光伏熱水系統(tǒng)在不同溫度工況下的熱性能研究

胡志鵬，高 錢，肖君彥，盛振猛

(1.山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，濟(jì)南 250102；2.舜普新能源科技(山東)有限公司，濟(jì)南 250100)

0 引言

太陽能作為一種綠色、可再生的清潔能源，現(xiàn)已得到廣泛利用，而太陽能熱水系統(tǒng)與光伏發(fā)電系統(tǒng)是太陽能的2種主要利用方式[1-2]。本文設(shè)計(jì)了一種將儲熱水箱與光伏發(fā)電相結(jié)合的熱水系統(tǒng)(下文簡稱“光伏熱水系統(tǒng)”)，利用光伏組件將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，通過電加熱的方式為儲熱水箱中的水加熱，以此實(shí)現(xiàn)熱水供應(yīng)。針對光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率受環(huán)境溫度與太陽輻照度影響這一特性，提出了不同環(huán)境溫度工況下光伏熱水系統(tǒng)的熱性能測試方法，設(shè)計(jì)了一套模擬該光伏熱水系統(tǒng)實(shí)際工作溫度的實(shí)驗(yàn)平臺，并對該系統(tǒng)進(jìn)行了性能測試、分析與研究。

1 光伏熱水系統(tǒng)的組成及實(shí)驗(yàn)平臺搭建

1.1 光伏熱水系統(tǒng)的組成

本文設(shè)計(jì)的光伏熱水系統(tǒng)主要包括光伏組串、儲熱水箱、直流加熱器及連接電纜等。光伏組串由安裝于山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院綜合樓(36.66°N、117.23°E)樓頂?shù)?3塊功率為 275 W的多晶硅光伏組件串聯(lián)而成；儲熱水箱中安裝有直流加熱器，光伏組串產(chǎn)生的電能通過電纜進(jìn)入直流加熱器，用于加熱儲熱水箱中的水。

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺搭建

光伏組串放置在溫度可調(diào)的環(huán)境箱內(nèi)，同時在環(huán)境箱內(nèi)安裝1塊與組件安裝傾角(45°)相同角度的總輻照表。儲熱水箱安裝在室內(nèi)，室內(nèi)溫度設(shè)定為16±3 ℃；儲熱水箱中設(shè)置有溫度傳感器，用于監(jiān)測儲熱水箱中的水溫。

2 實(shí)驗(yàn)過程

1)稱量儲熱水箱盛滿水后的質(zhì)量，以此判斷儲熱箱的容水量。

2)設(shè)定環(huán)境箱內(nèi)的溫度。

3)儲熱水箱充滿水后，記錄儲熱水箱中的初始水溫；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，記錄儲熱水箱中的終止水溫。

4)記錄光伏組串表面接收的太陽輻照量。

5)通過功率分析儀監(jiān)測直流加熱器端的電壓、電流、功率。

6)根據(jù)儲熱水箱中的水溫變化計(jì)算得到水的得熱量；根據(jù)水的得熱量、光伏組串表面接收的太陽輻照量、光伏組串輪廓采光面積計(jì)算得到光伏熱水系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率(系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率為水的得熱量與光伏組串表面接收的太陽輻照量和光伏組串輪廓采光面積乘積的比值)[3-5]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了研究高溫和低溫環(huán)境溫度對光伏熱水系統(tǒng)熱性能的影響，分別選取2020年的4月3日、4月24日及4月30日作為測試日進(jìn)行測試。4月3日設(shè)定了較高的環(huán)境箱內(nèi)溫度；4月24日和4月30日設(shè)定了低于大氣環(huán)境溫度的環(huán)境箱內(nèi)溫度。不同溫度工況下光伏熱水系統(tǒng)的熱性能測試數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可以看出，雖然2020年4月3日這天光伏組串表面接收的太陽輻照量最大，為14.08 MJ/m2，但該日的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率最低，僅為14.21%。這是因?yàn)樵诠夥M串輪廓采光面積一定的情況下，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率只與光伏組串表面接收的太陽輻照量及水的得熱量有關(guān)，而水的得熱量又與光伏組串的發(fā)電量直接相關(guān)。由于4月3日環(huán)境箱內(nèi)設(shè)置的溫度過高，對光伏組件的工作溫度造成了影響，降低了光伏組串的發(fā)電量，導(dǎo)致系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率較低。同理，4月24日與4月30日時，環(huán)境箱內(nèi)的溫度設(shè)置的較低，光伏組串的發(fā)電量也相對較好。但從表中也可以看出，4月24日，光伏組串的發(fā)電量為3天中最佳，但該日系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率僅排名第2，而4月30日時系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率反而最高。這也說明了雖然環(huán)境溫度是影響光伏熱水系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率的因素，但并不是唯一的影響因素，具體原因?qū)⒃诮窈蟮膶?shí)驗(yàn)中繼續(xù)探索。

表1 不同溫度工況下光伏熱水系統(tǒng)的熱性能測試數(shù)據(jù)Table 1 Test data of thermal performance of PV hot water system under different temperature conditions

4月3日、4月24日及4月30日光伏組串表面接收的太陽輻照量與光伏組串的發(fā)電量隨時間變化的曲線如圖1所示。對比3張圖可以發(fā)現(xiàn)，并非光伏組串表面接收的太陽輻照量越多，組串的發(fā)電量就越多，尤其是4月3日，光伏組串表面接收的太陽輻照量最多，但該日組串的發(fā)電量僅高于4月30日組串的發(fā)電量。

綜合表1和圖1可以發(fā)現(xiàn)， 4月3日光伏組串表面接收的太陽輻照量是4月24日的1.05倍，而組串的發(fā)電量只是4月24日的0.90倍；同樣，4月3日組串表面接收的太陽輻照量是4月30日的1.26倍，而組串的發(fā)電量只是4月30日的1.08倍。也就是說，在單位太陽輻照量下，4月3日光伏組串的發(fā)電量是最少的，這也說明過高的環(huán)境溫度對光伏組串的發(fā)電量有一定影響，但這可能不是唯一的影響因素，后續(xù)還需進(jìn)行進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

本文介紹了一種光伏熱水系統(tǒng)，并搭建了可模擬該系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)平臺，該平臺可設(shè)定不同的環(huán)境溫度條件，有助于對光伏熱水系統(tǒng)整體性能進(jìn)行長期研究與分析。

本文選取了3個不同環(huán)境溫度工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，光伏組串表面接收的太陽輻照量最大時，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率未必最高；同時，環(huán)境溫度會對系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生影響，但環(huán)境溫度不是唯一的影響因素。