基于新型吸附式制冷的光伏板降溫系統(tǒng)

劉怡，錢(qián)意禎，周長(zhǎng)青

基于新型吸附式制冷的光伏板降溫系統(tǒng)

劉怡，錢(qián)意禎，周長(zhǎng)青

（武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

設(shè)計(jì)了一種用于光伏板的多級(jí)自動(dòng)降溫系統(tǒng)，以改善光伏板因溫度過(guò)高造成的發(fā)電功率下降問(wèn)題。該裝置在常規(guī)的光伏板基礎(chǔ)上，加裝了基于新型吸附式制冷系統(tǒng)，借助微乳液相變材料的蓄冷功能，實(shí)現(xiàn)了在不影響發(fā)電效率的情況下，利用Low-e玻璃光熱分離技術(shù)分離出的低品位熱源進(jìn)行制冷的功能。多級(jí)降溫有效地將光伏板的溫度控制在發(fā)電效率較高的范圍。同時(shí)，微乳液相變材料的選取以及和吸附劑的配合，改善了相變材料在液態(tài)時(shí)容易泄漏的問(wèn)題。

光伏板降溫；吸附式制冷；微乳液相變材料；電池板

作為一種綠色無(wú)污染的新能源，太陽(yáng)能的高效開(kāi)發(fā)和利用是重要的研究課題和方向。晶體硅太陽(yáng)電池的發(fā)電效率依賴(lài)其工作溫度，溫度每上升1 ℃將導(dǎo)致輸出功率減少0.4%～0.5%。由于到達(dá)電池表面80%以上的能量轉(zhuǎn)變成了熱量，使得太陽(yáng)電池工作溫度通常在50 ℃以上，當(dāng)散熱不良時(shí)甚至?xí)_(dá)到80 ℃，太陽(yáng)能光伏電池板溫度過(guò)高將嚴(yán)重影響太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，因此，研究降溫技術(shù)降低了光伏電池板溫度，對(duì)提高太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)發(fā)電效率具有非常重要的意義。

1 項(xiàng)目的研究目標(biāo)和研究?jī)?nèi)容

1.1 研究目標(biāo)

本項(xiàng)目基于現(xiàn)有的吸附式制冷技術(shù)，用相變微乳液代替?zhèn)鹘y(tǒng)的冷卻介質(zhì)，并結(jié)合其能利用低品位熱源的特點(diǎn)，采用Low-e玻璃光熱分離技術(shù)，將光伏板廢熱二次利用，改善太陽(yáng)能電池板降溫效果，以提高太陽(yáng)能光伏板的發(fā)電效率。同時(shí)，還能延長(zhǎng)太陽(yáng)能光伏板工作壽命，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

1.2 研究?jī)?nèi)容

1.2.1 吸附式制冷工作原理

太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能吸附集熱器、冷凝器、蒸發(fā)儲(chǔ)液器等部分組成。其制冷過(guò)程是間歇性的，包括了吸附和脫附兩個(gè)過(guò)程。

吸附式制冷系統(tǒng)包括2個(gè)階段：①解吸階段。白天在太陽(yáng)光的照射下，吸附劑的溫度不斷升高，制冷劑從吸附劑材料的微孔中脫附出來(lái)成為蒸汽，當(dāng)蒸汽壓力達(dá)到一定值，制冷劑蒸汽在冷凝器中冷凝成液體并流入蒸發(fā)器，在儲(chǔ)液器內(nèi)冷卻以后再流回蒸發(fā)器。至此，也就完成了該制冷循環(huán)的解吸階段。②吸附階段。晚上，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度由強(qiáng)變?nèi)?，吸附集熱器開(kāi)始降溫，里面的蒸汽因重新被吸附劑吸附其壓力，開(kāi)始下降，導(dǎo)致蒸發(fā)器內(nèi)壓力大于吸附床內(nèi)部壓力，制冷劑開(kāi)始蒸發(fā)并產(chǎn)生冷量。

1.2.2 相變微乳液特性

微乳液借助相變材料儲(chǔ)能和放能的過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)熱和蓄冷功效，相變材料則借助于微乳液良好的流動(dòng)性發(fā)揮更好的作用。良好的相變微乳液相變潛熱為230～240 kJ/kg，是同等蓄冷介質(zhì)的3～4倍。本項(xiàng)目選擇20%納米含量的相變微乳液，在具有高儲(chǔ)熱量的同時(shí)提高了吸/放熱速率。

1.2.3 工作流程

該改進(jìn)式吸附式制冷系統(tǒng)采用Low-e玻璃光熱分離技術(shù)，將照射在光伏板的太陽(yáng)能分離為光能和熱能，一方面實(shí)現(xiàn)了光伏板一級(jí)降溫；另一方面分離出來(lái)的熱能通過(guò)聚酰亞胺薄膜以及熱管導(dǎo)出，與集熱板集熱共同作為吸附式制冷的熱源。

2 項(xiàng)目的實(shí)施方案及擬采取研究方法和技術(shù)路線

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該裝置的主體結(jié)構(gòu)分為光熱分離模塊和吸附式制冷模塊。光熱分離模塊吸收太陽(yáng)光中的熱能之后可以為吸附式制冷模塊提供熱源，太陽(yáng)能吸附式制冷模塊吸收熱量產(chǎn)生制冷效應(yīng)后為相變微乳液儲(chǔ)能模塊制冷，在隨后吸附式制冷系統(tǒng)處于脫附過(guò)程的白天，相變微乳液制冷模塊為太陽(yáng)能光伏板制冷。整體模型如圖1所示。

2.2 光伏板光熱分離模塊

此模塊主要由太陽(yáng)能光伏板Low-e玻璃外罩和聚酰亞胺薄膜組成。Low-e玻璃可以使光透過(guò)，將熱量阻隔在玻璃外表面。在Low-e玻璃表面附加上聚酰亞胺薄膜，利用聚酰亞胺薄膜良好的導(dǎo)熱性，將Low-e玻璃外表面的熱能收集，并通過(guò)熱管傳導(dǎo)至吸附床，如圖2所示。

1—導(dǎo)熱管；2—集熱板；3—光熱分離模塊；4—微乳液管；5—制冷蓄冷模塊。

1—Low-e玻璃外罩和聚酰亞胺薄膜；2—熱管。

2.3 吸附式制冷模塊

光伏板表面與集熱板共同為吸附式制冷提供主要熱源，采用平板集熱管降低成本。在吸附式制冷過(guò)程中產(chǎn)生制冷效果的模塊是蒸發(fā)器。采用絕熱材料制作的外殼將太陽(yáng)能光伏板背面覆蓋住，蒸發(fā)器產(chǎn)生的冷空氣通過(guò)空氣泵作用經(jīng)過(guò)管道進(jìn)入太陽(yáng)能光伏板絕熱外殼中。經(jīng)過(guò)熱交換之后通過(guò)絕熱外殼另一端的出氣口排出，從而維持外殼中氣壓的穩(wěn)定。

在蒸發(fā)器制冷時(shí)，采用相變微乳液對(duì)其進(jìn)行蓄冷。蒸發(fā)器中排出的冷空氣一部分用于太陽(yáng)能光伏板的制冷，另一部分通過(guò)管道進(jìn)入儲(chǔ)液室，冷空氣通過(guò)儲(chǔ)液室儲(chǔ)液空間外圍的空氣流通部分與儲(chǔ)液部分進(jìn)行熱交換。

當(dāng)吸附式制冷系統(tǒng)進(jìn)入脫附階段，蒸發(fā)器不再制冷，太陽(yáng)能光伏板開(kāi)始工作，此時(shí)太陽(yáng)能光伏板溫度會(huì)升高，經(jīng)過(guò)蓄冷達(dá)到飽和的相變微乳液在流過(guò)蛇形管道的過(guò)程中，由于太陽(yáng)能光伏板溫度升高，后蓋內(nèi)溫度上升，與相變微乳液的溫度形成溫度差，相變微乳液在蛇形管道中進(jìn)行吸熱制冷。在吸附式制冷系統(tǒng)進(jìn)行脫附的工程中，由相變微乳液對(duì)太陽(yáng)能光伏板進(jìn)行持續(xù)降溫制冷。

3 項(xiàng)目的研究基礎(chǔ)和可行性分析

3.1 太陽(yáng)能發(fā)電效率分析

太陽(yáng)能光伏板的表面工作溫度為65.5 ℃。本項(xiàng)目采用吸附式制冷的方法給太陽(yáng)能光伏板降溫，將其溫度降低到53 ℃左右，并在此處維持太陽(yáng)能光伏板的較高發(fā)電效率。當(dāng)高于溫度在55 ℃后發(fā)電效率會(huì)驟降，估算出效率會(huì)提高1，1約為50%，因此會(huì)提高50%左右發(fā)電效率。

3.2 改進(jìn)前后吸附式制冷效率分析

吸附式制冷的效率受到多方面的條件制約，因此根據(jù)效率核算中的變量核算法來(lái)比較引用本項(xiàng)目改進(jìn)前后的吸附式制冷效率。

吸附式制冷的冷凝劑效率最高的為活性炭-甲醇組合，因此，以這組為例計(jì)算制冷效率。定義單位質(zhì)量吸附劑在某一溫度、壓力條件下對(duì)吸附劑的平衡吸附量為其平衡吸附量eq，簡(jiǎn)稱(chēng)吸附量，它是吸附式制冷體系中最重要的參數(shù)之一。

可以計(jì)算出當(dāng)平衡時(shí)=29.85 ℃。太陽(yáng)能集熱板的溫度平均為52.85 ℃以下時(shí)能達(dá)到最高發(fā)電效率，當(dāng)表面溫度在56.85 ℃以上時(shí)發(fā)電效率會(huì)大打折扣。

分析可得相變微乳液的能量轉(zhuǎn)化效率為73.74%，在吸附式制冷系統(tǒng)制冷期間能夠很大程度地儲(chǔ)存這部分冷量。

4 檢驗(yàn)方案擬定

裝置制作實(shí)物后將對(duì)多個(gè)方面進(jìn)行檢驗(yàn)：①在同種光伏板的溫度、發(fā)電電壓、發(fā)電電流、能量轉(zhuǎn)化率、最大發(fā)電功率、平均發(fā)電功率等多方面，在相同時(shí)間內(nèi)，檢驗(yàn)各方面指數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，確定吸附式冷卻的設(shè)計(jì)合理性；②從裝置可靠性、制冷效率、制冷效果、噪聲大小、使用壽命、成本等多方面與吸收式制冷技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)在相同工作時(shí)間下、相同環(huán)境溫度、相同光照強(qiáng)度，在不同的溫度梯度下的發(fā)電效率來(lái)對(duì)降溫增效功能進(jìn)行對(duì)比；③從裝置工作時(shí)長(zhǎng)上進(jìn)行校驗(yàn)，檢驗(yàn)其維護(hù)周期、相變材料的泄漏情況，分析本裝置的耐用度及抗惡劣環(huán)境的能力。

針對(duì)目前光伏板在高溫下發(fā)電功率低的問(wèn)題，從以上3個(gè)方面驗(yàn)證裝置設(shè)計(jì)的合理性，如果效果良好則能方便地滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。

5 結(jié)論

綜上所述，該裝置在實(shí)現(xiàn)減小高溫對(duì)光伏板發(fā)電效率造成的負(fù)面影響的同時(shí)，相比于吸收式制冷技術(shù)在壽命、成本、噪聲大小等各個(gè)方面都有一定優(yōu)勢(shì)，可提高發(fā)電效率，同時(shí)降低高溫對(duì)光伏板壽命的影響，使光伏板處于最適宜溫度，光電轉(zhuǎn)化效率較高的狀態(tài)，從而達(dá)到利用低品位熱源、不消耗外部能源實(shí)現(xiàn)光伏板降溫增效的目的。

［1］張成昱，李以通，李曉萍，等.太陽(yáng)能光伏電池板降溫技術(shù)淺析［J］.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2017，36（10）：85-87.

［2］張萌，陳旭，秦松，等.我國(guó)Low-E節(jié)能玻璃推廣應(yīng)用現(xiàn)狀分析［J］.中國(guó)建材，2018（11）：143-145.

［3］陳偉.吸收式、吸附式太陽(yáng)能制冷空調(diào)的應(yīng)用探討［J］.內(nèi)江科技，2019，40（7）：58，62.

［4］郭亞飛.相變微乳液的制備及其性能研究［D］.長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2012.

［5］付志粉.太陽(yáng)能吸收式、吸附式制冷空調(diào)的應(yīng)用［J］.科技信息（科學(xué)·教研），2007（34）：77，82.

［6］陳穎，姜慶輝，辛集武，等.相變儲(chǔ)能材料及其應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.材料工程，2019，47（7）：1-10.

TM615

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.057

2095－6835（2019）24－0129－02

〔編輯：張思楠〕