太陽能光電/光熱組件串聯(lián)供熱系統(tǒng)試驗研究與分析

童維維 方 浩 陶文祥

（1．南京市第二建筑設(shè)計院有限公司，江蘇 南京 210000；2．安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥 230601）

0 引言

中國政府提出在2060年前，實現(xiàn)碳中和目標(biāo)，在該背景下，提高太陽能、風(fēng)能等清潔能源的利用率對節(jié)能減排意義重大。目前，市場中太陽能空氣、水集熱器存在光熱轉(zhuǎn)換效率低、功能單一以及無法實現(xiàn)能源高效率利用等問題。太陽能光電/光熱組件（Photovoltaic/Thermal，PV/T）在通過循環(huán)工質(zhì)吸取熱量并冷卻光伏電池提高發(fā)電效率的同時，還可以獲取熱能，可以實現(xiàn)高效利用太陽能的目標(biāo)。PV/T集熱組件與其他系統(tǒng)結(jié)合靈活方便，冬季可為暖通設(shè)備提供熱源，全年可以提供電能。

目前，有關(guān)PV/T集熱組件的研究多為單個模塊，有關(guān)組件的串聯(lián)研究較少，考慮光伏組件對太陽輻照的阻礙作用，PV/T組件的熱效率往往偏低，使熱水收集溫度不能滿足用熱需求，系統(tǒng)的實用性較低。

因此，該文針對存在的問題提出一種由太陽能光電/光熱組件構(gòu)成的串聯(lián)供熱系統(tǒng)，以改善熱能的收集效果。通過搭建串聯(lián)系統(tǒng)試驗平臺，探究串聯(lián)系統(tǒng)在試驗中單個組件的電熱特性以及流量因素對串聯(lián)系統(tǒng)熱效率的影響，為光電/光熱串聯(lián)供熱系統(tǒng)的實際應(yīng)用工程提供一定的理論分析和參考價值。

1 試驗平臺

串聯(lián)供熱系統(tǒng)由3塊完全相同的光電/光熱組件從左至右順次連接而成，以下進上出的方式共同加熱水箱中的循環(huán)水，系統(tǒng)的試驗平臺位于合肥市。光電/光熱組件由玻璃蓋板、光伏電池單元、吸熱板、銅管、集熱水箱和隔熱層等構(gòu)成。單塊組件的玻璃蓋板采用3.2 mm的減反射鍍膜鋼化玻璃，吸熱板與光伏背板通過EVA進行粘合，吸熱板背面銜接7根外直徑為10 mm的支銅管。光伏面板背部的豎排換熱銅管用于吸收光伏電池?zé)崃?，維持組件處于較低的工作環(huán)境溫度，利于展現(xiàn)更高的電性能。太陽能光伏電池由72 個單元組成，每個15單元發(fā)電容量為4.58 W。光伏面板的總面積為1.759 m，其外形尺寸長1 950 mm，寬990 mm，高40 mm。為提高系統(tǒng)光熱效率，得到更高的供熱水溫度，采用玻璃纖維作為隔熱保溫層對組件背部及四周進行保溫，保溫層厚度分別為45 mm、30 mm。系統(tǒng)整體表面積為5.79 m。其中，光伏電池的總面積約為5.27 m，峰值功率可以達到990 W。串聯(lián)系統(tǒng)采用主動式循環(huán)，各水流進出口以及光伏組件均設(shè)有熱電偶用于實時監(jiān)測溫度的變化，溫度測點均采用銅-康銅熱電偶（其精度為±0.5 ℃）。環(huán)境溫度、太陽輻照強度以及集熱器安裝等均符合《太陽能集熱器熱性能試驗方法》（ GB/T 4271—2007 ）標(biāo)準(zhǔn)。太陽能輻照儀與集熱器處于同一平面安裝，環(huán)境溫度測試點離地1.1 m，集熱器安裝角度正南方向與地面夾角35°。利用輻照儀（TBQ-2）測量太陽輻照強度，借助電流傳感器、控制器、逆變器以及蓄電池等設(shè)備收集光伏板產(chǎn)生的電能，通過數(shù)據(jù)采集儀接收并儲存各項數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的流程與構(gòu)造如圖1所示。

圖1 串聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)性能評價

2.1 光熱性能評價

光熱效率可以評價系統(tǒng)的集熱性能表，將其定義為集熱水箱內(nèi)水全天增加的熱量與串聯(lián)系統(tǒng)表面所獲得的太陽輻照總量的比值，如公式（1）所示。

式中：為水箱內(nèi)水的質(zhì)量，kg；為水的比熱容，J/（kg·K）；Δ為保溫水箱全天最高水溫與最低水溫的差值，K；為太陽輻照量，W/m；為系統(tǒng)的有效采光面積，m。

2.2 光電性能評價

光電效率能夠反映系統(tǒng)的電性能，將其定義為系統(tǒng)光伏組件產(chǎn)生的總電量與照射到系統(tǒng)光伏面板上輻照總量的比值，如公式（2）所示。

式中：為太陽能電池組件的輸出電壓，V；為太陽能電池組件的輸出電流，A；A為光伏組件總面積，m。

光電/光熱系統(tǒng)能夠同時獲得熱能和電能，而電能是高品位能源，結(jié)合綜合效率更適合評估系統(tǒng)的工作性能，如公式（3）所示。

式中：η 為太陽能綜合利用效率；為光伏板的填充系數(shù)；η為電廠中熱能與電能的換算系數(shù)，η=0.38。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 串聯(lián)系統(tǒng)試驗

在晴朗天氣條件下進行試驗，試驗日期為10月30日，8：00開始，16：00結(jié)束，選取流量為0.10 m、循環(huán)水體積為270 L的試驗工況分析串聯(lián)系統(tǒng)各組件的光電/光熱特性。測試當(dāng)天輻照強度和環(huán)境溫度的變化趨勢如圖2所示，組件單位面積的全天輻照量為17.18 MJ，環(huán)境溫度平均溫度為22.99 ℃。

圖2 輻照強度與環(huán)境溫度全天變化趨勢（0.10 m3/h）

系統(tǒng)中各組件電功率與水流出口溫度隨時間變化的曲線如圖3所示。由圖3可知，對串聯(lián)系統(tǒng)來說，不同組件對應(yīng)的電功率及出口水溫存在差異，在試驗中，組件1的平均電功率最高，為193.47 W，組件3的平均電功率最低，為180.69 W。組件3的全天出口平均水溫最高，達到30.53 ℃，而組件1的全天出口平均水溫僅有27.44 ℃。其原因是水流從組件1至組件3不斷被加熱，換熱銅管內(nèi)循環(huán)水溫度不斷被加熱，溫度逐漸升高，出口溫度也隨之升高，而較高的水流溫度會降低光伏電池的轉(zhuǎn)換效率，因此出現(xiàn)沿水流加熱方向組件電功率逐漸降低，而出口水溫逐漸升高的情況。

圖3 系統(tǒng)各組件電功率與水流出口溫度變化趨勢

電效率和水箱溫度數(shù)據(jù)如圖4所示，組件1、組件2和組件3的全天平均電效率分別為18.21%、17.41%和17.10%，在同等環(huán)境工況下，組件的高電功率表明對應(yīng)更高的電效率，系統(tǒng)的全天平均電效率為17.57%。不僅如此，系統(tǒng)運行期間內(nèi)水箱溫度從最低的18.14 ℃升至最高的36.75 ℃，全天溫升達到18.61 ℃，系統(tǒng)整體熱效率為24.64%，綜合效率可以達到70.88%。可見，與單個組件相比，光電光熱組件的串聯(lián)系統(tǒng)不僅增加了電能輸出量，而且水溫也會升高。

圖4 系統(tǒng)電效率與水箱溫度變化曲線

綜上所述，在由光電/光熱組件構(gòu)成的串聯(lián)系統(tǒng)中，各組件電性能和熱性能的變化趨勢是不同的，隨著水流不斷被加熱，后置的組件具有更高的水流出口溫度，而光伏電池受較高的水溫影響，沿水流方向組件的電效率和平均電功率均會出現(xiàn)下降的現(xiàn)象，不利于后置組件輸出更高的電能。串聯(lián)組件的電能和熱能輸出量雖然比單個組件有大幅提升，但j考慮后置組件的綜合性能會受較大的影響，因此串聯(lián)數(shù)量不宜過多，以免導(dǎo)致整體性能偏低。

3.2 流量對系統(tǒng)影響分析

為探究流量因素對光電/光熱組件串聯(lián)系統(tǒng)工作性能的影響，該文對不同流量（0.15 m/h、0.30 m/h和0.45 m/h）工況開展了相關(guān)試驗。在不同流量工況下電池與水箱溫度變化曲線如圖5所示，結(jié)合曲線可以發(fā)現(xiàn)，提高運行流量，光伏電池的平均溫度顯著降低。流量0.15 m/h、0.30 m/h和0.45 m/h對應(yīng)的光伏電池表面平均溫度分別為46.54 ℃、43.50 ℃和41.79 ℃，增大流量能夠使光伏電池的更多熱量被吸收轉(zhuǎn)換，增加熱能收益。然而，在增大流量的同時，水箱溫升會逐漸降低，其原因是增大循環(huán)流量縮短了水流與銅管間的換熱時間，水流溫度比低流量運行低。因此，綜合考慮系統(tǒng)的電效率以及水溫，系統(tǒng)的循環(huán)流量不宜過大也不應(yīng)過小，中間流量值較為合適。

圖5 不同流量工況電池與水箱溫度變化曲線

不同流量工況所對應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)對比結(jié)果見表1。由表1可知，流量的大小影響系統(tǒng)的電熱性能，增加運行流量能夠提高系統(tǒng)的電效率，但熱效率會隨之下降，電熱效率存在相互制約的現(xiàn)象。整體來看，流量越低，系統(tǒng)的綜合性能表現(xiàn)更好，流量為0.15 m/h的系統(tǒng)的綜合效率為68.52%。因此流量大小的取值需要考慮系統(tǒng)整體運行的經(jīng)濟性，使系統(tǒng)的綜合效率處于較高的水平。

表1 不同流量工況試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

4 結(jié)語

對太陽能光電/光熱組件串聯(lián)供熱系統(tǒng)進行試驗，并結(jié)合數(shù)據(jù)分析的結(jié)果可得到以下4個結(jié)論：1）在光電/光熱組件的串聯(lián)供熱系統(tǒng)中，不同組件的工作性能存在差異，前置組件的電效率較高，而后置組件受水流溫度的影響，電性能有所降低，綜合效率下降。2） 組件構(gòu)成的串聯(lián)系統(tǒng)的電能、熱能輸出量比單個組件高，但串聯(lián)數(shù)量不宜過多，否則將影響系統(tǒng)整體運行的經(jīng)濟性。3） 流量是影響串聯(lián)系統(tǒng)工作的重要因素，提高運行流量，組件光伏電池的表面溫度降低，電性能更優(yōu)異，但熱效率隨流量的增加逐漸降低。4）對串聯(lián)系統(tǒng)來說，流量設(shè)置不宜過大，降低流量有利于獲得更高的綜合效率。