冷卻水流量變化對(duì)板管式光伏光熱系統(tǒng)的性能影響探析

張適闊

(江西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330000)

0 引言

板管式光伏光熱系統(tǒng)是利用太陽(yáng)能進(jìn)行能源轉(zhuǎn)化的系統(tǒng)，其中的核心便是光伏電池，為了提高光伏電池的電壓和電流，通常情況下就會(huì)將光伏電池進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓和電流很小的光伏電池的電壓提升，從而構(gòu)成了光伏組件，來(lái)促進(jìn)光伏電池的有效使用。現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用的光伏組件是晶硅組件，相比于其他的組件晶硅組件價(jià)格更加低廉，并且在長(zhǎng)時(shí)間的研究與發(fā)展中，技術(shù)也更加成熟，發(fā)電過(guò)程也更加穩(wěn)定，并且原料豐富制備工藝也已經(jīng)十分成熟。雖然晶硅組件有著諸多的優(yōu)勢(shì)，但是其缺點(diǎn)也十分明顯，那就是晶硅組件很容易受到溫度影響，在溫度升高的過(guò)程中，晶硅組件的發(fā)電效率會(huì)明顯地降低，由于晶硅組件的溫度系數(shù)較大，所以應(yīng)當(dāng)采用冷卻措施來(lái)保證晶硅組件的溫度，以此來(lái)確保晶硅組件的輸出功率穩(wěn)定，提升單位面積晶硅組件的發(fā)電量[1]。

1 冷卻類(lèi)型

1978年，國(guó)外科學(xué)家率先提出了光伏光熱系統(tǒng)，即PV/T系統(tǒng)，在現(xiàn)階段的研究之中，根據(jù)冷卻系統(tǒng)的工質(zhì)不同，可以將冷卻類(lèi)型分為空氣型和水冷型，這兩種類(lèi)型是目前常用的兩種類(lèi)型，各有利弊。平板式水冷型，這一類(lèi)型的優(yōu)點(diǎn)是能夠直接使用，并且不需要進(jìn)行二次換熱，不僅如此，在光學(xué)特性以及熱容量方面都有著很明顯的優(yōu)勢(shì)，很多學(xué)者都選擇這一類(lèi)型進(jìn)行深入研究，希望讓這一類(lèi)型的優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步擴(kuò)大，更好地推動(dòng)其全面應(yīng)用。有關(guān)專家會(huì)利用模型進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在保證熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流以及熱輻射等條件穩(wěn)定的情況下，光伏光熱系統(tǒng)的總效率能夠達(dá)到60%～80%，隨后根據(jù)理論分析和實(shí)驗(yàn)探究，在對(duì)9種結(jié)構(gòu)不相同的水冷型光伏光熱系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試之后發(fā)現(xiàn)，在光伏光熱系統(tǒng)熱效率與電效率的相互作用之下，只有板管式光伏光熱系統(tǒng)的熱效率是最高的，其主要的冷卻方法是將冷卻工質(zhì)順著光伏板下方的流道進(jìn)行流動(dòng)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏光熱系統(tǒng)的冷卻，在后續(xù)的研究中發(fā)現(xiàn)，工質(zhì)溫度較高是引起電能損失的主要原因，而熱能損失的主要原因則是熱對(duì)流和吸熱板的高發(fā)射率，除此之外，還發(fā)現(xiàn)要想實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏光熱系統(tǒng)電性能與熱性能的改善，就需要充分改善集熱器結(jié)構(gòu)和冷卻工質(zhì)的流量，并對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收量進(jìn)行控制[2]。在通過(guò)大量的實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，板管式光伏光熱系統(tǒng)的熱性能與電性能很大程度上受到冷卻水流量的影響，因此為了實(shí)現(xiàn)更好的發(fā)電效率，還需要對(duì)冷卻水的流量進(jìn)行研究，探尋出最佳的流量范圍。

2 光伏光熱系統(tǒng)模型

在光伏光熱系統(tǒng)正常工作的條件之下，熱能傳遞主要過(guò)程如下，首先太陽(yáng)將熱量輻射傳送到光伏光熱系統(tǒng)的表面，隨后由表面的組件接收熱量，隨后由接觸面?zhèn)鬟f到非接觸面，再由非接觸面?zhèn)鬟f到冷卻水，實(shí)現(xiàn)了熱量傳遞，在這一過(guò)程之中會(huì)通過(guò)熱對(duì)流實(shí)現(xiàn)熱量的散失，除此之外，還有熱量傳遞過(guò)程中的熱量散失，根據(jù)這些熱量傳遞與散失的過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏光熱系統(tǒng)熱效率的計(jì)算。

3 光伏光熱系統(tǒng)的原理

整個(gè)光伏光熱系統(tǒng)的構(gòu)成有光伏光熱組件、儲(chǔ)熱水箱、水管水泵、變頻器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)幾個(gè)部分，其主要的原理是利用水管和水泵將儲(chǔ)熱水箱中的水進(jìn)行泵出，隨后將水輸送到光伏發(fā)熱組件最下部的銅管中，利用銅鋁集熱器將熱量進(jìn)行吸收隨后傳遞到冷卻水中，在冷卻水吸收了光伏光熱組件中的熱量之后，通過(guò)水泵的作用流回儲(chǔ)熱水箱中去，如此往復(fù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏光熱系統(tǒng)的持續(xù)散熱。為了實(shí)現(xiàn)資源的有效利用，被加熱多次后的冷卻水可以輸送到住戶中，作為生活用水使用，不僅能夠保證冷卻效果的良好，還能夠?yàn)樽籼峁┥顭崴芍^誰(shuí)一舉多得，其中水泵是由調(diào)節(jié)變頻器來(lái)控制的，通過(guò)變頻器頻率變化來(lái)控制水量變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的最佳控制[3]。

4 實(shí)驗(yàn)環(huán)境控制

在進(jìn)行光伏光熱系統(tǒng)的測(cè)試時(shí)，要充分模擬外部環(huán)境，實(shí)現(xiàn)真實(shí)的環(huán)境模擬，要將溫度進(jìn)行細(xì)微的控制，保證溫度的變化范圍不超過(guò)0.5 ℃，保證實(shí)驗(yàn)室全部封閉平均溫度恒定在26 ℃，為了模擬太陽(yáng)光，要采用功率很大的鹵鎢燈來(lái)進(jìn)行照射實(shí)驗(yàn)，為了更加全面的模擬太陽(yáng)照射，要安裝多臺(tái)鹵鎢燈并且還要進(jìn)行分散的照射，試驗(yàn)時(shí)要將光伏光熱組件進(jìn)行區(qū)域的劃分，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于組件各個(gè)位置太陽(yáng)光輻射強(qiáng)度的有效檢測(cè)，除此之外，還要保證所有的組件都是能夠正常使用，使實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各個(gè)部分的參數(shù)能夠取標(biāo)準(zhǔn)值，便于對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的測(cè)算，只有嚴(yán)格控制好實(shí)驗(yàn)環(huán)境，才能夠保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析

在外界的溫度環(huán)境不變的情況下，冷卻水的流量、光伏光熱組件的溫度以及光伏光熱系統(tǒng)的發(fā)電功率會(huì)有不同的變化，一般情況下，隨著冷卻水流量的逐步增加，光伏光熱組件的溫度在不斷地下降，同時(shí)光伏光熱組件的發(fā)電功率衰減百分?jǐn)?shù)，呈現(xiàn)出了先增加后減小的趨勢(shì)，由此可以看出，冷卻水流量與光伏光熱組件的溫度，以及光伏光熱組件的發(fā)電功率衰減百分比并沒(méi)有顯現(xiàn)出線性關(guān)系，主要原因是光伏光熱組件溫度在冷卻水的作用下降低之后，發(fā)電功率得到了一定程度的提升?？墒请S著冷卻水的不斷循環(huán)，冷卻水流回集熱水箱后，溫度并沒(méi)有得到有效降低，便再次進(jìn)入了冷卻循環(huán)，這就導(dǎo)致集熱水箱之中的冷卻水溫度逐漸上升，冷卻水與光伏光熱組件之間的熱交換效率下降，導(dǎo)致整體的冷卻效果下降，光伏光熱組件的溫度不能夠及時(shí)，降低，致使光伏光熱組件的溫度上升，電功率也就因此有了一定程度的下降。在進(jìn)行實(shí)際的試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，光伏光熱組件在冷卻水的作用下溫度明顯降低，同時(shí)光伏光熱組件的電功率衰減百分?jǐn)?shù)，也隨著冷卻水流量的增加逐漸上升，在對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，冷卻水流量控制在0.15 kg/s 時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)最低的平均溫度以及最低的輸出功率衰減百分?jǐn)?shù)，由此可以得出，冷卻水流量在0.15 kg/s 時(shí)，對(duì)于光伏光熱組件的冷卻效果最好，并且對(duì)于光伏光熱組件的運(yùn)用效率也最高[4]。

6 結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)板管式光伏光熱系統(tǒng)，在熱性能和電性能方面進(jìn)行了探究，并根據(jù)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)對(duì)冷卻水流量進(jìn)行了分析，得出了在整個(gè)系統(tǒng)發(fā)電效率最高，同時(shí)冷卻效果最好的冷卻水流量值。其主要表現(xiàn)在冷卻水流量的增加光伏光熱組件的溫度變化、發(fā)電功率的變化、光伏光熱系統(tǒng)的熱效率變化，以及PV/T組件相對(duì)于PV組件的優(yōu)越性。