光伏光熱一體化系統(tǒng)性能實驗研究

宮冠軍

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300000）

隨著光伏發(fā)電技術(shù)的日益成熟，光伏發(fā)電在全世界取得了迅速發(fā)展，太陽能電池是光伏發(fā)電的核心，晶體硅太陽能電池的發(fā)電效率依賴其工作溫度，研究表明，太陽能電池工作溫度上升1 ℃，電池輸出功率隨之降低0.5%[1]。大部分太陽輻射能在電池表面轉(zhuǎn)化成了熱量，特定條件下時，其工作溫度甚至將達到80 ℃[2]，過高的工作溫度不僅會降低太陽能電池的工作效率，也會存在安全隱患。

因此，有必要采取措施對太陽能電池進行降溫處理，提高光伏發(fā)電效率。

1 光伏光熱一體化冷卻技術(shù)

在降低太陽能電池溫度的同時，將流體帶走的熱量加以利用，這種系統(tǒng)在提高發(fā)電效率的同時還可以提供熱能，可稱之為光伏光熱一體化(PV/T)系統(tǒng)。同樣外部條件下，PV/T 系統(tǒng)可以更有效地降低太陽能電池工作溫度。而實際情況中為了盡可能有效降低太陽能電池溫度，PV/T 集熱器進口冷卻水溫度較低，這種情況下使得PV/T 集熱器出口水溫也較低，PV/T 集熱器收集的太陽輻射能量不能得到高效利用[3]。PV-SAHP 系統(tǒng)將太陽能電池和熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器結(jié)合在一起，形成PV 蒸發(fā)器。PV 蒸發(fā)器接收到的太陽輻照中，一部分用于光伏發(fā)電，另一部分的能量由PV 蒸發(fā)器吸收，經(jīng)熱泵系統(tǒng)循環(huán)提升后得到可供利用的熱量。PV-SAHP 系統(tǒng)不僅可以有效降低太陽能電池溫度，還可以提高熱泵的效率[4]。

2 實驗原理及裝置

PV-SAHP 系統(tǒng)實驗原理是在太陽能電池背面設(shè)置冷卻盤管，冷卻盤管也作為蒸汽壓縮式熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器，制冷劑在冷卻盤管中通過相變吸收太陽能電池散發(fā)的熱量，從而達到對太陽能電池降溫的目的，同時熱泵系統(tǒng)將蒸發(fā)器吸收的熱量循環(huán)后通過冷凝器放出，可以用于生活供熱。實驗裝置及測點示意圖如圖1 所示。

圖1 實驗裝置及測點示意圖

3 實驗結(jié)果分析

3.1 太陽能電池工作溫度的變化

圖2 和圖3 為無冷卻和有冷卻條件下，連續(xù)兩天太陽能電池的工作溫度變化曲線?？梢钥闯鲈跓岜孟到y(tǒng)工作階段，太陽能電池工作溫度明顯下降。08-29 溫度最高時刻為14：00，兩組太陽能電池工作溫度均為最高，有冷卻組最高溫度為45 ℃，無冷卻組最高溫度為55 ℃。溫差在14：00 也為一天中最大，溫差為10 ℃。08-30 溫度最高時刻為15：00，兩組太陽能電池工作溫度均為最高，有冷卻組最高溫度為45 ℃，無冷卻組最高溫度為63 ℃。溫差在15：00 也為一天中最大，溫差為18 ℃。

圖2 08-29 無冷卻和有冷卻條件下的太陽能電池工作溫度

圖3 08-30 無冷卻和有冷卻條件下的太陽能電池工作溫度

通過實驗結(jié)果，在系統(tǒng)工作時間內(nèi)，08-29 太陽能電池溫度平均下降8 ℃，08-30 太陽能電池溫度平均下降12 ℃。這顯示了熱泵蒸發(fā)器對太陽能電池有良好的降溫作用，這對于太陽能電池發(fā)電是十分重要的。

3.2 太陽能電池發(fā)電功率的變化

圖4 和圖5 為無冷卻和有冷卻條件下，連續(xù)兩日太陽能電池的發(fā)電功率曲線。在相同的環(huán)境條件下，可以看出在制冷裝置工作階段，有冷卻的太陽能電池發(fā)電功率明顯高于無冷卻的太陽能電池組的發(fā)電功率。08-29 發(fā)電功率最高時刻為14：00，兩組太陽能電池發(fā)電功率均為最高，有冷卻組最高發(fā)電功率為181.1 W，無冷卻組最高發(fā)電功率為172.2 W。功率提升的幅度在14：00 也為一天中最大，功率提升最大為8.9 W。08-30 溫度最高時刻為15：00，兩組太陽能電池發(fā)電功率均為最高，有冷卻組最高發(fā)電功率為176.1 W，無冷卻組最高發(fā)電功率為165.5 W。功率提升的幅度在15：00也為一天中最大，功率提升最大為11.1 W。

圖4 08-29 無冷卻和有冷卻條件下的太陽能電池發(fā)電功率

圖5 08-30 無冷卻和有冷卻條件下的太陽能電池發(fā)電功率

通過分析實驗結(jié)果得到，在熱泵蒸發(fā)器將太陽能電池降溫幅度最大的時刻（08-29T14：00、08-30T15：00），也是太陽能電池發(fā)電功率最高的時刻，這再一次證明了熱泵系統(tǒng)對太陽能電池發(fā)電功率有著積極的正面作用。在系統(tǒng)工作時間內(nèi)，08-29 太陽能電池發(fā)電功率平均提升6.9 W，提升幅度約為4%；08-30 太陽能電池發(fā)電功率平均提升8.2 W，提升幅度約為5%。

4 結(jié)論

PV-SAHP 系統(tǒng)可以有效降低太陽能電池的工作溫度，提高光伏發(fā)電功率，并且將太陽能電池余熱高效利用，實現(xiàn)了太陽能的雙重使用，提高系統(tǒng)的節(jié)能效果。本文對PV-SAHP 系統(tǒng)進行了實驗研究和混合預(yù)測，得到如下結(jié)論：①PV-SAHP 系統(tǒng)將太陽能電池和太陽能熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器結(jié)合在一起，形成PV 蒸發(fā)器。PV-SAHP 系統(tǒng)不僅可以有效降低太陽能電池溫度，還可以提高熱泵的效率。②搭建了光伏太陽能熱泵系統(tǒng)，PV 蒸發(fā)器可以有效降低太陽能電池的工作溫度，最高降溫可達18 ℃，平均下降10 ℃，光伏發(fā)電效率平均提升約5%。