太阳能光伏光热一体化系统的实验研究
第26卷第2期
2005年4月
太阳能学报
ACTAENERGIAE
V01.26.No.2
Apr.,2005
SOLA:RISSINICA
文章编号:0254J吣%(20惦)02m170-咐
太阳能光伏光热一体化系统的实验研究
季
摘
杰1,程洪波1,何伟1,陆剑平1,T.T.Chow2
(1.中国科学技术大学热科学与能源工程系,合肥230027;2.香港城市大学建筑科学与技术部,中国香港特别行政区)
要:为提高太阳能的利用率同时得到可资利用的热水和电力,将小型贮能式光伏系统与家用平板型太阳能
热水器结合起来,把光优电池组件层压在热水器的扁盒式铝合金集热板上,构成一套光优光热(PV/T)一体化系统,并在合肥地区进行了自然循环模式下的光电光热性能测试。实验结果表明,在晴朗或多云的天气条件下实验系统日平均热效率可达40%,日平均发电效率约9.5%,系统综合性能效率多在60%以上,比单独的光伏或热水系统效率有显著提高。
关键词:光伏-热水一体化;自然循环;综合性能效率
中图分类号:TM615
文献标识码:A
U
刖
言,无透明盖板、较大K/A。(水箱和集热面积
舌
比)及较大肋片效率的PV/T系统具有更大的整体效率∞J。但是从文献[3]也可以看出,这种系统没有透明盖板,且采用强迫对流模式,为了降低肋片温度以提高系统效率,使该系统所得到的热水温度较低;其次,这种强迫对流式系统所必需的泵需要消耗电能,从而减少了系统的电力产量,降低了系统的有用收益。为此我们设计制作了一台建立在家用扁盒式铝合金平板型太阳能热水器基础之上的自然循环式Pv/T实验系统,希望该系统在具有较高的整体效率的同时还可以得到温度较高的热水。1
理论研究表明单晶硅太阳电池在0℃时的最大理论转换效率只有30%。在光强一定的条件下, 当硅电池自身温度升高时其输出功率将下降,其它因素如光强的大小等对硅电池的能量转换效率也有所影响。在实际应用中,标准条件下硅电池转换效率约为12—17%¨J。可以看出照射到电池表面上的太阳能的83%以上未能转换为有用能量,相当一部分能量转化成为热能,并使电池温度升高,导致电池效率下降。为尽可能使电池效率保持在较高水平,可以在电池背面敷设流体通道带走热量以降低电池温度。如果用水做流体,用这些热量可以制备热水。由此很多研究者尝试构造这样一个太阳能发电同时制备热水的一体化系统。
al,1999)
(Be唱ene&
Bjerke,1993;Fujisawa&Tani,1997;B.J.Huang
et
系统原理及设计
在太阳电池背面敷设流体通道是这种PV/T系
统的核心。为使实验系统具有家庭应用性,实验选用已商品化的太阳能电池与家用平板型太阳能热水器组成一套完整的光伏光热一体化系统。系统中电池为多晶硅太阳电池,太阳辐照度1000W/m2、温度25℃的标准状况下这种硅电池的转换效率约为14.O%;热水器的集热板为一种目前市场上较为少见的新型扁盒式铝合金集热板,该集热板是用多条厚1cm、有效宽度8.5cm、材质厚度1mm的扁盒式铝合金型条并列拼装而成,上下联管材质相同。集热板结构可见图1。相比于管板式集热板,扁盒式集热板肋片效率可认为等于1,传热效果良好。
这种光伏光热一体化(PV/T)系统可以产生热水和电力两种有用收益,由于水流吸收了使硅电池转换效率下降的余热,成为可以利用的热水,系统的整体有用收益效率将比单一的光伏或热水系统高。Bergene在理论上指出Pv/T系统的效率可达
到60%~80%【2J。Tani和台湾大学的B.J.Huang分
别做实验研究了低进口水温的强迫对流式PV/T系统的性能。B.J.Huang的实验结果表明,相比较而
收稿日期:2003—11.12
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171
相同的进水温度,扁盒式集热板上下温差比管板式集热板小,有利于提高光电池的效率和降低热损,从而提高了系统的综合效率。
…。尸1集热謦结7.,
Fig.1
Thestmctureofsolarabsorber
本实验中,把太阳电池用导热性能良好的胶分别贴附在各扁盒式铝合金型条上半部表面上,其间用不透明PPI'绝缘,表面覆盖以透明的乙烯醋酸乙烯脂(EVA)材料,将各层连同铝合金型条用真空层压机(1aminator)抽真空紧密压制,以保证密封良好,各层接触紧密。太阳电池贴附完成后将
各型条并列榫接,拼装成一块完整的复合集电热
板。结构示意见图2。层压成形后扁盒式铝合金集热板表面以上的太阳电池组件(包括胶及不透明
P盯)厚度2mm一3mm,整个集电热板表面平整。
集电热板上盖4mm厚低铁玻璃盖板,空气夹层厚度约2cm。背面以聚氨酯发泡绝热,最后玻璃盖板、集电热板和绝热背板一起用铝合金边框密封。
图2复合集电热板结构示意图
Fig.2
Theschematicoftheintegrative
solarcollectorstmcture
光伏系统中,硅电池标况下的能量转换效率14.0%,电池阵列面积0.7875m2,阵列的转换效率约l1.6%。其余部分包括蓄电池和逆变控制器等,可将随太阳辐射不断变化的直流电贮存起来或转变为220V标准交流电供家用电器直接使用。
复合热水器为自然循环式,集热铝板面积为1.64m2,正南向放置,倾角38。,水箱横置,水箱
容积与集热面积比K朋。为61L/m2。整个光伏热
水一体化系统结构及数据采集系统如图3所示。
图3实验系统(包括数据采集系统)示意图
Fi昏37rhesch咖aticof她Pv/T肌ddata-collect崦system
2实验测试及结果讨论…一’’’’’。
一
。
’
一
按照家用太阳能热水器性能测试国家标准的要求,笔者在合肥地区进行了8h的全天室外实验。测量参数包括:太阳辐照量R,水箱温度L,环境温度t,工作电压玑,工作电流,w。数据采集仪每5分钟采集一次数据,处理后的实验结果见表l^
.
许多研究者用热效率叩。。和电效率叼。之和叼。来评价PV/T系统整体性能。为准确评价PV/T系统的能量利用特性,比较Pv/T系统与传统热水器以及光伏系统性能的高低,本文采用文献3所定义的系统光热、光电综合性能效率旧o
Ef=叼th+叼/叼p0。,
作为系统的性能评价指标。叼。。,为常规电厂的发电效率。和文献3一样,这里取叼~。,=0.38。
由表1可见,系统的综合性能效率Ef在60%左右,比普通平板型热水器热效率有显著提高,更高于单一光伏系统的效率。同时,经一天日照后热水终温多在50℃以上,天气晴朗或多云时可达60℃,可以较好地满足洗浴需要。
由表1可以看出,系统电效率叼。在9.03%~11.6%,四个原因导致上述结果:玻璃盖板遮盖、电池组件温度较高,最佳工作点偏离以及太阳辐照度低于1000W/m2。玻璃盖板的透过率为0.85—少,导致功率损失10%一15%;在晴天或多云的天气里电池组件大部分时间内的工作温度高于J,因此与标况25℃相比,输出功率将减少
9.88%之间波动。叼。低于标况下的电池阵列效率0.90,透过玻璃直接照射到电池表面的太阳能减50℃,由于电池温度每升高l度输出功率约减少
O.3%H8%以上;原阵列效率11.6%为最佳工作点值,实
太阳能学报26卷
验未进行最佳工作点跟踪,实际工作点必定与最佳工作点有所偏移;光伏电池的转换效率随太阳辐照度的减少而略微降低。综上,光伏电池效率将如实验结果所示在9.5%波动。计算可知,当电池组件温度较高时此温度对电池效率的影响比其他可变因素(玻璃盖板带来的影响可视为不变,所以不考
虑)更为显著。因此在表l中,电效率刀。在热水终温较高(此时电池组件平均温度较高)时较小;而在日平均太阳辐射度较小,热水终温较低时各因素作用效果相当,因此系统电效率并不完全按照热水终温的高低顺序升降。但是总体来看,电效率仍近似随终温的升高而降低。
表1实验结果
Tablel
7rest
results
表中瓦。——进口冷水初温、△r一全天日照水箱温升,L。——全天最高水温
表1显示,系统热效率田。。多在30%一50%之间。
实验系统所用原热水器单一系统的效率约为45%一47%,实验系统多数天数里的热效率低于此值。这是因为,集热板表面有约一半的面积层压有光伏电池,到达光伏电池表面的太阳能有约10%转化成了电能,从而穿过光伏电池到达吸热铝板的能量减少了约10%。这是导致效率降低的主要原因。另外在电池与集热铝板之间用以粘固的硅胶和用以绝缘的白色不透
明P门具有一定热阻,导致到达电池组件表面的太阳
能所转化成的热能无法快速被集热板管道里的流体带走,从而进一步降低了系统热效率。
从表中还可以看出8月26日的熟多lf[率只有21.3%,
Fig.4
时刻
图4水箱水温咒、环境温度瓦
和太阳辐照度,全天变化曲线
Theme酗uernentoftaIlktempemture,sun.ou-ndingstemperatureaIldsolar
尤其低。这是因为初始水温即达弧2℃,远高于妻辫沃
数,热损较大,从而导致效率大幅度降低。
影响热水系统效率的因素很多,如进水初始温度,环境温度,太阳辐射强度,吸热板特性,空气夹层厚度等对其都有较大影响。由本实验机的集热铝板结构,肋片效率可视为1,较低从而利于提高效率。由表1可以看出,日均热效率叼。。显著地随环境温度的升高和进水初始温度的降低而升高。如在图4中,8月9日13:53之后太阳辐照度维持在一个相对较高的水平时环境温度升高,与该时刻之前相比水温也相应升高得更快,热效率相应提高。
对整修Pv/T系统而言,在技术上低进口水温
imdi粕ce
on
August
9
利于提高电效率和热效率。如果对于实际应用而言,则用户无法自行调节进口水温,因此在应用上关于进口水温的讨论没有意义。另外,由于热效率电效率和高的热水终温之间都是矛盾无法兼顾,选择合适的K/A。值对于在效率和热水终温之间取得平衡具有重要意义。3
结论
综合以上分析可以看出,该Pv/T系统实验机具有较高的热效率和电效率,系统综合性能效率多大于60%,比单一热水系统或光伏系统效率有显
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著提高,同时30℃左右的进水经一天日照后温度板封装的劳动成本。因此总体而言,一体化系统的可达60℃以上,连续两天日照则可达到70℃,可生产成本略小于分离系统成本。另外,与光伏系统以满足家庭洗浴需要。计算可知,在普通晴或多云和集热系统相互分离相比,一体化系统将太阳电池的天气里日总辐射量约为16MJ/m2的情况下系统整合在热水器的吸热表面上,提高了单位集热面积日发电量约0.33kWh。该实验系统的电池面积的能量产出,因此在可利用面积有限的场合如屋顶o.7875m2,略小于集热铝板面积的一半,若将电或建筑外墙可以充分利用受光面积得到更多的热电
池布满整个铝板表面,则系统日发电量可达产出。
0.66Kwh。贮能式光伏系统中蓄电池充电和放电都当然,目前太阳能产品相对常规能源产品来说有损失,长期运行时蓄电池的总效率因蓄电池的种成本仍然较高,成本回收期较长。Pv/T一体化系统类及使用方式而异,一般为70%~80%po。扣除提高了能量利用效率,若与建筑相结合更可以使能由这一损失,则长期运行时系统日均发电量0.46
量利用效率得到进一步提高,将缩短成本回收期。
~o.53k矾,可供一盏功率40w的电灯连续照明
11小时以上。在太阳能丰富的地区如西藏等地日[参考文献]
总辐照量较大,系统日发电量也将增多,可满足这[1]胡晨明,R.M.怀特.太阳电池[M].李采华译.北
些地区家庭的照明需要。
京:北京大学出版社,1990.57.
实验系统所用扁盒式铝合金式集热板特点鲜明,[2]
B.J.Huang
et
aL,
solar
photovoltaic/themal
co—gene卜
如集热面积可通过改变拼装的扁盒式铝合金型条的数ation
collector[c],Pmceedings
of
theIsEs1999so—
lar目而随意改变;表面乎整,易于将光伏电池真空层压WorldCongress,Jemsalem,Israel,
1999.
[3]
在表面上;尤其重要的是型条之间榫接良好,集热板T.Bergeneand0.Lovik,Modelcalculations
ona
nat-
plate
solarheatcollector稍thintegratedsolarcells,S俨
外表平整美观,便于与建筑结合,应用在极具前途的1ar
Ener科[J],V01.55,No.6,453—462,1995.
光伏光热建筑一体化系统中,作为外墙围护结构或铺[4]葛新石,龚堡,陆维德等.太阳能工程一原理和
设在屋顶,在得到热水和电力之外更可以降低建筑热应用[M].
北京:学术期刊出版社,
负荷帕J,是—个有着更为广阔前景的方向。
1988.578—-580.
另一方面,与光伏系统和集热系统相互分离相[5]京特・莱纳,汉斯・卡尔(德).太阳能的光伏利比,Pv/T一体化系统在将光伏电池与铝合金型条用[M].余世杰,何慧若译.合肥:合肥工业大学层压成形的制作工艺上略为复杂,劳动成本略高,能源研究所,1991.116—130.
但却节省了独立光伏系统中太阳电池板所必需的玻[6]何伟.《太阳能在建筑上的光电、光热应用研究》璃板、金属边框和背板材料,同时节省了太阳电池
[D].合肥,中国科学技术大学,2002.30—41.
EXPER姗NTAL
STUDYoNAHYBRID
PHoToVoLTAIC/THERMALSoLARSYSTEM
(1.Dep£.0,z‰r7,10Z&拓懈n蒯EM夥E增i∞B^ng,‰饥o,&如附。蒯M蝴。厂醌iM,脚i
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Key、帕rds:
solarhybridphotovoltaicand
the彻al
system;
naturalcirculation;
energyenergy
太阳能光伏光热一体化系统的实验研究
作者:作者单位:
季杰, 程洪波, 何伟, 陆剑平, T.T.Chow , Ji Jie, CHENG Hongbo, He Wei, Lu Jianping , T.T.Chow
季杰,程洪波,何伟,陆剑平,Ji Jie,CHENG Hongbo,He Wei,Lu Jianping(中国科学技术大学热科学与能源工程系,合肥,230027), T.T.Chow,T.T.Chow(香港城市大学建筑科学与技术部,中国香港特别行政区)太阳能学报
ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA2005,26(2)26次
刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
参考文献(6条)
1. 胡晨明;R.M.怀特;李采华 太阳电池 1990
2. B.J.Huang Solar photovoltaic/thermal co-generation collector 1999
3. T. Bergene;O. Lovik Model calculations on a flatplate solar heat collector with integrated solarcells 1995(06)
4. 葛新石;龚堡;陆维德 太阳能工程-原理和应用 1988
5. 京特·莱纳;汉斯·卡尔(德);余世杰 太阳能的光伏利用 19916. 何伟 太阳能在建筑上的光电、光热应用研究[学位论文] 2002
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1. 马文甲 新型太阳能跟踪器控制研究[期刊论文]-卷宗 2013(2)
2. 穆丽娟. 朱群志. 邹捷书. 司磊磊. 李永光 非晶硅PV/T系统的结构方式对性能的影响[期刊论文]-太阳能学报2011(10)
3. 王明. 杨维菊 2010年上海世博会绿色建筑典型案例分析——以法国馆和阿尔萨斯馆为例[期刊论文]-建筑节能2011(11)
4. 彭祖林. 张首誉. 邓罗根. 葛洪川. 江希年 一种非跟踪内聚光太阳能PV-T管聚光器的设计与仿真[期刊论文]-北京理工大学学报 2009(4)
5. 刘亚雷. 张红. 许辉. 万懿 CPC型聚光光伏光热系统的性能分析[期刊论文]-可再生能源 2011(1)6. 赵军. 秦娜. 段征强 太阳电池及光伏热(PV/T)结构的实验研究[期刊论文]-太阳能学报 2009(3)7. 安文韬. 刘彦丰 太阳能光伏光热建筑一体化系统的研究[期刊论文]-应用能源技术 2007(11)
8. 符慧德. 裴刚. 季杰. 江清阳 槽式聚焦光电/光热综合利用系统的性能研究[期刊论文]-太阳能学报 2010(9)9. 王宝群. 姚强. 宋蔷. 卢智恒 光伏/光热(PVT)系统概况与评价[期刊论文]-太阳能学报 2009(2)10. 穆志君. 关欣. 刘鹏 太阳能光伏光热一体化系统运行实验研究[期刊论文]-节能技术 2009(5)11. 高歌 关断储能太阳光伏电池充电电路的分析与设计[期刊论文]-太阳能学报 2008(4)
12. 尹宝泉. 王一平. 朱丽. 崔勇. 黄群武 光伏辐射板型PV/T系统的电热冷性能[期刊论文]-重庆大学学报 2013(10)
13. 梁盼. 鞠睿. 路晓明 太阳能光热光电转换与建筑栏杆一体化系统设计[期刊论文]-河南科学 2013(8)14. 鲁丹. 吕建 PV/T系统电热性能的实验研究[期刊论文]-建筑节能 2012(8)
15. 刘鹏. 关欣. 穆志君. 蔡康. 唐应堂 PVT系统运行的数值模拟与实验研究[期刊论文]-太阳能学报 2010(8)16. 蔡康. 关欣. 刘鹏. 唐应堂 太阳能电池冷却器的设计与研究[期刊论文]-能源研究与信息 2009(3)17. 刘鹏. 关欣. 蔡康. 唐应堂 自然循环的太阳能光伏热水系统的理论研究[期刊论文]-化工进展 2008(z1)18. 高歌 关断储能太阳光伏电池充电电路的分析与设计[期刊论文]-太阳能学报 2008(4)19. 杨宏伟 太阳能光伏应用创新性实验的实践[期刊论文]-实验技术与管理 2013(9)
20. 程雪涛. 徐向华. 梁新刚 太阳能光伏发电供热系统的性能分析[期刊论文]-太阳能学报 2009(5)
21. 李光明. 刘祖明. 李景天. 廖华. 朱勋梦. 张卫东 一种新型PV/T复合系统电、热性能对比研究[期刊论文]-现代电力 2013(4)
22. 鲁华永. 袁越. 陈志飞. 卫银忠. 项玲 太阳能发电技术探讨[期刊论文]-江苏电机工程 2008(1)
23. 李光明. 刘祖明. 李景天. 廖华. 朱勋梦. 张卫东 新型PV/T太阳能利用复合系统的实验研究[期刊论文]-中国电机工程学报 2013(17)
24. 肖泽成. 秦红. 靳晓钒 太阳电池冷却及光伏/光热一体技术的新进展[期刊论文]-电力与能源 2011(5)25. 杨晶晶. 刘永生. 谷民安. 彭麟. 张玉凤. 高湉 太阳能光伏电池冷却技术研究[期刊论文]-华东电力 2011(1)26. 钱剑峰. 张吉礼. 马良栋 新型光伏热建筑一体化系统及其相关技术分析[期刊论文]-建筑热能通风空调 2010(2)
引用本文格式:季杰. 程洪波. 何伟. 陆剑平. T.T.Chow . Ji Jie. CHENG Hongbo. He Wei. Lu Jianping. T.T.Chow 太阳能光伏光热一体化系统的实验研究[期刊论文]-太阳能学报 2005(2)