屋頂太陽能PV/T系統(tǒng)性能分析

徐姝涵

（西安鐵一中國際合作學(xué)校，陜西 西安 710054）

1 前言

太陽能的應(yīng)用，以采用單晶硅作為原料生產(chǎn)的太陽能電池，其轉(zhuǎn)化率在16%～20%，而在此基礎(chǔ)上，其能量轉(zhuǎn)化效率很差。此外，在溫度的作用下，太陽能硅片的輸出功率也受到了很大的影響。系統(tǒng)溫度上升1℃時(shí)，系統(tǒng)的發(fā)電效率就會(huì)下降大約0.5%。從光電轉(zhuǎn)換的角度來看，大約80%的光輻射沒有得到充分的使用，而沒有被充分利用到的熱量則會(huì)使電池堆的熱量升高，從而降低了功率。

針對(duì)太陽能光伏系統(tǒng)中由于環(huán)境的變化，采用在太陽能板后鋪設(shè)流動(dòng)通道，利用循環(huán)的方式對(duì)其進(jìn)行降溫，從而使其降溫，改善太陽能的利用率。利用循環(huán)系統(tǒng)將太陽能電池的熱轉(zhuǎn)移出去，同時(shí)，產(chǎn)生電能和熱效益的技術(shù)。PV/T是一項(xiàng)被世界公認(rèn)的新型太陽能技術(shù)，它可以有效地提高太陽能的利用率，并能滿足客戶對(duì)電能質(zhì)量和質(zhì)量要求的要求。PV/T系統(tǒng)可以提供熱量和電力，但是，PV/T的運(yùn)行受到氣象環(huán)境的嚴(yán)重制約，并且沒有足夠的能量供應(yīng)。

自從PV/T被提出后，就受到國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注，國內(nèi)外學(xué)者從不同的角度對(duì)PV/T進(jìn)行了研究。目前，所研究方向主要集中在材料、結(jié)構(gòu)、流道集合特性、換熱性能等方面。

張晨宇等通過對(duì)PV/T采用的相變式蓄熱器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，采用這種方法可以降低PV/T的溫度變化。對(duì)于相同材質(zhì)的PV/T模型和集熱工質(zhì)，已有學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了多種改良。張乾等對(duì)PV/T結(jié)構(gòu)有沒有玻璃蓋進(jìn)行了討論，結(jié)果表明，盡管有蓋玻璃罩的PV/T比不加玻璃罩的熱效率要高，但有罩的PV/T比不用玻璃罩要低得多。魯朝陽等人對(duì)不同形狀的空冷PV/T流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，通過增加PV/T的入口和入口的面積比例可以有效地改善PV/T的整體性能。王博飛分析了不同流速對(duì)PV/T操作特性的影響，得出了在選擇最優(yōu)流量時(shí)，太陽輻照的強(qiáng)弱對(duì)PV/T的選擇起著決定性的作用；在高日照條件下，這種方法的作用不明顯。PV/T背后的流路結(jié)構(gòu)是光熱光電轉(zhuǎn)換的重要因素，許多學(xué)者都用各種通道的數(shù)學(xué)模式來分析PV/T的特性。梁子偉等對(duì)PV/T工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明：PV/T型管的最大流量為0.008kg/s，而太陽能電池板的最大體積和集熱器區(qū)域比例為0.4。在相同材質(zhì)、相同等級(jí)的情況下，為了滿足電力的需要，本文將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向PV/T的聯(lián)接模式對(duì)電力設(shè)備的操作效果。歐陽麗萍等通過對(duì)PV/T系統(tǒng)串聯(lián)方式（串聯(lián)和并聯(lián)）的最佳聯(lián)接方式進(jìn)行了優(yōu)化分析，結(jié)果表明，在各種情況下，采用串聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)最大功率，但采用串聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)最大集中熱的方式卻不盡相同。童維維研究了不同連接方式下的PV/T熱水系統(tǒng)的性能，結(jié)果表明，PV/T的綜合性能更優(yōu)。

如前所述，國內(nèi)外的研究學(xué)者對(duì)PVT做了許多提升系統(tǒng)性能的相關(guān)研究，本文結(jié)合東北地區(qū)的氣象參數(shù)，對(duì)該系統(tǒng)利用仿真模擬的方法對(duì)參數(shù)變化情況進(jìn)行了模擬研究。

2 系統(tǒng)介紹

PVT是一種將太陽光電與光熱結(jié)合起來的系統(tǒng)。該系統(tǒng)由光伏(PV)和光熱(PT)兩大類組成，即將太陽能和集熱管結(jié)合在一起，通過光電效應(yīng)將光電轉(zhuǎn)換成DC；然后，將其轉(zhuǎn)換成工頻的AC電力，由太陽能板產(chǎn)生電能。然后，將太陽能板在光電轉(zhuǎn)換時(shí)所生成的一部分熱能，經(jīng)過熱交換器回收，并將其持續(xù)地轉(zhuǎn)化成加熱熱水，由此可以在PVT中進(jìn)行熱電連接。

PVT裝置一般由PVT組件、匯流箱、逆變器、純水箱、平板式換熱器、蓄熱水箱組成。PVT部件是它的主要組成部分，主要有：玻璃罩板、電池板、集熱器、熱傳導(dǎo)硅脂層、水管、隔熱層等。為了減小電池面板前面的熱量損耗，在面板和面板間設(shè)置了一道氣流。導(dǎo)電的硅樹脂增強(qiáng)了電池組和集熱體的熱量傳遞，并減小了集熱體后部的熱量損耗。管道與集熱管均勻地連接，使其內(nèi)部的水溫保持一致，并將吸收熱量的水存儲(chǔ)在一個(gè)容器內(nèi)。

PVT集熱器的發(fā)熱范圍為30～60℃，適合家用熱水、采暖及其他需要較高低溫?zé)嵝枨蟮墓?、民用。鑒于電能能源屬于優(yōu)質(zhì)能源，而熱能屬于低端能源，其主要目標(biāo)是通過增加太陽能發(fā)電的利用率來獲取更多電力，從而減少了電力的投入回收周期。而在此過程中，所得到的熱量會(huì)成為一種副產(chǎn)物，能夠生產(chǎn)出一定數(shù)量的熱水。而PVT系統(tǒng)，則會(huì)因?yàn)橛晏旌鸵雇淼墓庹詹蛔?，而不能進(jìn)行持續(xù)的光和熱交換，從而造成了太陽能電池背面的熱量超標(biāo)，從而降低了太陽能電池的利用率，從而對(duì)太陽能的運(yùn)行產(chǎn)生不利的作用。

3 系統(tǒng)仿真模型

3.1 模擬軟件介紹

Trnsys仿真軟件是一個(gè)瞬態(tài)系統(tǒng)仿真軟件，分別包括TRN Build、TRNEdit、TRNOPT。通過在負(fù)載的基礎(chǔ)上，TRNSYS能夠精確地計(jì)算出系統(tǒng)的能量消耗，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。TRNSYS仿真程序的最大優(yōu)勢(shì)是計(jì)算靈活，組件模塊化。用戶可以按照自己的要求構(gòu)建任意的連接，從而構(gòu)成各種系統(tǒng)的計(jì)算軟件。

在構(gòu)建系統(tǒng)模型時(shí)，可以從實(shí)際情況出發(fā)，選擇適當(dāng)?shù)哪Ｐ?，或者自行?gòu)建C語言。該系統(tǒng)可以用于冷、熱聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、槽式太陽能電站、采暖空調(diào)系統(tǒng)以及可再生能源的氫氣系統(tǒng)的瞬態(tài)仿真。

3.2 PV/T模型

PV/T的太陽能模塊采用Type560模組。PV/T組件能夠?yàn)樯戏降奶柲芄怆姲骞╇?，背面的吸熱器可以從光電電池中吸取熱，再通過管中的循環(huán)媒介將熱排出；該換熱器與太陽能電池下面的吸收面板相連（圖1）。

圖1

Type560是基于光伏電池、吸收板和通道管道能量平衡的特殊PV/T模型。光電轉(zhuǎn)換模式的光電效率與光電板溫度和入射太陽輻射呈線性關(guān)系。通過忽略太陽能板表面上能量傳遞的影響，建立太陽能電池表面上任意一點(diǎn)處的能量平衡關(guān)系，其公式如下：

式中，S為凈吸收太陽輻射量，W/m2；houter為與環(huán)境的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；TPV為光伏電池板的溫度，℃；Tamb為環(huán)境溫度，℃；hrad為輻射換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Tsky為天空溫度，℃；Tabs為吸收板的溫度，℃；RT為光伏電池板和吸熱板之間的材料熱阻，(m2·℃)/W。

輻射換熱系數(shù)計(jì)算如式（2）所示：

式中，ε為光伏電池板的表面輻射系數(shù)，取為0.9；Σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，取為5.67×10-8W/(m2·℃4)；S為單位面積凈吸收太陽輻射量，表示光伏電池板吸收的太陽總輻射減去光伏發(fā)電量，S值可由式（3）確定。

式中，(τα)n為法向入射下直射的有效投射吸收積，取值0.85；IAM為入射角修正系數(shù)，取為0.1；GT為太陽總輻射，W/m2；ηPV為光伏效率，%。

光伏效率與光伏電池板的溫度和入射太陽輻射相關(guān)，如式（4）所示。

式中，ηn為STC下光伏效率20.2%；Xc為PV電池效率與電池溫度的函數(shù)；XR為PV電池效率與入射輻射的函數(shù)；Xc=1+EffT(TPV-Tref)；Tref為STC下的參考溫度（25℃）；XR=1+EffG(GT-Gref)；Gref為STC下參考光譜輻照度為1000W/m2。

在根據(jù)入射太陽輻射和光伏溫度計(jì)算光伏系統(tǒng)的效率后，計(jì)算有效面積下輸出電功率如式（5）：

式中，APVT為PV/T面積，m2。

當(dāng)循環(huán)工質(zhì)流過PV/T吸熱板后的流道時(shí)吸收熱量，溫度升高，出口溫度可由式（6）計(jì)算。

式中，Tfluid,out為PV/T出口溫度，℃；Tfluid,in為PV/T進(jìn)口溫度，℃；Ntubes為PV/T吸熱板后通道數(shù)；Cp為流經(jīng)PV/T流體的比熱，kJ/(kg·℃)；L為PV/T沿流體方向長度。

式中，ηt為PV/T的熱效率；Qu為PV/T的集熱量，kJ。

3.3 PV/T系統(tǒng)仿真模型（圖2）

圖2 PVT系統(tǒng)仿真模型

通過對(duì)PV/T的文獻(xiàn)研究，得出了PV/T裝置的詳細(xì)參數(shù)，見表1。根據(jù)以上工作方式及控制方法，并采用PV/T對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供暖。

表1 PV/T設(shè)備參數(shù)

在模擬模型中，假定了以下幾個(gè)條件：（1）水是單相的、均質(zhì)的、不可壓縮的；在集熱器中，熱物理性能不隨溫度變化，一維恒定；（2）水箱在集熱期充滿水，系統(tǒng)依靠動(dòng)力循環(huán)泵，在一定的流量下進(jìn)行循環(huán)；（3）沒有考慮集熱系統(tǒng)的熱容影響，認(rèn)為集熱系統(tǒng)是穩(wěn)定的還是準(zhǔn)穩(wěn)定的；（4）在實(shí)際的耦合體系中，沒有考慮各種管道的壓力損耗和阻力損耗；（5）在實(shí)際耦合系統(tǒng)中，管道的熱損耗未被考慮；（6）裝置的各個(gè)初始設(shè)計(jì)資料在瞬態(tài)系統(tǒng)中維持不變。

4 系統(tǒng)運(yùn)行特性模擬研究

本章首先根據(jù)第二章建立的部件模塊，結(jié)合系統(tǒng)計(jì)算仿真流程，使用TRNSYS軟件平臺(tái)建立了仿真模型。模擬研究了西安市典型年的氣象參數(shù)下，當(dāng)管數(shù)為10根，水箱容積為300L，在不同條件水泵流速30kg/h、40kg/h，50kg/h下，系統(tǒng)各項(xiàng)性能參數(shù)的變化規(guī)律，分析了各因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

PV/T上的光伏電池組將太陽能轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行輸出，當(dāng)太陽能光照輻射充足，光伏電池組的發(fā)電量提高，但大部分輻射沒有在光伏電池組上發(fā)生光生伏特效應(yīng)，未被利用的能量會(huì)導(dǎo)致光伏溫度升高，影響發(fā)電效率。

但從圖3～5可知，隨著循環(huán)水泵的流量提升，基本上發(fā)電效率、發(fā)熱效率和發(fā)電功率不發(fā)生大的變化，全年基本維持在一個(gè)穩(wěn)定的功率下，所以光伏發(fā)電效率受到水泵流量的影響并不顯著，是因?yàn)楫?dāng)PV/T光伏電池組溫度過高時(shí)，PV/T集熱循環(huán)泵運(yùn)行，利用循環(huán)冷卻介質(zhì)及時(shí)帶走熱量，有效降低了光伏電池組的溫度，保證PV/T在正常工作溫度高效發(fā)電。

圖3 PV效率

圖4 熱效率

圖5 PV發(fā)電效率

5 結(jié)語

本文介紹PVT的工作原理和特點(diǎn)，利用該系統(tǒng)的原理和流程，確定該系統(tǒng)的適用場(chǎng)合、不同運(yùn)行工況，明確所要達(dá)到的目標(biāo)和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的方式。建立各個(gè)部件的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行建模。

以數(shù)學(xué)模型為理論基礎(chǔ)，研究該系統(tǒng)各個(gè)部件的相互影響、相互制約的關(guān)系，建立PVT系統(tǒng)的仿真模型并設(shè)計(jì)仿真流程，進(jìn)行求解。改變?nèi)肟诹髁繉?duì)系統(tǒng)的運(yùn)行特性進(jìn)行模擬仿真，并對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)性能參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行分析。