寒冷地區(qū)應(yīng)用BIPV/T系統(tǒng)的防凍措施探討

天津城市建設(shè)學(xué)院能源與機械工程系 牛彥雷 呂建 常茹

中國市政工程東北設(shè)計研究總院天津分院 陳楠

一 引言

近年來，隨著煤、石油等化石能源的日益短缺和環(huán)境污染的加重，人們開始積極尋求新的替代能源。太陽能光伏發(fā)電作為一種清潔的可再生能源，越來越受到人們的關(guān)注，其中光伏光熱建筑正逐漸成為目前光伏領(lǐng)域研究的熱點。

二 光伏光熱建筑的發(fā)展情況

有資料表明，在光伏發(fā)電的應(yīng)用過程中，太陽電池的發(fā)電效率會隨著電池表面溫度的升高而降低。研究表明，電池溫度每升高1℃，相對電效率會下降0.5%[1]。因此有人提出，將使電池溫度升高的熱量加以回收利用，既能使電池的溫度維持在一個較低的水平，又能得到額外的熱收益，由此衍生出太陽能光伏光熱建筑一體化系統(tǒng)(BIPV/T系統(tǒng))。

早期對PV/T系統(tǒng)的研究，其研究對象為空冷板，主要是為了冷卻光伏電池板，雖然采取一些措施，但收集到的熱量較分散，難以利用。此后，許多學(xué)者轉(zhuǎn)向了對水冷板的研究。De Vries[1]制作的管板式光伏組件實際測量結(jié)果表明，光伏組件在保證較高光電轉(zhuǎn)換效率的同時，還能額外提供效率高于50%的熱量。Huang等人則采用集熱板內(nèi)置流道的方案，并將集熱板的材料由銅換成了廉價的聚碳酸脂波紋板。在由該面板(不保溫)和保溫水箱、水泵、管道組成的系統(tǒng)中，測量結(jié)果顯示電池的最高溫度為52℃，與水箱內(nèi)的水溫僅相差4℃。季杰、程洪波等[2]設(shè)計了一套建立在家用扁盒式鋁合金平板型太陽熱水器基礎(chǔ)上的自然循環(huán)式BIPV/T實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)在具有較高的整體效率的同時還可以得到溫度較高的熱水。

三 北方地區(qū)應(yīng)用光伏光熱建筑存在的問題

光伏光熱建筑的研究重點是光伏發(fā)電效率的提高和余熱的回收利用。目前采用的冷卻方式主要有加肋片的空氣通道冷卻系統(tǒng)、集熱板內(nèi)置流道的冷卻系統(tǒng)和家用扁盒式鋁合金平板型的冷卻系統(tǒng)，如圖1～圖3所示。

圖1 帶肋片的空氣通道組件

圖3 家用扁盒式平板光伏組件

加肋片的空氣通道冷卻系統(tǒng)，其通道中流通的空氣直接與外界接觸。在北方地區(qū)應(yīng)用于光伏光熱建筑時，白天空氣冷卻高溫的集熱板，其溫度較高，與供熱水系統(tǒng)直接換熱；夜間或光照不足時，通道中的空氣溫度過低，低到一定程度時，會使供熱水系統(tǒng)管道中的水結(jié)冰，嚴(yán)重時管道會破裂。因此，與空氣直接換熱的供熱水系統(tǒng)的管道應(yīng)充分考慮冬季的防凍問題。

集熱板內(nèi)置流道冷卻系統(tǒng)、家用扁盒式鋁合金平板型冷卻系統(tǒng)在北方應(yīng)用時，由于其冷卻系統(tǒng)在建筑的保溫層外部，當(dāng)冬季室外溫度較低、光照不足或夜晚光伏組件不工作時，冷卻系統(tǒng)將得不到充足的熱量，當(dāng)溫度低到一定程度時，冷卻系統(tǒng)內(nèi)的工質(zhì)會結(jié)冰，因此也必須采取一定的防凍措施。

四 解決防凍問題采取的措施

我國北方地區(qū)冬季室外氣溫較低，由于光伏組件的冷卻系統(tǒng)處于建筑保溫層的外側(cè)，因此在北方地區(qū)應(yīng)用于光伏光熱建筑的冷卻系統(tǒng)都必須采取一定的措施來解決冷卻系統(tǒng)的防凍問題，以使系統(tǒng)能夠正常運行。

北方地區(qū)冬季對冷卻系統(tǒng)采取的防凍措施為:

(1)水－水間接熱回收法

對于集熱板內(nèi)置流道冷卻系統(tǒng)和扁盒式鋁合金平板型冷卻系統(tǒng)，光伏組件的冷卻系統(tǒng)工質(zhì)為加入防凍劑的水系統(tǒng)，中間加入換熱器，熱利用系統(tǒng)為生活熱水系統(tǒng)。乙二醇是常用的防凍劑。具體操作為:在光伏組件冷卻系統(tǒng)的工質(zhì)中加入一定量的乙二醇(圖4)，使工質(zhì)的凝固點降低至當(dāng)?shù)貧庀筚Y料統(tǒng)計的室外溫度的最低值以下，以達(dá)到防凍的目的。雖然二次換熱效率可能會降低，但是能很好地解決北方冬季光伏光熱建筑冷卻系統(tǒng)的防凍問題。

圖4 添加防凍劑的間接換熱系統(tǒng)

(2)排空防凍法

對于集熱板內(nèi)置流道冷卻系統(tǒng)和扁盒式鋁合金平板型冷卻系統(tǒng)，當(dāng)北方冬季暫不用熱水時，應(yīng)將光伏組件冷卻系統(tǒng)水管中的存水排空。對系統(tǒng)的改進(jìn)為:對于集熱板內(nèi)置流道冷卻系統(tǒng)和扁盒式鋁合金平板型冷卻系統(tǒng)，將內(nèi)置流道或扁盒式的水流道沿工質(zhì)流動方向有一定的傾角，便于冬季冷卻系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)的排空。具體操作是:當(dāng)輻射強度過低或夜間時，利用水泵把光伏組件冷卻系統(tǒng)中的水排空，同時關(guān)閉水箱連接冷卻系統(tǒng)的閥門，使系統(tǒng)內(nèi)沒有積水，以防出現(xiàn)水管凍裂；當(dāng)太陽輻射達(dá)到一定強度時，開始往水箱和冷卻系統(tǒng)中注水，同時打開連接水箱和冷卻系統(tǒng)的閥門，使系統(tǒng)能夠正常進(jìn)行工作(圖5)。

圖5 扁盒式冷卻系統(tǒng)排空防凍法

對于加肋片的空氣通道冷卻系統(tǒng)，當(dāng)太陽輻射比較充裕時，用水泵往高效換熱器中注水，這樣，被光伏組件加熱的空氣上升，通過高效換熱器與水進(jìn)行熱交換，換熱后的空氣通過建筑內(nèi)的空氣通道排入空氣中；當(dāng)太陽輻射不足或夜間時，停止向高效換熱器中注水，同時排空高效換熱器內(nèi)的水，關(guān)閉高效換熱器出口的閥門，防止蓄熱水箱內(nèi)的水回流到高效換熱器，做好冬季高效換熱器的防凍工作(圖6)。

圖6 加肋片的空氣通道排空防凍法

(3)采用震蕩流熱管技術(shù)

2007年Rittidech和Wannapakne將振蕩流熱管與平板式集熱器相結(jié)合，開發(fā)了平板式振蕩流熱管太陽能集熱器(圖7)，毛細(xì)管內(nèi)徑為3mm，蒸發(fā)段長度為2m，冷凝段長度為0.5m，工作流體為R134a[3]。試驗表明，振蕩流熱管的傳熱能力是常規(guī)熱管最高傳熱能力的20倍，該集熱器的集熱效率達(dá)到62%以上，與傳統(tǒng)的平板集熱器相比，其集熱性能大大提高[4]。無動力循環(huán)的震蕩熱流管與平板式集熱器的結(jié)合，其蒸發(fā)段緊貼光伏組件，工質(zhì)蒸發(fā)上升帶走光伏組件的熱量，冷凝段位于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫層的內(nèi)側(cè)，與供熱水系統(tǒng)換熱，冷凝散發(fā)掉熱量，流回蒸發(fā)段。這樣，不僅大大提高了集熱性能，減少了動力裝置及其耗能，并且很好地解決了冷卻系統(tǒng)的防凍問題。

圖7 振蕩流熱管技術(shù)

五 結(jié)論

通過以上分析，可以得出以下結(jié)論:

(1)水－水間接熱回收法雖然會降低熱回收率，但很好地解決了光伏光熱建筑在北方地區(qū)應(yīng)用時冷卻系統(tǒng)的防凍問題。對光伏光熱建筑區(qū)域性的推廣和應(yīng)用具有重要的意義。 (轉(zhuǎn)下頁)

(2)排空防凍法適合的冷卻系統(tǒng)較多，操作簡單、方便，適用于北方地區(qū)的光伏光熱建筑，不僅能解決冷卻系統(tǒng)的防凍問題，也易被接受和采納。

(3)振蕩流熱管與平板集熱器的結(jié)合，較好地解決了防凍和高效熱回收的問題，并且冷卻系統(tǒng)無動力循環(huán)，減少了設(shè)備投資，降低了系統(tǒng)能耗。但由于其初投資成本高，所以其應(yīng)用不是很廣泛。

相對而言，北方地區(qū)的光伏光熱建筑，排空防凍法被用來解決光伏組件冷卻系統(tǒng)的防凍問題較合理、簡便。隨著光伏光熱建筑在北方地區(qū)的推廣和應(yīng)用，光伏組件冷卻系統(tǒng)的防凍問題還有待于更深入的研究，需要解決目前冷卻系統(tǒng)防凍措施存在的一些問題，在不損失或少損失熱量以及出投資不太高的前提下，能很好地解決冷卻系統(tǒng)的防凍問題，促進(jìn)光伏光熱建筑的發(fā)展。

[1]De Vries D W. Design of a PV/Thermal combi panel[D]. Eindhoven University of Technology, the Netherland. Ph D Thesis,1998.

[2]穆志君, 關(guān)欣, 劉鵬. 太陽能光伏光熱一體化系統(tǒng)運行實驗研究[J]. 節(jié)能技術(shù), 2007, 11: 33－35.

[3]Rittidech S, Wannapakne S. Experimental study of the performance of a solar collector by closed-end oscillating heat pipe(CEOHP)[J]. Applied Thermal Engineering, 2007, 27(11－12): 1978－1985.

[4]錢劍峰, 張吉禮, 馬良棟. 新型光伏熱建筑一體化系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)分析[J]. 建筑熱能通風(fēng)空調(diào), 2010, 29(2): 12－16.