太阳能光伏光热一体化系统运行实验研究

第27卷, 总第157期　

2009年9月, 第5期《节能技术》

E NERGY C ONSERVATI ON TECH NO LOGY V ol 127,Sum 1N o 1157

　

Sep 12009,N o 15

太阳能光伏光热一体化系统运行实验研究

穆志君, 关　欣, 刘　鹏

(上海理工大学热工程研究所, 上海　200093)

摘　要:太阳能光伏光热一体化系统(hybrid photov oltaic -thermal s olar system -PVT 系统) 作为一

种利用太阳能同时获得电收益和热收益的新型能源利用方式, 近年来受到学者的广泛关注。本文搭建了PVT 系统电、热性能综合实验台, 通过全天实验, 率的关系。结果表明, 在日照条件较好, 电池相比可以提高约7%。同时, 文章还分析了PVT , 提出了在午后太阳辐射强度逐渐减弱, 关键词:太阳能; ; 中图分类号:1002-6339(2009) 05-0445-03

Study of H ybrid Photovoltaic -thermal Solar System

MU Zhi -jun , G UAN X in , LI U Peng

(Thermal Engineering Institute ,Shanghai University of Science and T echnology , Shanghai 200093,China ) Abstract :A new type of energy utilization way called hybrid photov oltaic -thermal s olar system (PVT sys 2tem ) , which can convert s olar energy into both power and thermal energy at the same time , becomes much m ore popular recently 1In view of this point , a hybrid experimental system for power and thermal performance of PVT is established in this paper , the relation between tem peratures and relatively power efficiency is studied experimentally 1The results indicate that , the PVT system can im prove the power efficiency by 7%relatively under better condition of sun radiation and a lower tem perature of circulating water 1Meanwhile , the change of the water tem perature in PVT system is analyzed and a method of how to keep a high level of power efficiency is proposed under a lower s olar radiation and higher environmental tem perature 1K ey w ords :s olar energy ; PVT system ; experimental study ; power benefits

0　引言

人类从地球上采集的能源有99198%来自于太阳能, 据相关资料介绍, 太阳能到达地球的总辐射能量约为177×1017kW , 这些太阳能中又有30%以光

1〕的形式被反射回宇宙〔。而太阳能光伏电池依靠其

输入光能的储量无限性, 越来越受到人们的青睐。

但是在其应用过程中发现, 太阳能电池的发电效率会随着电池表面温度的升高而降低, 研究表明电池温度每升高1℃, 相对电效率下降015%。因此有人提出, 将使电池温度升高的热量加以回收利用, 既能使电池的温度维持在一个较低的水平, 又能得到额外的热收益, 于是太阳能光伏光热一体化系统(hy 2brid photov oltaic -thermal s olar system —PVT 系统) 应运而生。针对这样一种新型的能量利用系统, 许多

收稿日期　2009-07-30　　修订稿日期　2009-09-10作者简介:穆志君(1984～) , 男, 在读硕士研究生。

学者作了大量的工作。比较早期的研究对象为空冷面板, 大部分是以冷却太阳电池为目的, 但实际上即使增加了保温措施, 由空气工质收集到的热量仍比较分散, 难以利用, 所以后来的研究更多集中在水冷面板上。在水冷面板方面, 许多学者进行了实验研究。De Vries 和Z ondag 等制作的管板式电热面板实际测量结果, 电热面板在保证较高电效率的同时, 能额外提供效率高于50%的热量, 而且受温度的影响

2〕3〕

要低于传统电池板〔。Huang 〔等学者则采用了集热板内置流道的方案, 并且将集热板的材料由铜换成了廉价的聚碳酸脂波纹板。在由该面板(不保温) 和保温水箱、水泵、管道组成的系统中, 测量结果显示电池的最高温度为52℃, 仅与水箱内的水相差4℃以内。季杰、程洪波等设计了一套建立在家用扁盒式铝合金平板型太阳热水器基础之上的自然循环式PVT 实验系统, 该系统在具有较高的整体效率的

4-7〕

同时还可以得到温度较高的热水〔。基础, , 度, 进口温度下, 期望对后续工作有所启发。

采用对比实验的方法, 将PVT 组件与普通电池组件按60°倾角, 朝南放置, 离地面高度013m 。从太阳辐射较稳定的9∶30到15∶30, 温度采集系统每隔5min 读取、并记录数据一次。实时监测PVT 组件电

池背板的温度变化

。

图3

1　实验装置介绍

PVT 系统综合性能对比实验台搭建在上海理工

大学太阳能楼二楼平台上, 全天可以接受良好的太

阳辐射, 系统共有两块外观相同的太阳能电池板, 其中一块是安装了集热器的PVT 组件如图1和图2所示

。

图4　实验台实物图

选取2008年11月18日中午11∶00到13∶00的

数据列表1、2, 这一时段的太阳辐射达到了一天中的最大值, 而后由于天空少量云层的遮挡, 使得PVT 组件的集热器变成了保温装置, 影响PVT 系统的光电效率。因此将这两部分数据分别单独考虑。其中组件的平均温度为组件背板四个测点温度的平均值, 系统循环水流量为100L/h 。

表1　10∶59～11∶49实验数据

时间

10∶5911∶0411∶0911∶1411∶1911∶24

图1　

集热器的局部截面图

(单位:℃) 度T a

[***********][***********]14121411

T -T 进口水出口水PVT 组件普通组件环境温组件温差

[***********][***********]12111113

图2　PVT 组件结构示意图

11∶2911∶3411∶3911∶4411∶49

实验台测试系统如图3, 包括8个温度测点, 开路电压, 短路电流测试部分。为了考察电池背板被冷却的均匀程度, 在电池板的长度方向上分别布置了4个热电偶, 以便对比。温T 温T 平均温度T 平均温度T [***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][1**********]318

　　表2　11∶54～12∶59实验数据

时间

11∶5411∶5912∶0412∶0912∶1412∶1912∶2412∶2912∶3412∶3912∶4412∶4912∶54(单位℃) 度T a

[***********][***********][**************]3T -T 线性变化。其光伏发电效率随温度变化的系数θpv =015%K -1。因此, 对于温度高于标准工况25℃

) 时, 光伏组件的光电效率表达, 如下(T ref =25℃

η(1) [1-θpv =ηref ×pv (T -T ref ) ]

进口水出口水PVT 组件普通组件环境温组件温差

710

[***********][***********]温T 温T 平均温度T 平均温度T [***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********]1331173913由图7可以看出, 环境温度与PVT 电池组件的

温差在11:00～13:00逐渐增大, 因为不断循环的水温度在升高。这就说明, 对于未经过保温处理的PVT 电池组件, 其发电效率受到环境影响较小。较低的环境温度可以改善普通组件的散热条件, 因此其相对发电效率的提高值会降低

。

　　在正午之前, 天空晴朗少云, 且集热器进口水温较低, 此时可以看到PVT 组件相对于普通电池组件的优势。经计算在11∶00～12∶00之间,PVT 组件与普通组件的平均温差为14112℃。

随着中午时分天空中少量云层的遮挡, 减弱, , , 因此虽, 但PVT 组件能够维持一个相对稳定的温度, 以保持电功率的稳定输出。

图5　

平均温度随时间变化情况

2　实验结果分析

如图5所示, 环境温度全天保持在(10～15) ℃

之间,PVT 组件的平均温度全天各时段均未超过35℃, 而普通电池却在中午时分超过了40℃。而在下午14∶00以后,PVT 组件的温度高于普通组件, 但是仍没有超过35℃, 这是因为下午的太阳辐射强度大大减少, 而环境温度又比较低,30℃时水的定压比热为41174k J/(kg ・K ) , 而在环境温度10℃时, 空气的比热只有11005k J/(kg ・K ) , 所以普通电池组件散热较PVT 组件要快的多。同样的影响体现在集热器中水的进出口温度的变化上(如图6) ,14:00以后太阳辐射强度的减少, 环境温度的持续下降, 使得集热器得不到更多的热量, 水流经集热器后向环境散热, 出现水的进口温度高于出口温度的反常现象。

图6　

集热器进出口水温随时间变化情况

图7　

环境温度对相对电效率的关系

3　电效率的计算

太阳能发电系统中, 标准状况下(G 0=1000) , 晶体硅电池的发电效率为12%～W/m 2, t 0=25℃

17%。而实际中, 太阳能电池的发电效率要低很多,

原因是一部分热量使得电池表面的温度升高, 研究

表明电池温度每升高1℃, 电效率下降015%。即光伏发电的最大功率点效率ηpv , 随电池的工作温度呈

图8　进口温度对相对电效率的关系

(下转第465页)

冷水机组的使用由三台在80%制冷量下工作减少为一台在90%制冷量下工作, 每小时耗电减少653kW , 减少率64133%, 具体数值见表12。从设备

　　表12　太阳石纺织有限公司冷水机组使用情况

使用状态使用三台机组ICW1620T a 部分负荷使用一台机组ICW1620T a 近满负荷

型号

制冷量, %

8090

运行情况分析, 冷水机组近满负荷运行效率高、设备寿命不会减少。

单台运行电流,A

565605

总电流,A

1695605

每小时耗电量,kW 年使用时间, 月

1015362

33

总耗电量,kW

[1**********]20

4　结论

纺织厂空调系统改造中, 为提高喷淋室热湿交换效率并降低空调系统能耗, 空调系统设计、空调设备改造和空调系统节能运行是三个重要方面。新型多功能纺织空调喷淋室, 管式间接蒸发冷却器节能改造, 冷水机组高效工作, 自动控制系统以及高速喷淋等技术的实施对提高喷淋室热湿交换效率、满足送风参数要求以及减少系统能耗起着重要作用, 是纺织厂空调系统优化研究的重要发展方向。

参考文献

〔1〕采暖通风与空气调节设计规范〔S 〕1G 1〔2〕黄翔1出版社,20031

〔3〕黄翔1〔J 〕1纺织空调除尘技术,1998, (4) 1

〔4〕潘大坤1泛论发展中的纺织空调除尘技术(2) 〔J 〕1纺织空调除尘技术,1999, (4) 1

〔5〕李刚, 王迎辉1一种环保纺织厂空调〔P 〕1中国专利:

[1**********]516,2006-10-181

〔6〕王迎辉1纺织细纱车间煤灰纱防治技术的研究〔D 〕1上海:东华大学,20071

〔7〕王锡章1纺织厂空调节能与节能空调系统〔J 〕1纺织空调除尘技术,1996, (1) 1

〔8〕黄　翔, 朱昆莉, , 等1几种新型空调用大孔J 〕1棉纺织技术,1997,25(-40I PY 系列空调喷水室〔J 〕1丝1) :24-271

10〕李　刚, 王　军1多功能高效环保纺织空调喷淋室〔P 〕1中国专利:[1**********]013,2006-10-181〔11〕郁履方1纺织厂空气调节(第二版) 〔M 〕1北京:中国纺织出版社,1997.

(上接第447页)

经计算可知, 在11∶00～12∶00其平均温度降低

14112℃, 相对发电效率提高约7%, 在12:00～13:00其平均温度降低为7166℃, 相对发电效率提高约4%。因此, 经过实验的对比, 可以认为PVT 组件能够较好地起到冷却光伏电池背板的作用, 且在集热器进口水温越低, 太阳辐射越强的情况下, 其效果越好, 相对效率提高达7%。

PVT 组件集热器的进口水温度越高, 越不利于电池背板冷却, 所以同样环境条件下, 普通电池组件的温度可以迅速的下降。因此可以看到, 在循环水得不到及时的冷却, 而普通电池组件的温度可以快速下降的情况下,PVT 系统的相对光电效率提高值在逐渐降低, 但相对光电效率依然高于普通组件, 平均约提高4%。

实验是在冬季完成的, 进口水温18℃, 经过一天的循环得到的热水温度为28℃, 显然温度较低, 如何利用是下一步需要考虑的问题; 此外, 如果在北方地区应用此系统, 还应考虑循环工质的防冻处理, 必要时可以考虑间接换热。

结果表明, 在日照条件较好, 系统循环水温度较低的情况下有利于PVT 系统的电效率提高, 其相对效率提高值约为7%。此外, 通过对比分析, 发现系统的相对电效率与进口温度和环境温度的温差有一定的关系。可以考虑对进口水温进行控制, 及时将温度过高的进水排走或者转移至其他蓄热容器, 以保证PVT 系统相对较高的发电效率。

参考文献

〔1〕滨川圭弘1太阳能光伏电池及其应用〔M 〕1北京:科学出版社,20081

〔2〕De Vries D W 1Design of a PV/Thermal combi panel 〔D 〕1E indhoven University of T echnology , the Netherland 1Ph DTh esis , 19981

〔3〕Huang B J , Lin T H , Hung W C , et a11Per formance e 2valuation of s olar photov oltaic/thermal systems 〔J 〕1S olar Ener 2gy 12001, (70) :443-4481

〔4〕季杰, 程洪波, 何伟, 陆剑平, T 1T 1Chow 1太阳能光伏光热一体化系统的实验研究〔J 〕1太阳能学报,2005,26(2) :170-1731

〔5〕季杰, 何伟1不同自然冷却方式对光伏墙体性能影响的理论与实验研究〔J 〕1太阳能学报,2001,22(4) :380-3841

〔6〕季杰, 陆剑平, 等1一种新型全铝扁盒式PVT 热水系统〔J 〕1太阳能学报,2006,27(8) 765-7731

〔7〕何伟1太阳能在建筑上的光电、光热应用研究〔D 〕1合肥:中国科学技术大学,20021

4　结论

本文通过实验对PVT 系统进行了研究, 发现PVT 系统确实能使单晶硅电池发电效率提高, 实验