一種水流質(zhì)型光伏光熱綜合利用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

賈 虎， 張 丁， 王琛全， 唐軍炯

(安徽工業(yè)大學(xué) 數(shù)理學(xué)院， 安徽 馬鞍山 243002)

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一種水流質(zhì)型光伏光熱綜合利用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

賈 虎， 張 丁， 王琛全， 唐軍炯

(安徽工業(yè)大學(xué) 數(shù)理學(xué)院， 安徽 馬鞍山 243002)

為進(jìn)一步提高光伏組件與水的換熱效率，設(shè)計(jì)了一套扁集熱管結(jié)構(gòu)的水流質(zhì)型光伏光熱(PVT)綜合利用系統(tǒng)，并分別在3種工況下進(jìn)行了連續(xù)8 h的溫度與效率的跟蹤測(cè)試，得出組件的溫度特性與功率特性的變化情況、毛的光熱轉(zhuǎn)換效率、水泵產(chǎn)生的附加熱效應(yīng)。在排除水泵工作產(chǎn)生的附加熱效應(yīng)后，得到該系統(tǒng)的凈光熱轉(zhuǎn)換效率與凈總效率隨保溫桶水溫的變化曲線。凈光熱轉(zhuǎn)換效率與凈總效率都隨著保溫桶水溫的變化(或工作時(shí)間的延長(zhǎng))先升后降，存在一個(gè)極大值點(diǎn)，分別為70.31%與73.23%。8 h總的凈光熱轉(zhuǎn)換效率為55.9%，總光電轉(zhuǎn)換效率為2.74%，總能量利用率為58.64%。與相關(guān)文獻(xiàn)比較，光熱轉(zhuǎn)換效率很高，光電轉(zhuǎn)換效率很低,對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行了分析，并對(duì)應(yīng)用市場(chǎng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

光伏光熱； 綜合利用系統(tǒng)； 水流質(zhì)型； 效率

0 引 言

關(guān)于光伏光熱綜合利用(PVT)技術(shù)的研究，在20世紀(jì)70年代就開(kāi)始[1-2]。通過(guò)PVT技術(shù)可利用太陽(yáng)能發(fā)電的同時(shí)進(jìn)行廢熱利用，降低電池組件的溫度，提高組件的效率與壽命。此類裝置按換熱流質(zhì)分為水流質(zhì)型與空氣流質(zhì)型。對(duì)于空氣流質(zhì)型，可制造熱空氣，并對(duì)水預(yù)熱，成本較低，但光熱轉(zhuǎn)換效率也較低[3];水流質(zhì)型，可以直接產(chǎn)生出溫度較高的生活用熱水，多采用圓形集熱管，換光熱轉(zhuǎn)換效率一般在40%～60%[4～6]。本文設(shè)計(jì)的水流質(zhì)型PVT實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用扁型集熱管，在普通太陽(yáng)能電池組件基礎(chǔ)上改裝而成，實(shí)現(xiàn)了高的光熱轉(zhuǎn)換效率的運(yùn)行。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成如圖1所示(此工作系統(tǒng)與組件已獲得專利授權(quán)[7-9])，其中水位傳感器兼溫度傳感器安裝在一級(jí)保溫桶內(nèi)部，用于檢測(cè)水位與溫度；電磁閥與溫控裝置安裝在一級(jí)保溫桶的外部。輔助加熱裝置安裝在二級(jí)保溫桶的內(nèi)部。光伏集熱器組件為在普通光伏組件內(nèi)部鋪設(shè)扁形走水集熱管，并在管道外部空間填充絕熱材料改裝而成。PVT集熱器組件的橫截面結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中鋁框、玻璃蓋板、填充EVA、電池片、背板為原電池組件組成部分；傳熱板、集熱管、絕熱材料、背封板為改裝部分。集熱管的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，加工成回形管型，在回形拐彎部分焊接有固緊桿，防止受熱變形。

2 實(shí)驗(yàn)原理

PVT集熱器組件吸收光能量，其中小部分轉(zhuǎn)換成電能，通過(guò)控制器對(duì)鉛酸蓄電池供電，鉛酸蓄電池通過(guò)控制器對(duì)逆變器放電，逆變器對(duì)負(fù)載供出交流電。組件吸收光能量的大部分轉(zhuǎn)換為熱量，熱量的一部分散失在空氣中;另一部分被組建內(nèi)部的集熱管中的水所吸收，水由可調(diào)速的循環(huán)水泵作為動(dòng)力(此為強(qiáng)制循環(huán)，如果采用熱虹吸原理可以自然循環(huán)，不需水泵)，與第一級(jí)保溫水箱里的水進(jìn)行循環(huán)，在不斷的循環(huán)與換熱過(guò)程中水溫得到升高并保溫。第一級(jí)保溫桶內(nèi)部裝有上下兩個(gè)水位傳感器，下水位傳感器也具有溫度傳感器功能，一方面監(jiān)測(cè)水位高度，另一方面監(jiān)測(cè)水溫。第一級(jí)保溫桶外部配備溫控裝置與電磁閥，當(dāng)溫度達(dá)到一定值，由溫控裝置啟動(dòng)第二級(jí)水泵，把熱水排向第二級(jí)保溫桶；當(dāng)水位下降到下水位傳感器時(shí)，停止排水，由電磁閥啟動(dòng)對(duì)第一級(jí)保溫桶進(jìn)水，當(dāng)水位上升到上水位傳感器時(shí)，電磁閥關(guān)閉，停止進(jìn)水，開(kāi)始下一輪的循環(huán)加熱。第二級(jí)保溫桶配備輔助加熱裝置，在陰雨天或冬天等集熱器不滿足集熱條件時(shí)，由輔助加熱裝置進(jìn)行加熱。

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

為了比較對(duì)普通太陽(yáng)能組件改裝成水流質(zhì)型PVT組件所帶來(lái)特性的變化，先對(duì)一塊與改裝組件原參數(shù)相同的普通太陽(yáng)能電池組件進(jìn)行測(cè)量。為方便測(cè)量，在實(shí)驗(yàn)中卸下控制器、逆變器、蓄電池，直接電阻箱。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，普通組件最佳功率時(shí)的負(fù)載為46 Ω，為比較測(cè)量結(jié)果，PVT組件的三次測(cè)量負(fù)載都設(shè)為46 Ω。為了獲得穩(wěn)定光源，并減少外界環(huán)境參數(shù)的變動(dòng)帶來(lái)的干擾，實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)的大木箱內(nèi)進(jìn)行。該實(shí)驗(yàn)所用的光源為4盞250 W的鹵素?zé)?，在電池組件表面產(chǎn)生的平均輻照功率實(shí)測(cè)為300 W/m2。為了減少水泵自身生熱的影響，水泵的檔位始終定在最低檔位一檔(揚(yáng)程為8 m)；實(shí)驗(yàn)中保溫桶與集熱管內(nèi)的水質(zhì)量之和為38.28 kg，組件面積為0.619 5 m2。

3.2 普通組件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖4所示，對(duì)于普通組件，其表面平均溫度初始為25.0℃，在前40 min內(nèi)為突升階段，其后溫度平緩上升，2 h后基本穩(wěn)定，最高溫度達(dá)84.0℃，平均上升29.5℃/h。普通組件的極限功率(開(kāi)路電壓與短路電流乘積)與負(fù)載(46 Ω)功率的見(jiàn)圖5，初始值分別為8.08 W與4.46 W，在前40 min均為下降階段，之后趨于穩(wěn)定，240 min的功率值分別為6.80 W與4.05 W，分別下降15.84%與9.19%。

圖5 普通組件的功率

3.3 PVT組件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于PVT組件，實(shí)驗(yàn)分3種工況進(jìn)行：工況一，初始有光照，但水泵不工作，待組件溫度上升穩(wěn)定后再啟動(dòng)水泵；測(cè)試改裝后集熱器組件的溫度特性與效率特性的變化，以及組件達(dá)到最高溫度后通過(guò)走水帶來(lái)的溫降效果；工況二，初始就開(kāi)始光照并走水直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束，測(cè)試此種工況下系統(tǒng)的相關(guān)溫度與效率特性的變化；工況三，初始無(wú)光照，但水泵仍工作，測(cè)試水泵工作帶來(lái)的附加熱效應(yīng)。

3.3.1 工況一

(1) 集熱器組件的溫度變化。如圖6所示，組件初始溫度為26.0℃，在工作的前20 min內(nèi)上升很快，達(dá)到100 min后基本穩(wěn)定，最高溫度達(dá)到99.0℃，溫升73.0℃，比未改裝的普通組件高15.0℃，平均上升36.5℃/h。改裝后組件背部填充了絕熱材料，致使溫度特性改變。在組件工作120 min后開(kāi)啟水泵，組件溫度驟降，在140 min降到84.0℃，20 min內(nèi)下降了15.0℃，平均下降45.0℃/h。之后平緩上升，在水循環(huán)360 min(即組建工作480 min)的溫度為90.3℃；仍然比最高溫度99.0℃低8.7℃；相對(duì)于走水后的最低溫度84.0℃上升6.3℃，平均上升1.05℃/h，此溫升速度雖然比較慢，但由于未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，按照變化趨勢(shì)分析，溫度還會(huì)緩慢上升。對(duì)于水循環(huán)之前的改裝組件與普通組件，雖然溫升速度很快，但溫度很快達(dá)到最高值后即穩(wěn)定下來(lái)?？梢?jiàn)水循環(huán)帶來(lái)了改裝組件溫度特性很大的變化。

(2) 保溫桶水溫的變化與熱利用率。保溫桶水溫的變化如圖6所示，在不走水情況下，換熱器不存在熱交換，前120 min保溫桶水溫不變，為25.0℃。之后水泵工作，保溫桶水溫開(kāi)始上升，且上升比較平穩(wěn)。隨著保溫桶水溫的變化，光熱轉(zhuǎn)換效率也發(fā)生變化。光熱轉(zhuǎn)換效率分為毛光熱轉(zhuǎn)換效率、凈光熱轉(zhuǎn)換效率與水泵生熱率。毛光熱轉(zhuǎn)換效率為保溫桶水溫上升所吸收的熱量與光輻射量的比值，為凈光熱轉(zhuǎn)換效率與水泵生熱率之和。水泵生熱率為在無(wú)光照情況下水泵工作一段時(shí)間導(dǎo)致保溫桶水溫上升所吸收的熱量與相同時(shí)間光輻射量的比值，此部分熱量完全由于水泵工作所產(chǎn)生的附加熱效應(yīng)。凈光熱轉(zhuǎn)換效率為毛光熱轉(zhuǎn)換效率與水泵生熱率的差值，此部分為完全由于光輻射導(dǎo)致保溫桶水溫上升所吸收的熱量與光輻射量的比值。工況一的毛光熱轉(zhuǎn)換效率與凈光熱轉(zhuǎn)換效率隨著工作時(shí)長(zhǎng)的變化如圖8所示，圖中每個(gè)工作時(shí)長(zhǎng)點(diǎn)的各種效率是對(duì)應(yīng)系統(tǒng)工作對(duì)應(yīng)的時(shí)長(zhǎng)所產(chǎn)生的總效率，不是瞬時(shí)效率(以下相同)。

圖6 工況一時(shí),表面溫度及保溫桶水溫

圖7 工況一時(shí)的輸出功率

圖8 工況一時(shí)，毛光熱轉(zhuǎn)換效率、凈光熱轉(zhuǎn)換效率與

前120 min組件內(nèi)部未走水，保溫桶水溫不變，毛光熱轉(zhuǎn)換效率與凈光熱轉(zhuǎn)換效率均為零。之后組件內(nèi)部走水，保溫桶水溫升高，兩者均上升，在組件工作360 min(組件內(nèi)部走水240 min)毛光熱轉(zhuǎn)換效率與凈光熱轉(zhuǎn)換效率均達(dá)到極大值，分別為91.78%與77.3%。此時(shí)組件溫度為88.2℃，保溫桶水溫為47.0℃，溫升22.0℃。之后隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)與保溫桶水溫的上升，光熱轉(zhuǎn)換效率緩慢下降。在組件工作480 min的毛光熱轉(zhuǎn)換效率為87.61%，凈光熱轉(zhuǎn)換效率為71.89%，組件溫度為90.3℃，保溫桶水溫為53.0℃，溫升28.0℃。雖初始沒(méi)走水，但絕熱材料在前120 min儲(chǔ)存了大量熱量，致使組件溫升很快，在走水以后絕熱材料儲(chǔ)存的熱量平穩(wěn)地傳給了水，水溫平穩(wěn)升高，組件工作480 min凈光熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)到71.89%，總體光熱轉(zhuǎn)換效率很高。雖然前面120 min組件內(nèi)未走水，但絕熱材料儲(chǔ)熱效果很好，熱損失不大。

(3) 集熱器組件的輸出功率與光電轉(zhuǎn)換效率變化。如圖7所示，極限功率與負(fù)載功率(瞬時(shí)值)初始值分別為21.20 W與7.614 W，兩者都隨著溫度的上升而下降，在前60 min變化較快，之后變化緩慢，在120 min分別為16.232 W與4.113 W，分別下降23.07%與45.98%，功率的降幅比未改裝的普通組件要大。之后水泵工作，組件內(nèi)部走水，極限功率與負(fù)載功率都有所回升，在160 min時(shí)都達(dá)到極大值點(diǎn)，分別為18.337 W與5.219 W，之后又平緩下降，在480 min時(shí)的功率值分別為17.215 W與4.887 W，相對(duì)于最低點(diǎn)分別提高6.06%與18.82%；相對(duì)于初始值分別下降18.80%與35.82%，比未改裝的普通組件的降幅(15.84%與9.19%)大；480 min的平均功率分別為17.594 W與5.055 W。改裝組件的光電轉(zhuǎn)換效率(對(duì)應(yīng)工作時(shí)長(zhǎng)的總效率)變化情況在圖8中也有所示，相對(duì)于光熱轉(zhuǎn)換效率太低，近似于水平線。其初始有所降低，后期雖然基本平穩(wěn)，但隨著保溫桶水溫的上升，還是略微有所下降，最高點(diǎn)在初始的3.45%，最低點(diǎn)在工作120 min的2.56%，8 h總的光電轉(zhuǎn)換效率為2.57%。改裝后組件的功率特性也發(fā)生了變化。對(duì)應(yīng)480 min內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換總效率為74.46%。

3.3.2 工況二

(1) 組件溫度的變化。如圖9所示，組件初始溫度為22.3℃，前40 min迅速上升，之后平緩上升，在480 min的溫度為68.5℃，比工況一低15.5℃。盡管這兩種工況下的組件初溫只相差3.7℃，但工況不同，溫度變化不同，溫降效果也截然不同，改裝組件工作在工況二的溫降效果更好。

圖9 工況二、三時(shí)的組件表面溫度及保溫桶水溫

(2) 保溫桶水溫的變化。如圖9所示，改裝組件在工況二的保溫桶水溫上升較為平穩(wěn)。初始水溫為20.3℃，在組件工作的前240 min，溫升與時(shí)間基本成正比關(guān)系，在240 min時(shí)刻的水溫為35.5℃，之后溫升速度稍微放慢，到第480 min雖還略有上升，此時(shí)水溫為45.8℃，溫升25.5℃，比工況一低2.5℃。由于組件溫度在中后期上升較慢，且達(dá)到最大值后不會(huì)再上升，水與組件的換熱隨著水溫的上升會(huì)逐步降低。水泵的功率不變，水泵產(chǎn)熱率也不變，但隨著水溫的上升，水與水泵的換熱會(huì)逐步降低；保溫桶與外界的換熱并不是絕對(duì)為零，隨著保溫桶水溫的上升，保溫桶與外界的換熱會(huì)逐步加大，所以隨著保溫桶水溫的上升，熱損失加大，水溫上升逐步放慢。

(3) 光熱轉(zhuǎn)換效率的變化。工況二的毛光熱轉(zhuǎn)換效率、凈光熱轉(zhuǎn)換效率與水泵生熱率隨工作時(shí)長(zhǎng)的變化關(guān)系如圖10所示。從圖中看出，毛光熱轉(zhuǎn)換效率在該系統(tǒng)工作的前期上升，中期與后期下降。而水泵生熱率基本不變，所以凈光熱轉(zhuǎn)換效率也是前期上升，中期與后期下降。毛光熱轉(zhuǎn)換效率與凈光熱轉(zhuǎn)換效率主要決定于保溫桶(或集熱管)水溫的變化。當(dāng)保溫桶水溫較低時(shí)，保溫桶與外界換熱率較低，水與組件換熱率也較高，光輻射生熱主要轉(zhuǎn)化為水溫的升高，毛光熱轉(zhuǎn)換效率與凈光熱轉(zhuǎn)換效率都處于上升階段。隨著保溫桶水溫的上升，保溫桶與外界換熱率升高，水與組件的換熱率也降低，毛光熱轉(zhuǎn)換效率與凈光熱轉(zhuǎn)換效率有所下降。毛光熱轉(zhuǎn)換效率與凈光熱轉(zhuǎn)換效率先升后降，各存在一個(gè)極大值點(diǎn)，分別為91.84%與70.31%，毛光熱轉(zhuǎn)換效率比工況一高0.06%，凈光熱轉(zhuǎn)換效率比工況一低6.99%，此時(shí)系統(tǒng)工作200 min。對(duì)應(yīng)凈光熱轉(zhuǎn)換效率的極大值點(diǎn)，保溫桶水溫存在最佳溫度點(diǎn)為33.1℃。組件工作480 min的凈光熱轉(zhuǎn)換效率為55.90%，比工況一低15.99%。由于在工況一中，絕熱材料前期吸收的熱量在中后期才傳遞給水，與之相比工況二的極大值點(diǎn)比工況一低。

圖10 工況二時(shí)的毛光熱轉(zhuǎn)換效率、凈光熱轉(zhuǎn)換效率、

(4) 集熱器組件輸出功率與光電轉(zhuǎn)換效率。如圖11所示，集熱器組件的極限功率與負(fù)載功率在初期都明顯下降，初始極限功率與負(fù)載功率分別為19.382 W與6.877 W，工作60 min的功率值分別為18.597 W與5.621 W，后期雖還略有下降，但變化很小，已基本穩(wěn)定。工作240 min的功率值分別為17.794 W與5.195 W；工作480 min時(shí)刻的功率值分別為17.334 W與4.967 W，480 min內(nèi)的平均值分別為17.996 W與5.344 W。該系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率的變化與光熱轉(zhuǎn)換效率相比很小，在圖10中看去像一條直線，其初始為3.58%，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，組件溫度在平穩(wěn)上升，組件的光電轉(zhuǎn)換效率也隨著平穩(wěn)下降，系統(tǒng)工作480 min時(shí)光電轉(zhuǎn)換效率為2.74%，比工況一高0.17%。

圖11 工況二時(shí)的輸出功率

3.3.3 工況三

在無(wú)光照情況下，水泵保持一檔持續(xù)工作480 min，保溫桶水溫的變化如圖9所示。初始水溫為20.3℃，工作480時(shí)刻的水溫為27.1℃，溫升6.8℃，溫升速度平緩。水泵工作帶來(lái)的附加熱效應(yīng)(即水泵生熱率)變化見(jiàn)圖10，初始為21.52%，240 min的值為22.72%，雖然達(dá)到最高，也只是略有升高；之后平緩下降，480 min的值為20.33%，略有降低；總體變化很平緩。其變化不像毛、凈光熱轉(zhuǎn)換效率那樣明顯。究其原因在于此種情況的保溫桶水溫始終較低，保溫桶與外界的熱交換還未顯露出來(lái)，水泵與水之間的熱交換也未明顯的降低。從工況二的水溫變化曲線看出，在工作240 min，水溫達(dá)到35.5℃之后溫升速度才有所減緩，而工況三在工作480 min的最高水溫才27.1℃，水溫變化速度自然不明顯。

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 光熱轉(zhuǎn)換效率與排水溫度點(diǎn)的設(shè)定

由于光伏組件的溫度在中后期基本穩(wěn)定，且保溫桶的保溫性能也穩(wěn)定，所以光伏組件與水之間的熱交換效率以及保溫桶與外界的熱交換效率主要決定于保溫桶的水溫。光熱轉(zhuǎn)換效率的變化不僅體現(xiàn)在熱交換時(shí)間的長(zhǎng)短上，更主要體現(xiàn)在保溫桶水溫的變化上。從圖9中看出，無(wú)論是有光照還是無(wú)光照，保溫桶的水溫都是在初期上升較快，后期上升緩慢，對(duì)應(yīng)各種光熱轉(zhuǎn)換效率也是初期較高，后期較低。各種效率與保溫桶水溫的變化關(guān)系如圖12所示。實(shí)驗(yàn)中每隔20 min測(cè)量一次，由于前期水溫低，熱損失小，凈、毛光熱轉(zhuǎn)換效率均上升較快，溫度變化快，升幅較大，測(cè)量點(diǎn)較為稀疏；后期水溫高，熱損失增大，凈、毛光熱轉(zhuǎn)換效率均下降，溫度上升慢，升幅小，測(cè)量點(diǎn)較為稠密。系統(tǒng)工作480 min的總凈光熱轉(zhuǎn)換效率為55.9%，極大值點(diǎn)為33.1℃的70.31%。但此時(shí)水溫不一定能滿足使用要求。為了得到更高的水溫，可以把第一級(jí)保溫桶的自動(dòng)排水點(diǎn)的水溫設(shè)置大于40℃，但也不可過(guò)大。比如在系統(tǒng)工作5:40，水溫為40.6℃，凈光熱轉(zhuǎn)換效率為63.73%，與最高點(diǎn)相比水溫上升7.5℃，凈光熱轉(zhuǎn)換效率下降6.58%。在480 min水溫為45.8℃，凈光熱轉(zhuǎn)換效率為55.90%，與效率最高點(diǎn)相比水溫上升12.7℃，凈光熱轉(zhuǎn)換效率下降14.41%。水溫越高，熱損失越大，水溫上升越慢。自動(dòng)排水點(diǎn)的水溫設(shè)置根據(jù)初始水溫、環(huán)境溫度、實(shí)際需求溫度與集熱器的集熱能力具體確定，超出集熱器所能達(dá)到的水溫可通過(guò)二級(jí)保溫桶的輔助加熱裝置獲得。

圖12 工況二時(shí)的總效率、光電轉(zhuǎn)換效率與凈光熱轉(zhuǎn)換

4.2 關(guān)于水泵生熱率影響的討論

水泵生熱率是根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行在無(wú)光照的條件下每個(gè)測(cè)量點(diǎn)保溫桶水溫的升高所吸收的熱量除以對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)光輻射條件下組件所接受的光能量而得到，用于對(duì)光照情況下的毛光熱轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行修正。這樣的計(jì)算也只是參考。按照凈光熱轉(zhuǎn)換效率等于毛光熱轉(zhuǎn)換效率與水泵生熱率之差進(jìn)行計(jì)算，工況一與工況二的實(shí)際凈光熱轉(zhuǎn)換效率應(yīng)該比這種方法計(jì)算的還要高。因?yàn)楣r一與工況二的每個(gè)時(shí)刻點(diǎn)的實(shí)際保溫桶水溫比工況三的都要高，保溫桶與外界的熱交換要比工況三高；且水溫越高，水泵對(duì)水的傳熱率越低，對(duì)應(yīng)每個(gè)時(shí)刻點(diǎn)的水泵生熱率的測(cè)量值也應(yīng)比理想值要低，所以按照此種方法定義的實(shí)際凈光熱轉(zhuǎn)換效率應(yīng)該比通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果還高。

4.3 凈總效率的修正

凈總效率的計(jì)算公式為η=ηe+ηth，其中,ηe為光電轉(zhuǎn)換效率;ηth為凈光熱轉(zhuǎn)換效率?？紤]電能與熱能品位不同時(shí)，凈總效率可表為η＇=ηe/ηpower+ηth，其中,ηpower=0.38[10]。由于光電轉(zhuǎn)換效率隨著時(shí)間基本不變，所以兩種凈總效率η與η＇ 的變化情況與凈光熱轉(zhuǎn)換效率基本一致?？紤]水流質(zhì)型PVT系統(tǒng)一般都工作在工況二，文中只給了工況二中η＇ 的變化曲線，如圖10與圖12所示。圖中η與η＇ 初始都隨著保溫桶水溫的升高而增大，達(dá)到33.1℃時(shí)，兩種凈總效率都達(dá)到極值點(diǎn)，分別為73.23%與78.00%%，此后凈光熱轉(zhuǎn)換效率與兩種凈總效率都下降。系統(tǒng)工作8 h的η與η＇ 值分別為58.64%與63.11%。不過(guò)系統(tǒng)的極值效率點(diǎn)主要由PVT組件內(nèi)部的水與電池組件的溫差以及保溫桶與外界的溫差決定，而這兩種溫差與季節(jié)還有保溫桶的保溫能力有直接關(guān)系，所以每種系統(tǒng)的實(shí)際極值功率點(diǎn)要根據(jù)不同的季節(jié)以及實(shí)際所用材料進(jìn)行實(shí)際測(cè)量才能確定。

4.4 與相關(guān)文獻(xiàn)的比較

Chow等曾對(duì)水流質(zhì)型集熱器組件進(jìn)行過(guò)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究，分別研究了組件在有、無(wú)玻璃蓋板的情況下組件的光熱轉(zhuǎn)換效率與光電轉(zhuǎn)換效率分別隨著環(huán)境溫度與輻照度等參數(shù)的變化而變化的情況[11]。結(jié)果為：當(dāng)其他參數(shù)不變，環(huán)境溫度從0～40℃變化時(shí)，有玻璃蓋的組件光熱轉(zhuǎn)換效率從55%升到57%；無(wú)玻璃蓋的組件光熱轉(zhuǎn)換效率從36%升到40%，光熱轉(zhuǎn)換效率略有上升。對(duì)于光電轉(zhuǎn)換效率，有玻璃蓋組件從14.5%降到12.8%；無(wú)玻璃蓋組件14.7%降到12.6%，光電轉(zhuǎn)換效率下降。當(dāng)其他參數(shù)不變，輻照度在300 W/m2與1 000 W/m2變化時(shí)，有玻璃蓋的組件光熱轉(zhuǎn)換效率從62%降到50%，無(wú)玻璃蓋的組件光熱轉(zhuǎn)換效率從60%降到30%，光熱轉(zhuǎn)換效率明顯下降。對(duì)于光電轉(zhuǎn)換效率，有玻璃蓋的組件從12.6%升到14.5%，有所升高；無(wú)玻璃蓋的組件13.8%降到13.4%，略有降低。

本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究的是環(huán)境溫度與輻照度基本不變時(shí)，系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換效率與光電轉(zhuǎn)換效率隨著時(shí)間與保溫桶水溫的變化情況。由于組件本身無(wú)玻璃蓋板，但實(shí)驗(yàn)在內(nèi)部帶有反光膜的木箱內(nèi)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)條件介于有、無(wú)玻璃蓋板的兩種實(shí)驗(yàn)條件之間，所以需要對(duì)有、無(wú)玻璃蓋板的兩情況都進(jìn)行比較。與文獻(xiàn)[11]相比，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換效率較高(最高70.31%，工作8 h的總凈光熱轉(zhuǎn)換效率為55.9%)，但是光電轉(zhuǎn)換效率太低(最高3.58%，工作8 h的總凈光電轉(zhuǎn)換效率為2.74%)。與其他相關(guān)文獻(xiàn)[12-14](光熱轉(zhuǎn)換效率在45%～65%，光電轉(zhuǎn)換效率在10%左右)相比，也是光熱轉(zhuǎn)換效率較高，光電轉(zhuǎn)換效率太低。從實(shí)驗(yàn)條件、PVT組件的結(jié)構(gòu)以及發(fā)熱機(jī)制上分析有以下四種原因：

(1) 所用電池組件本身的光電轉(zhuǎn)換效率較低。所用電池組件的電池片的尺寸為12.5×12.5 cm，陣列為4×9，廠家給出的峰值功率為50 WP。而現(xiàn)在此種規(guī)格電池組件的峰值功率一般都是100 WP，所以實(shí)驗(yàn)所測(cè)光電轉(zhuǎn)換效率較低。

(2) 為了提高光利用率，并減少外界環(huán)境因素的變動(dòng)帶來(lái)的干擾，本實(shí)驗(yàn)把PVT組件放在大木箱里進(jìn)行。箱子材料為木工板，且四壁與頂部有反光膜，箱子內(nèi)部的隔熱與反光效果較好，有助于增加光熱轉(zhuǎn)換率。

(3) PVT組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同。PVT組件的走水集熱管道為扁形不銹鋼集熱管，通過(guò)導(dǎo)熱良好的硅膠緊密粘結(jié)在傳熱板上，傳熱板再通過(guò)導(dǎo)熱硅膠與原電池組件的背板緊密接觸(見(jiàn)圖2)。不銹鋼扁集熱管在使用中不會(huì)被銹蝕，且相對(duì)于圓管在相同容積情況下表面積比圓管要大20%，且與電池組件背板直接進(jìn)行熱交換的面積增大很多，有效提高換光熱轉(zhuǎn)換效率。傳熱板為一塊與原電池背板大小基本相同的平面鋁板，能把電池背板的熱量全面而又快速接收，再傳給走水集熱管。所述文獻(xiàn)有的是圓形集熱管，有的沒(méi)有傳熱板，所以與之相比，該換系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換效率較高。

(4) 雖然光輻射的利用率很高，但更多地轉(zhuǎn)化成熱運(yùn)動(dòng)，所以表現(xiàn)出光熱轉(zhuǎn)換效率很高，光電轉(zhuǎn)換效率很低。光伏組件接收的光能中轉(zhuǎn)化為熱量的幾率更大，主要有以下幾個(gè)原因：① 在25℃ 時(shí)，能使晶體硅太陽(yáng)能電池電子發(fā)生躍遷的截止波長(zhǎng)為1 100 nm。在AM1.5太陽(yáng)光譜[15]中，λ>1 100 nm的太陽(yáng)光能量比例是約占20%，長(zhǎng)波部分的光子被組件吸收后不能使電子躍遷，全部轉(zhuǎn)化為電子的熱運(yùn)動(dòng)；② 短波部分光子使電子激發(fā)后有剩余能量也會(huì)轉(zhuǎn)化為電子的熱運(yùn)動(dòng)。③ P-N結(jié)產(chǎn)生的載流子有部分會(huì)復(fù)合，復(fù)合過(guò)程也會(huì)釋放熱量。④ 隨著工作時(shí)間的增長(zhǎng)，組件溫度的增加，電池片內(nèi)部缺陷會(huì)增多，少數(shù)載流子壽命減少，吸收的光子中更多部分會(huì)轉(zhuǎn)化為電子的熱運(yùn)動(dòng)[16]。⑤ 光電效應(yīng)產(chǎn)生的電能在組件工作中會(huì)有部分轉(zhuǎn)化為組件內(nèi)部的焦耳熱。所以在光輻射量不變的情況下，PVT組件容易得到高的光熱轉(zhuǎn)換效率，自然而然光電轉(zhuǎn)換效率就會(huì)降低。

5 結(jié) 語(yǔ)

利用普通太陽(yáng)能電池組件及一些簡(jiǎn)易管材、絕熱材料以及水泵、保溫桶等設(shè)施，自制了一套水流質(zhì)型光伏光熱綜合利用系統(tǒng)，并分別在三種工況下進(jìn)行了連續(xù)8 h的溫度與效率的跟蹤測(cè)試。在排除水泵工作產(chǎn)生的附加熱效應(yīng)后，得到該系統(tǒng)的8 h總的凈光熱轉(zhuǎn)換效率為55.9%，總光電轉(zhuǎn)換效率為2.74%，總能量利用率為58.64%。與相關(guān)文獻(xiàn)比較，光熱轉(zhuǎn)換效率很高，光電轉(zhuǎn)換效率很低。

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Design on a Kind of Photovoltaic-Thermal Utilization System with Water as Working Fluid

JIAHu,ZHANGDing,WANGChen-quan,TANGJun-jiong

(School of Mathematics & Physics, Anhui University of Technology, Ma’anshan 243002, China)

In order to improve the heat transfer efficiency between the photovoltaic component and water, a flat tube photovoltaic-thermal (PVT) comprehensive utilization system is designed, with water as working fluid. The temperature and efficiency tracking tests for continuous 8 hours are performed in three kinds of working conditions. The data, such as temperature and power characteristics of component, gross photo-thermal conversion efficiency, and the additional heat effect produced by pump, are obtained. Changing with of water temperature in heat insulation barrel, the net thermal efficiency and the net total efficiency of the system are gained, eliminating the additional thermal effect generated by water pump. The net thermal efficiency and the net total efficiency both change with the water temperature in the heat insulation barrel (or change with time). Both of them increase firstly and then decrease, so there are maxima of 70.31% and 73.23%, respectively. In 8 hours, the overall photo-thermal conversion efficiency is 55.9%, the overall photoelectric conversion efficiency is 2.74%, and the overall energy efficiency is 58.64%. Compared with related literatures, the photo-thermal conversion efficiency is higher, and the photoelectric conversion efficiency is lower. This phenomenon is analyzed and the application market is evaluated in this article.

photovoltaic-thermal (PVT); the comprehensive utilization system; using water as working fluid; efficiency

2015-02-27

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201310360097)；安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(AH201310360097，AH201410360291)；安徽工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(SRTP)立項(xiàng)項(xiàng)目(2013118Y，2014084Z，2014089Y)

賈 虎(1975-),男,安徽鳳陽(yáng)人,高級(jí)實(shí)驗(yàn)師,主要從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與光伏應(yīng)用研究。

Tel.:13955534529; E-mail: ahgydxjiahu@163.com

TM 615

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1006-7167(2015)12-0025-07