寒冷地區(qū)應用BIPV/T系統(tǒng)的防凍措施探討

天津城市建設學院能源與機械工程系 牛彥雷 呂建 常茹

中國市政工程東北設計研究總院天津分院 陳楠

一 引言

近年來，隨著煤、石油等化石能源的日益短缺和環(huán)境污染的加重，人們開始積極尋求新的替代能源。太陽能光伏發(fā)電作為一種清潔的可再生能源，越來越受到人們的關注，其中光伏光熱建筑正逐漸成為目前光伏領域研究的熱點。

二 光伏光熱建筑的發(fā)展情況

有資料表明，在光伏發(fā)電的應用過程中，太陽電池的發(fā)電效率會隨著電池表面溫度的升高而降低。研究表明，電池溫度每升高1℃，相對電效率會下降0.5%[1]。因此有人提出，將使電池溫度升高的熱量加以回收利用，既能使電池的溫度維持在一個較低的水平，又能得到額外的熱收益，由此衍生出太陽能光伏光熱建筑一體化系統(tǒng)(BIPV/T系統(tǒng))。

早期對PV/T系統(tǒng)的研究，其研究對象為空冷板，主要是為了冷卻光伏電池板，雖然采取一些措施，但收集到的熱量較分散，難以利用。此后，許多學者轉向了對水冷板的研究。De Vries[1]制作的管板式光伏組件實際測量結果表明，光伏組件在保證較高光電轉換效率的同時，還能額外提供效率高于50%的熱量。Huang等人則采用集熱板內置流道的方案，并將集熱板的材料由銅換成了廉價的聚碳酸脂波紋板。在由該面板(不保溫)和保溫水箱、水泵、管道組成的系統(tǒng)中，測量結果顯示電池的最高溫度為52℃，與水箱內的水溫僅相差4℃。季杰、程洪波等[2]設計了一套建立在家用扁盒式鋁合金平板型太陽熱水器基礎上的自然循環(huán)式BIPV/T實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)在具有較高的整體效率的同時還可以得到溫度較高的熱水。

三 北方地區(qū)應用光伏光熱建筑存在的問題

光伏光熱建筑的研究重點是光伏發(fā)電效率的提高和余熱的回收利用。目前采用的冷卻方式主要有加肋片的空氣通道冷卻系統(tǒng)、集熱板內置流道的冷卻系統(tǒng)和家用扁盒式鋁合金平板型的冷卻系統(tǒng)，如圖1～圖3所示。

圖1 帶肋片的空氣通道組件

圖3 家用扁盒式平板光伏組件

加肋片的空氣通道冷卻系統(tǒng)，其通道中流通的空氣直接與外界接觸。在北方地區(qū)應用于光伏光熱建筑時，白天空氣冷卻高溫的集熱板，其溫度較高，與供熱水系統(tǒng)直接換熱；夜間或光照不足時，通道中的空氣溫度過低，低到一定程度時，會使供熱水系統(tǒng)管道中的水結冰，嚴重時管道會破裂。因此，與空氣直接換熱的供熱水系統(tǒng)的管道應充分考慮冬季的防凍問題。

集熱板內置流道冷卻系統(tǒng)、家用扁盒式鋁合金平板型冷卻系統(tǒng)在北方應用時，由于其冷卻系統(tǒng)在建筑的保溫層外部，當冬季室外溫度較低、光照不足或夜晚光伏組件不工作時，冷卻系統(tǒng)將得不到充足的熱量，當溫度低到一定程度時，冷卻系統(tǒng)內的工質會結冰，因此也必須采取一定的防凍措施。

四 解決防凍問題采取的措施

我國北方地區(qū)冬季室外氣溫較低，由于光伏組件的冷卻系統(tǒng)處于建筑保溫層的外側，因此在北方地區(qū)應用于光伏光熱建筑的冷卻系統(tǒng)都必須采取一定的措施來解決冷卻系統(tǒng)的防凍問題，以使系統(tǒng)能夠正常運行。

北方地區(qū)冬季對冷卻系統(tǒng)采取的防凍措施為:

(1)水－水間接熱回收法

對于集熱板內置流道冷卻系統(tǒng)和扁盒式鋁合金平板型冷卻系統(tǒng)，光伏組件的冷卻系統(tǒng)工質為加入防凍劑的水系統(tǒng)，中間加入換熱器，熱利用系統(tǒng)為生活熱水系統(tǒng)。乙二醇是常用的防凍劑。具體操作為:在光伏組件冷卻系統(tǒng)的工質中加入一定量的乙二醇(圖4)，使工質的凝固點降低至當?shù)貧庀筚Y料統(tǒng)計的室外溫度的最低值以下，以達到防凍的目的。雖然二次換熱效率可能會降低，但是能很好地解決北方冬季光伏光熱建筑冷卻系統(tǒng)的防凍問題。

圖4 添加防凍劑的間接換熱系統(tǒng)

(2)排空防凍法

對于集熱板內置流道冷卻系統(tǒng)和扁盒式鋁合金平板型冷卻系統(tǒng)，當北方冬季暫不用熱水時，應將光伏組件冷卻系統(tǒng)水管中的存水排空。對系統(tǒng)的改進為:對于集熱板內置流道冷卻系統(tǒng)和扁盒式鋁合金平板型冷卻系統(tǒng)，將內置流道或扁盒式的水流道沿工質流動方向有一定的傾角，便于冬季冷卻系統(tǒng)內介質的排空。具體操作是:當輻射強度過低或夜間時，利用水泵把光伏組件冷卻系統(tǒng)中的水排空，同時關閉水箱連接冷卻系統(tǒng)的閥門，使系統(tǒng)內沒有積水，以防出現(xiàn)水管凍裂；當太陽輻射達到一定強度時，開始往水箱和冷卻系統(tǒng)中注水，同時打開連接水箱和冷卻系統(tǒng)的閥門，使系統(tǒng)能夠正常進行工作(圖5)。

圖5 扁盒式冷卻系統(tǒng)排空防凍法

對于加肋片的空氣通道冷卻系統(tǒng)，當太陽輻射比較充裕時，用水泵往高效換熱器中注水，這樣，被光伏組件加熱的空氣上升，通過高效換熱器與水進行熱交換，換熱后的空氣通過建筑內的空氣通道排入空氣中；當太陽輻射不足或夜間時，停止向高效換熱器中注水，同時排空高效換熱器內的水，關閉高效換熱器出口的閥門，防止蓄熱水箱內的水回流到高效換熱器，做好冬季高效換熱器的防凍工作(圖6)。

圖6 加肋片的空氣通道排空防凍法

(3)采用震蕩流熱管技術

2007年Rittidech和Wannapakne將振蕩流熱管與平板式集熱器相結合，開發(fā)了平板式振蕩流熱管太陽能集熱器(圖7)，毛細管內徑為3mm，蒸發(fā)段長度為2m，冷凝段長度為0.5m，工作流體為R134a[3]。試驗表明，振蕩流熱管的傳熱能力是常規(guī)熱管最高傳熱能力的20倍，該集熱器的集熱效率達到62%以上，與傳統(tǒng)的平板集熱器相比，其集熱性能大大提高[4]。無動力循環(huán)的震蕩熱流管與平板式集熱器的結合，其蒸發(fā)段緊貼光伏組件，工質蒸發(fā)上升帶走光伏組件的熱量，冷凝段位于建筑圍護結構保溫層的內側，與供熱水系統(tǒng)換熱，冷凝散發(fā)掉熱量，流回蒸發(fā)段。這樣，不僅大大提高了集熱性能，減少了動力裝置及其耗能，并且很好地解決了冷卻系統(tǒng)的防凍問題。

圖7 振蕩流熱管技術

五 結論

通過以上分析，可以得出以下結論:

(1)水－水間接熱回收法雖然會降低熱回收率，但很好地解決了光伏光熱建筑在北方地區(qū)應用時冷卻系統(tǒng)的防凍問題。對光伏光熱建筑區(qū)域性的推廣和應用具有重要的意義。 (轉下頁)

(2)排空防凍法適合的冷卻系統(tǒng)較多，操作簡單、方便，適用于北方地區(qū)的光伏光熱建筑，不僅能解決冷卻系統(tǒng)的防凍問題，也易被接受和采納。

(3)振蕩流熱管與平板集熱器的結合，較好地解決了防凍和高效熱回收的問題，并且冷卻系統(tǒng)無動力循環(huán)，減少了設備投資，降低了系統(tǒng)能耗。但由于其初投資成本高，所以其應用不是很廣泛。

相對而言，北方地區(qū)的光伏光熱建筑，排空防凍法被用來解決光伏組件冷卻系統(tǒng)的防凍問題較合理、簡便。隨著光伏光熱建筑在北方地區(qū)的推廣和應用，光伏組件冷卻系統(tǒng)的防凍問題還有待于更深入的研究，需要解決目前冷卻系統(tǒng)防凍措施存在的一些問題，在不損失或少損失熱量以及出投資不太高的前提下，能很好地解決冷卻系統(tǒng)的防凍問題，促進光伏光熱建筑的發(fā)展。

[1]De Vries D W. Design of a PV/Thermal combi panel[D]. Eindhoven University of Technology, the Netherland. Ph D Thesis,1998.

[2]穆志君, 關欣, 劉鵬. 太陽能光伏光熱一體化系統(tǒng)運行實驗研究[J]. 節(jié)能技術, 2007, 11: 33－35.

[3]Rittidech S, Wannapakne S. Experimental study of the performance of a solar collector by closed-end oscillating heat pipe(CEOHP)[J]. Applied Thermal Engineering, 2007, 27(11－12): 1978－1985.

[4]錢劍峰, 張吉禮, 馬良棟. 新型光伏熱建筑一體化系統(tǒng)及其相關技術分析[J]. 建筑熱能通風空調, 2010, 29(2): 12－16.