，因此表面溫度高于無空腔系統(tǒng)的表面溫度，有空腔系統(tǒng)的熱效率最高可達(dá)69.24%。由于無空腔系統(tǒng)的電池板與藍(lán)膜直接接觸，集熱管道內(nèi)的循環(huán)水可及時將電池板的熱量帶走，因此無空腔系統(tǒng)的表面溫度與出口水溫之差低于有空腔系統(tǒng)。
受太陽輻照度的影響，兩個PV/T系統(tǒng)的發(fā)電功率均出現(xiàn)了相似的波動趨勢。有空腔系統(tǒng)的發(fā)電效率低于無空腔系統(tǒng)，這是因為隨著太陽能電池溫度升高，其光電轉(zhuǎn)換效率下降，嚴(yán)重影響了光伏系統(tǒng)的工作效率。
試驗結(jié)果顯示，有空腔系統(tǒng)的一次能源節(jié)約率的最大值和最小值分別為92.71%，67.02%．無空腔系統(tǒng)的一次能源節(jié)約率的最大值和最小值分別為88.52%，55.65%。因為有空腔系統(tǒng)的熱效率明顯高于無空腔系統(tǒng)，所以有空腔系統(tǒng)的一次能 源節(jié)約率仍略高于無空腔系統(tǒng)。
5摘要：
設(shè)計并搭建了兩種不同集熱結(jié)構(gòu)的PV/T系統(tǒng)，試驗采集了環(huán)境、溫度、功率等參數(shù)，獲得了兩個系統(tǒng)的溫度特性、熱效率、發(fā)電效率。試驗結(jié)果表明,PV/T系統(tǒng)效率主要受環(huán)境因素影響，集熱結(jié)構(gòu)對其性能也產(chǎn)生不同程度的影響。無空腔PV/T系統(tǒng)的冷卻效果好于有空腔系統(tǒng)，發(fā)電效率較高；有空腔PV/T系統(tǒng)的熱效率較高．一次能源節(jié)約率略高于無空腔系統(tǒng)。
