非晶硅太陽(yáng)能光伏/光熱空氣集熱器性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究

黃夢(mèng)蕭,王云峰,李 明,梁靖康,杜桂菊,趙文魁

（1.云南師范大學(xué) 太陽(yáng)能研究所，云南 昆明650500；2.云南師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，云南 昆明650500）

0 引言

太 陽(yáng) 能 光 伏/光 熱（Photovoltaic/Thermal，PV/T）集熱器實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能的熱、電綜合利用，因此，太陽(yáng)能PV/T集熱器的市場(chǎng)占有率不斷上升。其中，由晶硅電池集成的太陽(yáng)能PV/T熱水器占太陽(yáng)能PV/T集熱器市場(chǎng)份額的59%[1]。

學(xué)者們通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，由晶硅電池集成的太陽(yáng)能PV/T熱水器存在以下問(wèn)題：①晶硅電池的電效率隨著電池工作溫度的升高而不斷下降，在標(biāo)準(zhǔn)功率溫度系數(shù)測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，晶硅電池溫度系數(shù)為-0.41～-0.50%/℃，當(dāng)電池工作溫度為25℃時(shí)，晶硅電池的電效率為18%，當(dāng)電池工作溫度升高到75℃時(shí)，晶硅電池的電效率下降了5%[2]～[4]；②由于晶硅電池層壓在吸熱板上，導(dǎo)致兩者的熱膨脹系數(shù)存在顯著差異，這種差異導(dǎo)致由晶硅電池集成的太陽(yáng)能PV/T熱水器容易受到高熱應(yīng)力的影響[5]。長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，由于溫度梯度和溫度波動(dòng)較大的影響，導(dǎo)致晶硅電池機(jī)械應(yīng)力較大，由晶硅電池集成的太陽(yáng)能PV/T熱水器容易發(fā)生變形或斷裂。

非晶硅光伏電池功率溫度系數(shù)較低，可達(dá)到-0.1%/℃，并具有柔性高和熱應(yīng)力低的特性，能夠減少自身的光致衰減缺陷，進(jìn)而防止光伏組件出現(xiàn)破壞和中斷的現(xiàn)象[6]，[7]。因此，將非晶硅光伏電池與空氣集熱器相結(jié)合能有效解決晶硅電池?zé)釕?yīng)力大的問(wèn)題，同時(shí)，也避免了冬季管道發(fā)生霜凍的情況?；诖?，本文提出了由非晶硅光伏電池集成的太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器），并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究了該集熱器與傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器和單獨(dú)非晶硅光伏電池的能量效率和火用效率。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和測(cè)試設(shè)備

1.1 非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器結(jié)構(gòu)

非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器示意圖如圖1所示。非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器由玻璃蓋板、光伏電池、粘膠劑（EVA）、吸熱板、帶肋片的空氣流道、保溫層和邊框等組成。吸熱板與頂部玻璃蓋板之間的距離為30 mm，吸熱板正面上有15片串聯(lián)的非晶硅光伏電池，非晶硅光伏電池上表面采用EVA和透明防水絕緣材料TPT封裝，非晶硅光伏電池所占面積為1.21 m2，未被非晶硅光伏電池覆蓋的吸熱板表面為黑色選擇吸收性涂層；吸熱板背面有帶肋片的空氣流道，空氣流道的高度為27 mm。非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。

圖1 非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器示意圖Fig.1 Schematic of the amorphous siliconsolar PV/T air collector

表1 非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器參數(shù)Table 1 Parameters of the amorphoussilicon solar PV/Tair collector

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試裝置

測(cè)試地點(diǎn)位于云南省昆明市（25°N，102°E），測(cè)試平臺(tái)的搭建參照太陽(yáng)能空氣集熱器熱性能實(shí)驗(yàn)方法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T26977-2011）。測(cè)試采用的單獨(dú)非晶硅光伏電池和傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器的規(guī)格、型號(hào)均與非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器相同，三者的朝向均為正南，安裝傾角均為30°；總輻照表TRT-2與上述2個(gè)集熱器放置在同一水平面；上述2個(gè)集熱器出口處分別均勻布置了6個(gè)T型熱電偶，用于測(cè)量集熱器出口處的熱風(fēng)溫度；渦街流量計(jì)LUGB-80、熱電偶和壓力傳感器P200均布置在集熱器出風(fēng)口相連接的管道上，它們分別用于測(cè)量濕空氣的體積流量、溫度和壓力，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果確定濕空氣的定壓比熱容、密度和質(zhì)量流量；直流電流傳感器WBI342U01-S將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，并對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采集；將控制器與光伏電池、蓄電池和直流負(fù)載（兩盞電壓為24 V，額定功率為100 W的白熾燈）相連，以保證電路穩(wěn)定運(yùn)行；氣象環(huán)境參數(shù)由氣象數(shù)據(jù)記錄儀TRM-2采集并記錄。溫度、壓力、電流、電壓和流量等參數(shù)由日置數(shù)據(jù)采集儀HIOKILR-8400采集并記錄。測(cè)試日期為2019年4-5月，該時(shí)間段內(nèi)天氣晴朗，每天的測(cè)試時(shí)間為09：00-17：00。

圖2為實(shí)驗(yàn)裝置的原理圖和實(shí)物圖。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置的原理圖和實(shí)物圖Fig.2 Schematic diagramand photograph of the experimental setup

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)性能評(píng)估

從能量數(shù)量的角度出發(fā)，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的能量效率包括熱效率和電效率兩部分。非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器和傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器的瞬時(shí)熱效率ηth均為集熱器內(nèi)空氣的熱量與投射到該集熱器上的太陽(yáng)輻照量之比。

ηth的表達(dá)式為

式中：m˙為濕空氣質(zhì)量流量，kg/s；cp為濕空氣的定壓比熱容，J/kg·℃；Tin，Tout分別為集熱器進(jìn)、出口的溫度，℃；G為集熱器采光面接收到的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，W/m2；Ac為集熱器有效采光面積，m2；（τα）pv為非晶硅光伏電池層的透射吸收積[8]。

（τα）pv的計(jì)算式為式中：τ為玻璃蓋板的透過(guò)率；n為太陽(yáng)輻射在玻璃蓋板與非晶硅光伏電池間的反射數(shù)；ρd為玻璃蓋板的漫反射率，ρd=16%；α為非晶硅光伏電池層的綜合吸收率。

α的計(jì)算式為式中：αpv，αp分別為非晶硅光伏電池、吸熱板的太陽(yáng)輻照吸收率；ξ為非晶硅光伏電池覆蓋率。

ξ的計(jì)算式為

式中：Apv為非晶硅光伏電池的有效采光面積，m2。

非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器和單獨(dú)非晶硅光伏電池的瞬時(shí)電效率均為光伏電池的瞬時(shí)發(fā)電量與投射到光伏電池表面的太陽(yáng)輻照量之比。由于非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器被玻璃蓋板遮擋，因此，須要考慮光伏電池層的透射吸收積，而單獨(dú)非晶硅光伏電池中的光伏組件則不用考慮。非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器和單獨(dú)非晶硅光伏電池的控制電路、蓄電池和直流負(fù)載均一致。綜上可知，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器和單獨(dú)非晶硅光伏電池的電效率的計(jì)算式分別為

式中：ηe（PV/T），ηe分別為非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器和單獨(dú)非晶硅光伏電池的電效率，%；U為非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器或單獨(dú)非晶硅光伏電池的輸出電壓，V；I為非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器或單獨(dú)非晶硅光伏電池的輸出電流，A。

空氣質(zhì)量流量對(duì)非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的壓力降和功耗影響較大，而流體功耗與鼓風(fēng)機(jī)功耗有較大關(guān)系。

鼓風(fēng)機(jī)功耗Pfan的計(jì)算式為[9]

式中：Pflow為流體功耗，W；ΔP為非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的壓力降，Pa；ρ為空氣介質(zhì)的密度，kg/m3；ηfan為鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量轉(zhuǎn)換效率，取0.74；ηmotor為鼓風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)的軸效率，取0.9。

從獲得能量數(shù)量的角度出發(fā)，根據(jù)式（1），（5）可知，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的能量效率表達(dá)式為

式中：ηtotal為非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的能量效率，%。

考慮鼓風(fēng)機(jī)的附加能量消耗時(shí)，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器凈能量效率的計(jì)算式為

式中：ηnet為非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器凈能量效率，%。

由于式（8）的評(píng)價(jià)方法忽略了電能和熱能的品位差別，因此，從能量質(zhì)量的角度考慮，須要將電能和熱能換算成相同品質(zhì)的能源指標(biāo)。本文采用了Petela提出的火用效率評(píng)價(jià)方法作為評(píng)價(jià)的能源指標(biāo)[10]。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)接收到的太陽(yáng)輻射能火用Esun的表達(dá)式為

式中：t1，t2分別為實(shí)驗(yàn)開(kāi)始、結(jié)束的時(shí)間；Tamb為環(huán)境溫度，K；Tsun為太陽(yáng)表面溫度，取6 000 K。

空氣介質(zhì)流動(dòng)過(guò)程中，2種空氣集熱器Re的計(jì)算式為[11]

3 結(jié)果與分析

本文選取測(cè)試期間部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析。表2為3種空氣質(zhì)量流量條件下，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的性能測(cè)試結(jié)果。

表2 3種空氣質(zhì)量流量條件下，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的性能測(cè)試結(jié)果Table 2 Performance test resultsof the experimental systemunder three different air massflow rates conditions

由表2可知，測(cè)試期間，日平均太陽(yáng)總輻照量H約為19.96 MJ。當(dāng)空氣質(zhì)量流量分別為0.024，0.036，0.048 kg/s時(shí)，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的平均熱效率、電效率和能量效率分別約為45.70%，4.25%和50.19%，平均熱火用效率、電火用效率和總火用效率分別為3.12%，3.01%和6.23%；傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器的平均熱效率和熱火用效率分別為61.66%和5.2%；單獨(dú)非晶硅光伏電池的平均發(fā)電效率和電火用效率分別為4.54%和3.19%；與非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器相比，傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器和單獨(dú)非晶硅光伏電池的平均熱效率和電效率分別升高了25.88%和0.29%。綜上可知，僅從能量數(shù)量考慮，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的能量效率低于傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器的熱效率；但從能量質(zhì)量角度考慮，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的總火用效率高于傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器的熱火用效率和單獨(dú)非晶硅光伏電池的電火用效率。這是由于空氣質(zhì)量流量增大時(shí)，空氣工質(zhì)從非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器帶走的熱量增多，使得吸熱板溫度下降、熱損失減少，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的能量效率和熱火用效率提高，而鼓風(fēng)機(jī)的附加耗功增大，導(dǎo)致非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器凈效率下降。

圖3為3種不同空氣質(zhì)量流量下，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器、傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器的出口溫度和吸熱板溫度隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化情況。

圖3 3種不同空氣質(zhì)量流量下，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器、傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器的出口溫度和吸熱板溫度隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化情況Fig.3 The variation of outlet temperature and absorber plate temperature of the amorphoussilicon solar PV/Tair collector and the traditional solar air collector with solar irradianceunder three different air massflow rates

由圖3可知，當(dāng)空氣質(zhì)量流量不同時(shí)，傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器的出口溫度和吸熱板溫度均高于非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器，這是由于非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器吸熱板上表面被非晶硅光伏電池遮擋，非晶硅光伏電池的發(fā)射率高于有選擇性吸收涂層的吸熱板，導(dǎo)致非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的輻射熱損失增大；在非晶硅光伏電池周?chē)?，反射率較高的銀柵金屬線(xiàn)覆蓋了吸熱板表面的5%左右，也對(duì)非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的熱效率造成影響；另外，非晶硅光伏電池層壓在非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的吸熱板表面，非晶硅光伏電池與吸熱板之間的EVA層相當(dāng)于一層導(dǎo)熱熱阻，從而削弱了傳導(dǎo)至空氣流道的熱流，導(dǎo)致非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的吸熱板溫度低于傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器。根據(jù)牛頓冷卻定理，風(fēng)道內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)相同情況下，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器從吸熱板獲得的熱能少于傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器，因此，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的出口溫度低于傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器。

圖4為3種不同空氣質(zhì)量流量下，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器、傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器的出口溫度和熱效率隨時(shí)間的變化情況。

圖4 3種不同空氣質(zhì)量流量下，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器、傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器的出口溫度和熱效率隨時(shí)間的變化情況Fig.4 The variation of outlet temperature and thermal efficiency of the amorphous silicon solarPV/Tair collector and thetraditional solar air collector with time under three different air massflow rates

由圖4可知，當(dāng)空氣質(zhì)量流量從0.024 kg/s增加至0.036 kg/s時(shí)，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的出口溫度由47.56℃下降至41.73℃時(shí)，其平均熱效率由39.43%增加至46.54%，增加了7.11%；傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器的出口溫度由59.09℃下降至45.58℃時(shí)，其平均熱效率由56.68%增加至62.81%。當(dāng)空氣質(zhì)量流量從0.036 kg/s增加至0.048 kg/s時(shí)，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器和傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器的出口溫度分別降低了3.51℃和2.63℃，平均熱效率分別增加了4.60%和2.67%。綜上可知，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器和傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器的出口溫差和熱效率的差值均隨著空氣質(zhì)量流量的增大而減??；非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器和傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器的出口溫度降幅和熱效率的增幅也隨著空氣質(zhì)量流量的遞增而減小。非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器與傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器的出口溫差和熱效率的差值均隨著空氣質(zhì)量流量的增大而減小，這是由于傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器的出口溫度較高，其內(nèi)部熱空氣的動(dòng)力粘度高于非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器，當(dāng)空氣質(zhì)量流量的增量相同時(shí)，其雷諾數(shù)和努賽爾數(shù)的增幅低于非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器，導(dǎo)致其熱空氣與吸熱板的傳熱系數(shù)的增幅小于非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器。因此，傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器的出口溫度下降較快、熱效率增幅較慢，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器出口溫度下降速度較慢、熱效率增加速度較快，導(dǎo)致2個(gè)集熱器的出口溫差和熱效率的差值均減小。2個(gè)集熱器的出口溫度降幅和熱效率的增幅也隨著空氣質(zhì)量流量增大而減小，這是由于當(dāng)空氣質(zhì)量流量從0.024 kg/s增加至0.048 kg/s時(shí)，2個(gè)集熱器的雷諾數(shù)值均由2 194.0增加至4 843.9，流體的狀態(tài)均由層流變?yōu)檫^(guò)渡流，熱空氣與吸熱板的傳熱系數(shù)均增大，導(dǎo)致2個(gè)集熱器的出口溫度降幅和熱效率的增幅均減小。此外，傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器的出口溫度較高，導(dǎo)致其熱損失較大，在空氣質(zhì)量流量相同的情況下，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器溫度低于傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器，熱損失較小，其熱效率接近于傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器。因此，提高非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的熱效率須增大空氣質(zhì)量流量，強(qiáng)化吸熱板背部傳熱，增加對(duì)流換熱系數(shù)以減少空氣流體和吸熱板的溫差。

圖5為3種不同空氣質(zhì)量流量下，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的出口溫度和光伏組件溫度和隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化情況。

圖5 3種不同空氣質(zhì)量流量下，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的出口溫度和光伏組件隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化情況Fig.5 The variation of PV temperature and outlet temperature of the amorphoussilicon solar PV/Tair collectorwith solar irradiance under three different air mass flowrates

由圖5可知，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的出口溫度、光伏組件溫度和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化趨勢(shì)相一致，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的出口溫度和光伏組件溫度均受到太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的影響。非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的出口溫度和光伏組件溫度均隨著空氣質(zhì)量流量的增大而減小，但光伏組件溫度與出口溫度相差較大。當(dāng)空氣質(zhì)量流量從0.024 kg/s增加至0.048 kg/s時(shí)，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器出口的平均溫度由47.56℃下降至38.21℃，光伏組件平均溫度由57.89℃下降至49.02℃。當(dāng)空氣質(zhì)量流量從0.024 kg/s增大至0.048 kg/s時(shí)，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器出口的平均溫度以及光伏電池平均溫度分別降低了10.33，10.81℃。這是由于非晶硅光伏電池周?chē)臒崃拷?jīng)粘膠劑和鋁板導(dǎo)熱再傳遞給空氣介質(zhì)，增大了空氣質(zhì)量流量，使空氣介質(zhì)溫度變低，即非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的出口溫度減小。由于電池層與吸熱板之間的導(dǎo)熱熱阻不變，根據(jù)鋁板平衡能量方程可知，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器電池的溫度相應(yīng)減小。

與非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器相比，單獨(dú)非晶硅光伏電池缺少玻璃蓋板、空氣夾層和與周?chē)h(huán)境相隔離的保溫層。因此，單獨(dú)非晶硅光伏電池接收到的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度高于非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器；單獨(dú)非晶硅光伏電池的散熱效果優(yōu)于非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器；單獨(dú)非晶硅光伏電池的電效率大于非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器。圖6為3種不同空氣質(zhì)量流量下，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器和單獨(dú)非晶硅光伏電池的電效率隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化情況。

圖6 3種不同空氣質(zhì)量流量下，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器和單獨(dú)非晶硅光伏電池的電效率隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化情況Fig.6 The variation of electrical efficiency of the amorphous silicon solar PV/Tair collector and the single amorphous silicon photovoltaic cellswith solar irradiance under three different air mass flow rates

由圖6可知，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器和單獨(dú)非晶硅光伏電池的電效率的變化趨勢(shì)與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和非晶硅光伏電池溫度相反。與中午時(shí)段相比，早晚時(shí)段非晶硅光伏電池的電效率較高。這是由于非晶硅光伏電池的發(fā)電效率會(huì)隨自身工作溫度的升高而下降，并且沿空氣流動(dòng)方向，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器中的非晶硅光伏電池存在溫度梯度，串聯(lián)后非晶硅光伏電池的電流取決于電流最小的電池。雖然非晶硅光伏電池的發(fā)電效率受工作溫度的影響，但非晶硅光伏電池功率溫度系數(shù)較低。當(dāng)非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器電池的平均溫度由57.89℃下降至49.02℃時(shí)，其電效率從3.94%上升到4.70%，即非晶硅光伏電池溫度升高10℃，其電效率實(shí)際下降約0.85%。其電效率受工作溫度的影響小于晶硅電池，若將多個(gè)非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器串聯(lián)使用，會(huì)使下游非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器中的非晶硅光伏電池溫度進(jìn)一步升高，此時(shí)，體現(xiàn)了非晶硅光伏電池的輸出功率溫度系數(shù)低的優(yōu)勢(shì)。

由圖6還可以看出，在空氣質(zhì)量流量一定范圍內(nèi)，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的電效率低于單獨(dú)非晶硅光伏電池，當(dāng)空氣質(zhì)量流量為0.024 kg/s時(shí)，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的電效率低于單獨(dú)非晶硅光伏電池；當(dāng)空氣質(zhì)量流量增加至0.048 kg/s時(shí)，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的電效率高于單獨(dú)非晶硅光伏電池，電效率分別為4.70%和4.54%，二者相差0.16%。綜上可知，通過(guò)增大空氣質(zhì)量流量，能有效降低非晶硅光伏電池的溫度，從而提高非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的電效率，使該集熱器的電效率達(dá)到甚至超過(guò)單獨(dú)非晶硅光伏電池。

圖7 3種不同空氣質(zhì)量流量下，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器、傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器和單獨(dú)非晶硅光伏電池的火用效率變化情況Fig.7 The variation of exergy efficiency of theamorphous silicon solar PV/Tair collector,the traditional solar air collector and the single amorphous silicon photovoltaic cells under three different air mass flow rates

從獲得能量質(zhì)量的角度出發(fā)，火用分析能全面地分析集熱器獲得不同等級(jí)能量的能力。在空氣質(zhì)量流量分別為0.024，0.036，0.048 kg/s的工況下，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器、傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器和單獨(dú)非晶硅光伏電池的火用效率變化情況如圖7所示。由圖7可知，當(dāng)空氣質(zhì)量流量為0.024 kg/s時(shí)，傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器的熱火用效率較大，為7.66%；當(dāng)空氣質(zhì)量流量為0.048 kg/s時(shí)，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的總火用效率較大，為7.14%。隨著空氣質(zhì)量流量逐漸增大，傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器的熱火用效率逐漸減小，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的總火用效率逐漸增大。這是由于增大空氣質(zhì)量流量，使得傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器和非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的出口溫度均逐漸降低，從而縮小了這2個(gè)集熱器出口溫度與環(huán)境溫度之間的差距，因此，這2個(gè)集熱器的熱火用效率均減小。同時(shí)，增大空氣質(zhì)量流量，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的電池溫度也降低了，從而提高了非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的電能輸出比，因此，該集熱器的電火用效率隨之增加，非晶硅光伏電池的電能輸出具有的可用能比例遠(yuǎn)高于低溫?zé)峥諝猓垂怆娹D(zhuǎn)換過(guò)程中的有利影響大于不利影響。因此，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的最大總火用效率增大了。

由圖7還可以看出，在一個(gè)測(cè)試周期內(nèi)，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器、傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器和單獨(dú)非晶硅光伏電池的熱火用效率先增大后減小，與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化情況相一致,電火用效率先減小后增大，與電效率變化情況相一致。非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的熱火用效率小于傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器，2個(gè)集熱器的熱火用效率分別為1.51%～4.00%和2.00%～7.66%，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器和單獨(dú)非晶硅光伏電池的電火用效率相差不大，二者的電火用效率分別為2.00%～5.00%和2.05%～4.83%。在早晚時(shí)段，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的總火用效率大于傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器，中午時(shí)段卻相反，這是由于早晚時(shí)段，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較低、太陽(yáng)入射角較大、非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器出口溫度與環(huán)境溫度比較接近，導(dǎo)致該集熱器的熱火用效率偏低，電火用效率偏高；中午時(shí)段，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器出口溫度較高，導(dǎo)致該集熱器的熱火用效率較高，電火用效率較低，占比高的電能失去了優(yōu)勢(shì)。換言之，當(dāng)非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的電火用效率高于傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器與非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的熱火用效率差值時(shí)，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的總火用效率高于傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器；反之，則情況相反。若提高集熱器進(jìn)口溫度，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的出口溫度與環(huán)境溫度之間的差距會(huì)增大，同時(shí)，非晶硅光伏電池功率效率溫度系數(shù)較低，其電效率在高溫的情況下?lián)p失不大，因此，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的全天總火用效率會(huì)升高。

3種不同空氣質(zhì)量流量的條件下，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器熱效率εth與電火用效率εe之比隨時(shí)間的變化情況如表3所示。

表3 3種不同空氣質(zhì)量流量的條件下，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器熱效率與電火用效率之比隨時(shí)間的變化情況Table 3 The ratio of thermal and electrical exergy efficiency of the amorphous silicon solar PV/T air collector varies with time under three different air mass flow rates

由表3可知，隨著空氣質(zhì)量流量逐漸增大，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的電火用效率占比逐漸增大。13：00-14：00，當(dāng)空氣質(zhì)量流量為0.048 kg/s時(shí)，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的電火用效率比空氣質(zhì)量流量為0.024 kg/s時(shí)提高了約50%。在9：30之前，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的電火用效率占比逐漸減小，這是由于太陽(yáng)輻射強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致非晶硅光伏電池工作溫度逐漸升高，電效率逐漸下降；12：00-14：30，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的熱火用效率占比較大，這是由于太陽(yáng)輻射強(qiáng)度增強(qiáng)，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器出口溫度與環(huán)境溫度差距較大造成的；16：30以后，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的電火用效率占比逐漸增大，這是由于非晶硅光伏電池工作溫度降低導(dǎo)致的。從整體來(lái)看，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的熱火用效率略高，這是由于非晶硅光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率偏低導(dǎo)致的。

4 結(jié)論

為了解決高溫波動(dòng)情況下傳統(tǒng)PV/T熱水器，晶硅電池存在熱應(yīng)力較大的問(wèn)題，同時(shí)，為避免冬季管道出現(xiàn)霜凍的情況。本文設(shè)計(jì)了非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器，并從能量數(shù)量和能量質(zhì)量的角度對(duì)比研究了該集熱器與單獨(dú)非晶硅光伏電池、傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器的能量效率和火用效率，分析結(jié)論如下。

①非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的平均熱效率約為45.70%，平均發(fā)電效率約為4.25%；傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器的平均熱效率為61.66%。與傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器相比，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的熱效率約降低了25.88%。

②當(dāng)空氣質(zhì)量流量升高至0.048 kg/s時(shí)，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的平均發(fā)電效率高于單獨(dú)的非晶硅光伏電池，二者的平均發(fā)電效率分別為4.70%和4.54%。增大空氣質(zhì)量流量有助于提升非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的電效率。

③從能量數(shù)量的角度出發(fā)，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的能量效率低于傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器的熱效率，但從能量質(zhì)量的角度出發(fā)，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器的全天總火用效率高于傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器的熱火用效率和單獨(dú)非晶硅光伏電池的電火用效率，非晶硅太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器總火用效率的最大值為7.14%。