一種快裝式光伏光熱一體化系統(tǒng)搭建及試驗研究

國家太陽能光伏產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心■ 余如龍無錫馬丁格林光伏科技有限公司■ 陳曉高

一種快裝式光伏光熱一體化系統(tǒng)搭建及試驗研究

國家太陽能光伏產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心■ 余如龍*
無錫馬丁格林光伏科技有限公司■ 陳曉高

研究一種快裝式光伏光熱(PVT)一體化熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將先進(jìn)的微熱管集熱技術(shù)應(yīng)用到分布式光伏發(fā)電領(lǐng)域，在不增加任何占地空間的基礎(chǔ)上，快速實現(xiàn)真正的光伏光熱一體化組件及熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。通過真實系統(tǒng)搭建，并經(jīng)過試驗數(shù)據(jù)驗證，該系統(tǒng)不僅能夠抑制太陽電池板工作時的溫度升高，還能在一定程度上提高發(fā)電效率，光伏背板所產(chǎn)生的熱能還可為用戶提供熱水需求，從而較大程度提高光電轉(zhuǎn)換效率和低溫?zé)崃坷寐剩瑢崿F(xiàn)更高的綜合效率。

光伏發(fā)電；光熱；熱電聯(lián)產(chǎn)

0　引言

太陽電池在將光能轉(zhuǎn)換成電能的過程中，并不是將全部光能都轉(zhuǎn)換成電能。理論研究表明，單晶硅材料的太陽電池在0 ℃時的轉(zhuǎn)換效率理論物理極限為30％。在光強一定的條件下，當(dāng)晶體硅電池自身溫度升高時，輸出功率將下降[1]。在標(biāo)準(zhǔn)條件下，晶體硅電池平均效率在15％～18％[2]，即太陽電池只能將部分光能轉(zhuǎn)換成可用電能，其余都被轉(zhuǎn)化為熱能。在轉(zhuǎn)換過程中，隨著熱能的增加，電池溫度不斷升高，除了光電轉(zhuǎn)換效率大幅降低外(如圖1所示)，太陽電池的使用壽命也將縮短。為盡可能使電池效率保持在較高水平，充分利用吸收的太陽輻射能源，同時避免熱量對組件光電轉(zhuǎn)換效率的影響，延長電池組件的使用壽命，可在光伏組件下方設(shè)置吸熱板芯[3]，將光電轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的熱能吸收，并由熱媒傳遞給外界集熱系統(tǒng)，提供工業(yè)用熱及建筑供熱、通風(fēng)、熱水用途。

目前普遍的光伏光熱一體化技術(shù)是在傳統(tǒng)管板狀集熱結(jié)構(gòu)上貼敷光伏電池。但傳統(tǒng)的管板狀集熱結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳熱肋片效率低、流道壓損大，且通常利用導(dǎo)熱硅膠或激光焊接與太陽電池板結(jié)合，接觸熱阻非常大[2,4]，對于已安裝的太陽電池板無法進(jìn)行有效的結(jié)合，因此，應(yīng)用方式十分不靈活，至今無法大規(guī)模工程推廣。

圖1　不同溫度下光伏組件的I-V曲線

本文旨在研究一種快裝式光伏光熱一體化熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，搭建一套2 kW分布式光伏光熱(PVT)一體化系統(tǒng)，并通過試驗驗證系統(tǒng)的可行性和有效性。

1　系統(tǒng)及部件描述

1.1系統(tǒng)描述

本文研究的光伏光熱一體化熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)示意圖如圖2所示，主要包括光伏光熱一體化組件和儲能式雙向并網(wǎng)逆變器。光伏組件產(chǎn)生的直流電通過逆變器轉(zhuǎn)變成符合電網(wǎng)要求的交流電，供給負(fù)載使用或并入市電；吸熱板芯緊貼光伏組件背板，通過循環(huán)超導(dǎo)熱媒吸收余熱，并產(chǎn)生熱水儲存至水箱中，從而實現(xiàn)雙效太陽能采集的功能，達(dá)到熱電聯(lián)產(chǎn)的目的。

圖2　光伏光熱一體化熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)示意圖

1.2微熱管板芯PVT的結(jié)構(gòu)介紹

本文提及的PVT組件可快速從“光電組件”改造成“PVT一體化組件”(整個過程＆lt;10 min)，且不改變原太陽電池板任何部件，改裝過程可逆、可拆卸。如圖3所示，金屬薄板式集熱板芯和保溫材料層通過金屬固定夾與金屬外框的背框配合，快速固定在光伏電池板背面與金屬外框之間。

圖3　微熱管板芯PVT組件的結(jié)構(gòu)圖

2　系統(tǒng)工作原理

太陽能光伏光熱一體化組件利用表面晶硅電池片吸收光能后產(chǎn)生電能，其產(chǎn)生的直流電能則通過控制器或逆變器轉(zhuǎn)換成可直接使用的電能，一部分供循環(huán)泵或其他負(fù)載使用，另一部分電能直接儲存至蓄電池或通過并網(wǎng)逆變器饋入市電。系統(tǒng)各組成部分容量按工程實際情況而定。

在吸收電能的同時，太陽電池板溫度升高，溫度較低的循環(huán)介質(zhì)在循環(huán)泵的作用下，通過工質(zhì)進(jìn)口管路進(jìn)入光電光熱一體化組件的金屬薄板式換熱器，此時，太陽能熱量將由太陽電池板傳遞至金屬薄板式換熱器中溫度較低的循環(huán)工作介質(zhì)，循環(huán)介質(zhì)溫度上升后通過工質(zhì)出口管路返回至保溫水箱中的盤管式換熱器，與保溫水箱中的低溫冷水進(jìn)行熱交換，并將熱量以熱水的形式儲存在保溫水箱中。將熱量傳遞給水后，工作介質(zhì)溫度降低，在循環(huán)泵的作用下開始下一次的循環(huán)過程。當(dāng)水箱水溫達(dá)到用戶所需水平后，通過控制閥門可將熱水送至用戶。當(dāng)水箱水量消耗下降后，控制閥門可開啟進(jìn)行冷水補給。

3　系統(tǒng)搭建及試驗研究

基于上述思想，試驗小組在無錫某單位屋頂安裝搭建了一套2 kW光伏光熱一體化系統(tǒng)。系統(tǒng)搭建說明：

1)系統(tǒng)由10塊210 W單晶硅組件組成，每塊組件后面鋪設(shè)微熱管集熱板芯，通過循環(huán)水把光伏板后面的余熱帶到水箱，水箱容積為150 L。循環(huán)系統(tǒng)通過水泵驅(qū)動，系統(tǒng)配備一套控制柜，循環(huán)系統(tǒng)啟動停止都由控制柜自動控制，當(dāng)熱水溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值(上限)時停止水泵，當(dāng)熱水溫度低于預(yù)算值(下限)時啟動水泵。

2)每塊210 W組件的尺寸為1580 mm×808 mm×35 mm，工作電壓29.8 V，工作電流7.05 A，光電轉(zhuǎn)換效率16.3％，組件安裝傾角為30°。

3)系統(tǒng)設(shè)計為10塊組件串聯(lián)，然后通過一臺儲能式雙向并網(wǎng)逆變器，隨后并入電網(wǎng)。工作時，光伏所發(fā)電量優(yōu)先負(fù)載使用，剩余部分為蓄電池充電，充電滿后才并入市電。系統(tǒng)儲能部分為4塊12 V/100 Ah免維護(hù)膠體蓄電池串聯(lián)組串48 V系統(tǒng)。

圖4　光伏光熱一體化組件屋頂排布實景圖

圖5　光伏光熱一體化項目現(xiàn)場圖

4)為滿足試驗需求，在光伏板表面及背板、水箱等裝有溫度傳感器，在逆變器輸入輸出端配有電流電壓計量裝置，可實時獲取發(fā)電數(shù)據(jù)。同時，屋頂安裝了一套環(huán)境氣象監(jiān)測儀，可監(jiān)測太陽輻照、風(fēng)速、風(fēng)向等基本信息。

試驗小組于2015年5月22日對系統(tǒng)進(jìn)行了一天的觀測，通過環(huán)境監(jiān)測儀得到的測試數(shù)據(jù)為太陽輻照度H=14.5 MJ/(m2·d) ，環(huán)境溫度Ta=27.7 ℃。圖6為測試當(dāng)天一天過程中太陽輻照度和環(huán)境溫度的測試曲線。

圖6 測試當(dāng)天的太陽輻照度和環(huán)境溫度

圖7為測試當(dāng)天的光伏發(fā)電功率和發(fā)電效率(以單塊組件為單元分析)，可看出在10:00～14:00之間，太陽輻照最強，也是發(fā)電功率最好階段。對于普通的純光伏系統(tǒng)而言，這段時間組件背板溫度很高，夏天時可達(dá)到60 ℃以上，根據(jù)光伏組件的特性(見圖1)，如果沒有降溫，轉(zhuǎn)換效率會明顯下降。但對于本試驗系統(tǒng)，由于通過集熱采集將余熱帶走，發(fā)電效率一直維持在13％的高水平，如圖8所示。

圖7　測試當(dāng)天的光伏發(fā)電功率和發(fā)電效率

通過圖9可進(jìn)一步看出，電池板溫度得到明顯控制，同時余熱可在10:00～15:00時間段產(chǎn)生40 ℃以上的熱水，最高水溫可達(dá)50 ℃，完全可滿足一般生活用熱水需求(系統(tǒng)還可通過空氣源熱泵輔助加熱，滿足陰雨天用水需求，本文暫不做試驗分析)。

由以上試驗可知，改裝后的光伏光熱一體化系統(tǒng)可達(dá)到以下效果：1)將電池的溫度控制在50 ℃以內(nèi)；2)年發(fā)電平均效率相對提高30％；3)防止電池過熱、熱斑，延長電池板的壽命；4)實現(xiàn)約40％的電池板廢熱利用。

圖8　不同環(huán)境溫度下的集熱效率(a)、發(fā)電效率(b)隨入口溫度變化

圖9　PVT組件性能實際測試曲線

4　結(jié)論

本文研究了一種基于微熱管的光伏光熱一體化熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在不增加任何占地空間的基礎(chǔ)上，可以快速實現(xiàn)光伏光熱一體化系統(tǒng)，有效補集光伏電池作業(yè)時產(chǎn)生的余熱，同時冷卻光伏組件，降低其工作溫度，提高光電轉(zhuǎn)換效率和單位面積的產(chǎn)能，實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)雙重功效。通過真實系統(tǒng)搭建試驗，驗證了該系統(tǒng)可實現(xiàn)更高的綜合效率的可行性。

[1] 鄧桂芳. 透析太陽能資源化利用的環(huán)保節(jié)能新主張[J]. 電氣工程應(yīng)用, 2015, (4): 32-38.

[2] 季杰, 程洪波, 何偉, 等. 太陽能光伏光熱一體化系統(tǒng)的實驗研究[J]. 太陽能學(xué)報, 2005, 26(2): 170-173.

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2016-02-25

余如龍(1982—)，男，碩士，主要從事電力電子控制技術(shù)及光伏發(fā)電技術(shù)方面的研究。yurulong@cpvt.org.cn