一種光伏光熱（PV/T）一體化系統(tǒng)熱電性能研究

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）

0 引言

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)。

1 研究平臺

1.1 PV/T 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

1.2 系統(tǒng)平臺

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)

2 性能評價方法

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%。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 實驗條件

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 實驗結(jié)果

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%。

4 結(jié)論

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。