周玲 ZHOU Ling;周思思 ZHOU Si-si
(廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,南寧 530007)
硅太陽能電池的最大理論光電轉(zhuǎn)換效率為30%左右,在一定的光照強(qiáng)度條件下,隨著組件自身溫度的升高,電池的輸出功率會隨之下降,溫度每升高1℃,發(fā)電效率約降低0.3%[1]。針對這個情況,很多研究[2-5]將光伏電池與太陽能集熱技術(shù)結(jié)合起來,在太陽能轉(zhuǎn)化為電能的同時,通過冷卻介質(zhì),如空氣、水或其它制冷劑,將光伏電池的熱量加以利用,實現(xiàn)組件工作溫度降低的同時,將熱量加以利用,從而提高太陽能的綜合利用效率。本文主要對水循環(huán)式單晶光伏組件的PV/T 系統(tǒng)進(jìn)行了發(fā)電效率和熱效率測試分析,為PV/T 一體化系統(tǒng)研究提供一定的理論和實驗依據(jù)。
光伏光熱一體化系統(tǒng)由光熱利用和光伏利用兩個部分組成,如圖1 所示。上面虛線框是光伏發(fā)電系統(tǒng),下面虛線內(nèi)的是熱水系統(tǒng),兩個系統(tǒng)的能源都來自最左邊的光伏光熱一體化組件,組件的組成結(jié)構(gòu)在圖中標(biāo)明:1—機(jī)架;2—上鋼化玻璃板;3—太陽能電池板;4—溫度檢測裝置;5—保溫層。
圖1 PV/T 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
PV/T 系統(tǒng)降溫的關(guān)鍵技術(shù)在于太陽能電池板背面的流體通道,其結(jié)構(gòu)層次如圖2 所示。通過吸熱銅板更高效地吸收大量的熱能,流體管道為半圓形蛇形管道,增加導(dǎo)熱面積,減少流體流動過程的阻力。
圖2 PV/T 系統(tǒng)剖面圖
系統(tǒng)測試平臺為圖1 所示PV/T 的系統(tǒng)、同型號光伏組件及數(shù)據(jù)采集平臺,光伏組件的主要參數(shù)見表1,數(shù)據(jù)采集平臺的型號參數(shù)見表2。
表1 光伏組件性能參數(shù)
表2 測試平臺的型號和測量范圍參數(shù)
PV/T 系統(tǒng)的熱效率和電效率是評價系統(tǒng)性能的兩個重要參數(shù)。熱效率定義為系統(tǒng)的熱量與PV/T 組件表面入射的太陽輻射的比值,公式如下:
式中,ηt為PV/T 熱效率;G 為太陽輻照度,A 為組件的采光面積;Cw為水的比熱容;m 為水箱水的質(zhì)量;ΔT 為水箱的測試始末的溫差。
電效率公式為:
考慮到電能與熱能的數(shù)量和品位,本評價標(biāo)準(zhǔn)采用光電光熱綜合效率Ef[6]作為評價指標(biāo)能夠反映PV/T 系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能、熱能的能力。
式中ηpower為火電廠的發(fā)電效率,我國常規(guī)燃煤火力發(fā)電廠發(fā)電效率一般為35%-42%,本文采用38%。
本系統(tǒng)實驗測試在南寧(東經(jīng)108°22',北緯22°48'),PV/T 組件、常規(guī)組件安裝方向朝正南,傾角為18°;通過IV 測試儀測定,PV/T 組件與選取的常規(guī)組件性能相近,誤差不超過5%。測試分為兩部分,第一部分,選取某一天,測試時間為10:00-16:00,對PV/T 組件和常規(guī)組件進(jìn)行發(fā)電功率監(jiān)測。第二部分,選取某15 天,對PV/T 系統(tǒng)和常規(guī)組件系統(tǒng)進(jìn)行一整天的平均熱效率和電效率測試。圖3 為測試當(dāng)天太陽輻照度和環(huán)境溫度變化。全天太陽輻照度為15MJ/m2,最大輻照度為930W/m2。環(huán)境溫度為27-35℃之間,平均氣溫30℃。環(huán)境風(fēng)速小于2m/s。測試過程中控制循環(huán)水泵水的流速為0.05kg/s。
圖3 太陽輻照度及環(huán)境溫度隨時間的變化
3.2.1 PV/T 組件與常規(guī)組件發(fā)電功率對比
圖4為一天中不同時刻PV/T 組件、常規(guī)組件溫度的變化情況,從曲線看PV/T 組件表面溫度變化比較平穩(wěn),溫度處于34-41℃之間,最高溫度為15 時左右。常規(guī)組件溫度升高明顯,溫度處于42-65℃之間,最高溫度也出現(xiàn)在太陽輻照度好的15 時左右,16 時組件溫度有明顯的下降,同一時刻常規(guī)組件溫度高于PV/T 組件8-23℃之間。
圖4 不同時刻PV/T 組件、常規(guī)組件溫度大小對比
圖5為同一天中PV/T 組件、常規(guī)組件發(fā)電實時功率的變化情況,從曲線看PV/T 組件的發(fā)電功率高于常規(guī)組件5%左右。
圖5 不同時刻PV/T 組件、常規(guī)組件發(fā)電功率大小對比
3.2.2 PV/T 組件與常規(guī)組件太陽能利用效率對比
通過選取不同的15 天進(jìn)行系統(tǒng)一天的電效率和熱效率測試,PV/T 系統(tǒng)的組件發(fā)電效率為11.6%-13.2%,常規(guī)組件的發(fā)電效率為10.9%-12.78%。PV/T系統(tǒng)的熱效率為24.8%-30.0%,平均熱效率為26.7%。從數(shù)據(jù)分析,PV/T 系統(tǒng)發(fā)電效率高于常規(guī)組件,特別是系統(tǒng)熱效率高的第7、10、14 天,PV/T 系統(tǒng)組件電效率提升約6.7%,最低情況電效率提升2.5%,15 天平均提升4.7%。具體變化見圖6 不同15 天PV/T 系統(tǒng)及常規(guī)組件的熱效率和電效率對比。
圖6 不同15 天PV/T 系統(tǒng)及常規(guī)組件的熱效率和電效率對比
根據(jù)公式(3)計算出系統(tǒng)的光電光熱綜合效率,由圖7 可見,PV/T 系統(tǒng)綜合效率遠(yuǎn)高于常規(guī)組件,平均綜合效率達(dá)59.3%。
針對常規(guī)的單晶硅循環(huán)水PV/T 系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電效率和熱效率測試,結(jié)合實驗數(shù)據(jù)分析,得到如下結(jié)論:
①PV/T 系統(tǒng)通過循環(huán)水能有效降低光伏組件的工作溫度,有效地提升了光伏組件的發(fā)電功率和發(fā)電效率,電效率提升約5%。
②因為循環(huán)水充分吸收了組件的熱量,水的溫度得到了提升,太陽能的綜合利用效率較高,達(dá)到近60%。
③PV/T 在不增加占用空間的情況下,提升了組件發(fā)電效率和太陽能綜合利用效率,具有很好的應(yīng)用價值。