雙玻光伏組件HP-PV/T一體化系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究*

陳厚仁， 馬進(jìn)偉， 羅成龍， 方浩， 陳秉章， 歐陽林皓

(1.安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

PV/T系統(tǒng)[1]的發(fā)展進(jìn)程中，學(xué)者們利用不同的換熱工質(zhì)(空氣[2]、水[3]或制冷劑[4])對系統(tǒng)展開了各項(xiàng)研究，其中熱管式PV/T(HP-PV/T)結(jié)合制冷劑相變原理有效解決了水冷式PV/T的冬季防凍問題，因而受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[5-12].目前HP-PV/T系統(tǒng)中吸熱板偏向與單玻光伏組件結(jié)合，而雙玻光伏組件具有更高的透光率[13]，有關(guān)雙玻電池組件結(jié)構(gòu)的HP-PV/T系統(tǒng)還少有涉及；此外，學(xué)者們研究的熱管大多與吸熱板單個(gè)連接，熱管內(nèi)制冷劑的替換存在一定的難度.為解決上述問題，本文首先基于雙玻光伏組件設(shè)計(jì)一種HP-PV/T一體化系統(tǒng)，無玻璃蓋板結(jié)構(gòu)以及單晶硅電池的使用能夠提高系統(tǒng)的電效率和熱傳輸；其次，對熱管的連接和排列方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，便于熱管中制冷劑的添加和更換.最后，研究并分析了系統(tǒng)的工作效率、能量損失，以期為雙玻光伏組件的HP-PV/T系統(tǒng)高效運(yùn)行提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù).

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1.1 HP-PV/T系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

HP-PV/T系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由雙玻光伏電池、吸熱板、重力熱管、聯(lián)箱和保溫材料等構(gòu)成.其中，組件表面尺寸2 000 mm×1 000 mm，透光率為10%的雙玻光伏板通過導(dǎo)熱硅膠與面積為1.95 m2吸熱板(表面電鍍選擇性黑鉻吸熱涂層)緊密黏合，重力熱管的蒸發(fā)段(Φ 7 mm×0.7 mm×925 mm)焊接在吸熱板背部，冷凝段(Φ 22 mm×1 mm×150 mm)嵌入到聯(lián)箱中，熱管底端依次焊接至內(nèi)徑22 mm的紫銅管(制冷劑進(jìn)口)，構(gòu)成一體化的重力熱管.聯(lián)箱內(nèi)部、組件背面與邊框的保溫通過填充30 mm的玻璃纖維實(shí)現(xiàn).

圖1 HP-PV/T組件示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)于合肥地區(qū)開展，組件朝南以35°傾角安裝，水箱內(nèi)部沿高度方向等距布置4個(gè)K型溫度傳感器傳輸水溫?cái)?shù)據(jù)，運(yùn)行水量為160 L，流量計(jì)和循環(huán)水泵安裝在水箱出口處，以監(jiān)測與調(diào)節(jié)循環(huán)流量.電池模塊將太陽能轉(zhuǎn)化為電能后儲(chǔ)存至電池內(nèi)，另一方面太陽能透過雙玻光伏組件以輻射換熱的形式傳遞，而大部分熱能以接觸導(dǎo)熱的形式傳遞給吸熱板至熱管蒸發(fā)段，蒸發(fā)段內(nèi)制冷劑吸熱蒸發(fā)，汽化后上升至熱管冷凝段，與水泵驅(qū)動(dòng)的循環(huán)水在聯(lián)箱換熱器中換熱液化，再由重力作用回到蒸發(fā)段.

表1 實(shí)驗(yàn)儀器型號與精度

太陽輻照度、環(huán)境溫度、聯(lián)箱出入口端循環(huán)水溫度和吸熱板溫度等參數(shù)數(shù)據(jù)利用相應(yīng)的儀器設(shè)備進(jìn)行測量.光電系統(tǒng)則由負(fù)載、蓄電池、電流傳感器和MPPT控制器等構(gòu)成.上述各項(xiàng)儀器精度型號、具體尺寸如表1所示，測量數(shù)據(jù)均由安捷倫數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行收集，數(shù)據(jù)采集儀設(shè)定采樣時(shí)間間隔為1 min.

2 系統(tǒng)評價(jià)

HP-PV/T系統(tǒng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為組件的熱效率、電效率、綜合效率[1]和能量損失率[14].

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 環(huán)境參數(shù)

實(shí)驗(yàn)在2022年4-5月開展，時(shí)間為當(dāng)天的8∶00-16∶00.為驗(yàn)證循環(huán)水流量對HP-PV/T系統(tǒng)工作性能的影響，實(shí)驗(yàn)中水流量從0.03 kg/s變化到0.08 kg/s.圖2為典型晴朗天氣下某天的太陽輻照度變化情況，當(dāng)天太陽輻照度的變化幅度明顯，平均值和最大值分別為775.7 W/m2和974.2 W/m2.

圖2 太陽輻照度變化曲線

3.2 性能對比分析

對比發(fā)現(xiàn)，流量0.03 kg/s系統(tǒng)電效率最大值為18.90%，最大電功率顯示290.96 W，而流量增加到0.08 kg/s，系統(tǒng)最大電效率提高了0.4%，達(dá)到19.30%，電功率最大值提高了5.6%，達(dá)到307.33 W.結(jié)合上述，增加循環(huán)水流量是提升組件的光電轉(zhuǎn)換性能的有效途徑.通過圖3中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還可以看出，隨著循環(huán)水流量增加，在循環(huán)水流量及輻照強(qiáng)度的共同作用下，電效率發(fā)生兩次轉(zhuǎn)折時(shí)刻對應(yīng)的太陽能輻照度增大.

圖3 HP-PV/T組件光電性能變化曲線

表2列出了變流量工況下實(shí)驗(yàn)的測試結(jié)果.由表可知，增大循環(huán)水流量，HP-PV/T組件熱效率顯著提高，由19.81%上升至28.83%，原因在于循環(huán)水流量的增大強(qiáng)化了冷卻水與熱管蒸發(fā)段的換熱效果.對比0.05、0.08 kg/s兩組流量數(shù)據(jù)顯示，由于高流速對應(yīng)的循環(huán)水流溫升較快，導(dǎo)致光伏電池處于較高的工作溫度，系統(tǒng)電效率反而降低了0.35%.

另一方面，HP-PV/T組件能量損失率隨循環(huán)水流量的增加呈現(xiàn)出相同的變化趨勢，即逐漸降低，系統(tǒng)能量損失率由62.98%降至53.51%，鑒于能量損失降低，系統(tǒng)綜合效率由65.84%提高至76.36%.總的來看，隨著流量的增大，系統(tǒng)的綜合效率逐漸提高，說明能量的轉(zhuǎn)換程度得到加強(qiáng)，更多的太陽能被收集利用.

表2 變流量工況下HP-PV/T組件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語

針對雙玻光伏組件結(jié)構(gòu)的HP-PV/T系統(tǒng)開展實(shí)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析太陽輻照度和循環(huán)水流量對系統(tǒng)性能的影響，得到以下結(jié)論：

1)雙玻光伏組件具有更好的透光率，結(jié)合熱管優(yōu)良的導(dǎo)熱性，實(shí)現(xiàn)HP-PV/T系統(tǒng)的更高效利用.

2)測試條件下，系統(tǒng)的電、熱、綜合效率最大值分別為18.41%、28.83%、76.36%.由于雙玻光伏組件的電池覆蓋率高，因此系統(tǒng)熱效率偏低.

3)太陽輻照度和循環(huán)水流量的不同對系統(tǒng)的電性能影響明顯，一定范圍內(nèi)增大太陽輻照度和循環(huán)水流量，系統(tǒng)電效率和電功率均得到有效提升.循環(huán)水流量的大小是組件全天保持較高電效率的重要因素.

4)隨著循環(huán)水流量的增大，系統(tǒng)能量損失和能量損失率逐漸下降，綜合效率上升，能夠?qū)崿F(xiàn)能量的更高效利用.