太陽(yáng)能光電光熱一體化系統(tǒng)試驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置設(shè)計(jì)與實(shí)踐

徐鑫 趙維

摘 要：結(jié)合“太陽(yáng)能利用技術(shù)”課程教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)了基于模塊式光電光熱系統(tǒng)的太陽(yáng)能光電光熱一體化（PVT）相關(guān)實(shí)訓(xùn)，并進(jìn)行了拓展試驗(yàn)。采用本套系統(tǒng)，可盡可能地為教師授課、學(xué)生學(xué)習(xí)和教師科研提供更多種類的PV組件、光熱組件及聚光組件，以及不同組件相互組合所形成的不同形式的PVT系統(tǒng)；可盡可能實(shí)現(xiàn)各模塊間的快速組合、形成不同形式的PVT系統(tǒng)、以便進(jìn)行不同的系統(tǒng)性能測(cè)試或多系統(tǒng)對(duì)比試驗(yàn)，降低試驗(yàn)成本。通過(guò)實(shí)訓(xùn)試驗(yàn)，本套系統(tǒng)激發(fā)了學(xué)生課程學(xué)習(xí)的興趣，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)PVT系統(tǒng)的感性認(rèn)識(shí)，對(duì)提高太陽(yáng)能能源利用率的方法進(jìn)行理解，取得了較好的實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果并獲得了相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能光電光熱一體化；模塊式裝置；實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)；教學(xué)

1 太陽(yáng)能光電模塊

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有商業(yè)化光伏組件種類較多，其中，如表1所示，不同光伏組件有著不同的特點(diǎn)。本試驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置采用單晶硅、多晶硅、薄膜電池及砷化鎵作為光電模塊，每個(gè)模塊包括光伏組件及引出線，且模塊可以通過(guò)延伸板與裝置相連。

2 太陽(yáng)能光熱模塊

按照不同冷卻介質(zhì)，不同流道形式及聚光光學(xué)特性對(duì)太陽(yáng)能光熱模塊進(jìn)行分析。常用冷卻介質(zhì)包括空氣、水和納米流體等?？諝饬鲃?dòng)方便且使用方便，但由于比熱容較大，空氣占地面積較大；水的熱效率高占地面積小，但是冬季寒冷地區(qū)會(huì)凍結(jié)；納米流體熱效率高，但是價(jià)格較高，制備工藝要求高，必須設(shè)置二次換熱。所以本試驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置采用水和空氣作為冷卻介質(zhì)。

由于冷卻介質(zhì)流道會(huì)對(duì)傳熱效果產(chǎn)生影響，所以在設(shè)計(jì)本試驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置時(shí)，首先對(duì)不同液體流道及空氣流道進(jìn)行了對(duì)比分析，由于流道特征尺寸對(duì)傳熱過(guò)程有影響，流道越長(zhǎng)，電效率越高，熱效率越低，達(dá)到一定值后趨于穩(wěn)定；流道越深，電效率越高，熱效率變化較小，達(dá)到一定值后趨于穩(wěn)定；所以利用FLUENT模擬，對(duì)流道形式進(jìn)行確定，如圖1所示。本試驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置采用DN20銅管及DN20軟管作為液體流道，管間距可從50～80mm之間調(diào)整；流道形式包括直管式、蛇形管式和微熱管式。采用亞克力作為空氣流道材質(zhì)，通過(guò)FLUENT模擬得到扁盒寬度為50mm。

一般的，聚光性能越好，集熱效果越佳。平板式集熱器價(jià)格較便宜，占地面積小，但聚光效果較弱，綜合效率較低；槽式集熱器聚光效果較強(qiáng)，工質(zhì)制得溫度較高，但占地空間較大；菲涅爾聚光和塔式聚光的聚光效果強(qiáng)，但是價(jià)格昂貴，一般用于中高溫光熱發(fā)電系統(tǒng)。所以，本試驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置選用平板式及聚光式聚光模塊。其中，平板型集熱器多使用玻璃蓋板覆蓋集熱管以提升集熱效率，但若用于PVT系統(tǒng)，電效率會(huì)有降低；若無(wú)玻璃蓋板，PVT系統(tǒng)電效率會(huì)提升，但PV組件長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中會(huì)縮短組件使用壽命。所以，本試驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置的玻璃蓋板可選擇性放置。

不同的流體狀態(tài)會(huì)影響PVT系統(tǒng)性能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)及模擬發(fā)現(xiàn)，流體流速越快，PV組件表面溫度越低，流體溫升越小，得熱量越大，綜合效率越高。說(shuō)明當(dāng)流體設(shè)定較低的初始溫度和適宜的流速時(shí)，可使綜合效率得到提升。所以，本試驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置可通過(guò)閥門和水箱電加熱器調(diào)整系統(tǒng)初始溫度及流體流速。

3 模塊組合方式

如表2及表3所示，不同的流道形式進(jìn)行組合，可以形成不同的系統(tǒng)，并在相同太陽(yáng)輻射值下得到不同的綜合效率。所以，本試驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置利用模塊化的光熱組件搭建出不同系統(tǒng)，進(jìn)而獲得不同的試驗(yàn)及實(shí)訓(xùn)工況。

4 環(huán)境因素設(shè)置

由于本系統(tǒng)通過(guò)太陽(yáng)能進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)綜合效率會(huì)隨著太陽(yáng)輻射值的變化而變化。當(dāng)天空的云或周圍物體對(duì)PVT板進(jìn)行遮擋時(shí)，綜合效率隨即下降。即在中國(guó)北方地區(qū)，霧霾天氣是不適宜在室外使用PVT進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的，所以本試驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置需要設(shè)置模擬光源，設(shè)置燈架及可調(diào)整模擬輻射值。

對(duì)于PV組件而言，環(huán)境風(fēng)速增大時(shí)，PV組件表面的溫度逐漸下降，可提升發(fā)電效率。但是風(fēng)會(huì)帶來(lái)沙塵，造成PV組件的有效面積減小，進(jìn)而降低發(fā)電效率。所以本試驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置在室內(nèi)進(jìn)行操作，并定期進(jìn)行光電模塊、光熱模塊的清潔工作。

5 PVT模塊式試驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置

根據(jù)上述分析，裝置包括燈源、可更換光電模塊、可更換光熱模塊、水泵、風(fēng)機(jī)、可調(diào)整流量閥，測(cè)試裝置包括太陽(yáng)能輻射儀、熱電偶、熱量表、風(fēng)速儀及數(shù)據(jù)采集器等，如圖 2所示。

本試驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置通過(guò)對(duì)不同光電光熱一體化模式進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，可為太陽(yáng)能光電光熱一體化系統(tǒng)性能研究提供基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)；利用本裝置進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行模塊搭建操作及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)，整合PV組件和太陽(yáng)能集熱器的實(shí)體及概念，使學(xué)生增進(jìn)對(duì)PVT系統(tǒng)的直觀認(rèn)識(shí)。

6 結(jié)論

本試驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）在太陽(yáng)能利用實(shí)訓(xùn)課上或?qū)W生科技活動(dòng)中，可利用本套裝置指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行模塊搭建操作及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)，整合PV組件和太陽(yáng)能集熱器的實(shí)體及概念，使學(xué)生增進(jìn)對(duì)PVT系統(tǒng)的直觀認(rèn)識(shí)；

2）本套裝置通過(guò)多種組合可以實(shí)現(xiàn)多種類型PVT系統(tǒng)，可供本校師生、相關(guān)院校及科研單位在相同設(shè)計(jì)條件下進(jìn)行PVT系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)；

3）測(cè)試的結(jié)果可為太陽(yáng)能光電光熱一體化系統(tǒng)性能研究提供基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)優(yōu)化提供試驗(yàn)方法并降低正交試驗(yàn)成本。

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