太陽能光電光熱一體化系統試驗實訓裝置設計與實踐

徐鑫 趙維

摘 要：結合“太陽能利用技術”課程教學內容，設計了基于模塊式光電光熱系統的太陽能光電光熱一體化（PVT）相關實訓，并進行了拓展試驗。采用本套系統，可盡可能地為教師授課、學生學習和教師科研提供更多種類的PV組件、光熱組件及聚光組件，以及不同組件相互組合所形成的不同形式的PVT系統；可盡可能實現各模塊間的快速組合、形成不同形式的PVT系統、以便進行不同的系統性能測試或多系統對比試驗，降低試驗成本。通過實訓試驗，本套系統激發了學生課程學習的興趣，增強了學生對PVT系統的感性認識，對提高太陽能能源利用率的方法進行理解，取得了較好的實訓教學效果并獲得了相關試驗數據。

關鍵詞：太陽能光電光熱一體化；模塊式裝置；實訓設計；教學

1 太陽能光電模塊

國內外現有商業化光伏組件種類較多，其中，如表1所示，不同光伏組件有著不同的特點。本試驗實訓裝置采用單晶硅、多晶硅、薄膜電池及砷化鎵作為光電模塊，每個模塊包括光伏組件及引出線，且模塊可以通過延伸板與裝置相連。

2 太陽能光熱模塊

按照不同冷卻介質，不同流道形式及聚光光學特性對太陽能光熱模塊進行分析。常用冷卻介質包括空氣、水和納米流體等。空氣流動方便且使用方便，但由于比熱容較大，空氣占地面積較大；水的熱效率高占地面積小，但是冬季寒冷地區會凍結；納米流體熱效率高，但是價格較高，制備工藝要求高，必須設置二次換熱。所以本試驗實訓裝置采用水和空氣作為冷卻介質。

由于冷卻介質流道會對傳熱效果產生影響，所以在設計本試驗實訓裝置時，首先對不同液體流道及空氣流道進行了對比分析，由于流道特征尺寸對傳熱過程有影響，流道越長，電效率越高，熱效率越低，達到一定值后趨于穩定；流道越深，電效率越高，熱效率變化較小，達到一定值后趨于穩定；所以利用FLUENT模擬，對流道形式進行確定，如圖1所示。本試驗實訓裝置采用DN20銅管及DN20軟管作為液體流道，管間距可從50～80mm之間調整；流道形式包括直管式、蛇形管式和微熱管式。采用亞克力作為空氣流道材質，通過FLUENT模擬得到扁盒寬度為50mm。

一般的，聚光性能越好，集熱效果越佳。平板式集熱器價格較便宜，占地面積小，但聚光效果較弱，綜合效率較低；槽式集熱器聚光效果較強，工質制得溫度較高，但占地空間較大；菲涅爾聚光和塔式聚光的聚光效果強，但是價格昂貴，一般用于中高溫光熱發電系統。所以，本試驗實訓裝置選用平板式及聚光式聚光模塊。其中，平板型集熱器多使用玻璃蓋板覆蓋集熱管以提升集熱效率，但若用于PVT系統，電效率會有降低；若無玻璃蓋板，PVT系統電效率會提升，但PV組件長時間暴露在空氣中會縮短組件使用壽命。所以，本試驗實訓裝置的玻璃蓋板可選擇性放置。

不同的流體狀態會影響PVT系統性能。通過實驗及模擬發現，流體流速越快，PV組件表面溫度越低，流體溫升越小，得熱量越大，綜合效率越高。說明當流體設定較低的初始溫度和適宜的流速時，可使綜合效率得到提升。所以，本試驗實訓裝置可通過閥門和水箱電加熱器調整系統初始溫度及流體流速。

3 模塊組合方式

如表2及表3所示，不同的流道形式進行組合，可以形成不同的系統，并在相同太陽輻射值下得到不同的綜合效率。所以，本試驗實訓裝置利用模塊化的光熱組件搭建出不同系統，進而獲得不同的試驗及實訓工況。

4 環境因素設置

由于本系統通過太陽能進行驅動，系統綜合效率會隨著太陽輻射值的變化而變化。當天空的云或周圍物體對PVT板進行遮擋時，綜合效率隨即下降。即在中國北方地區，霧霾天氣是不適宜在室外使用PVT進行實驗研究的，所以本試驗實訓裝置需要設置模擬光源，設置燈架及可調整模擬輻射值。

對于PV組件而言，環境風速增大時，PV組件表面的溫度逐漸下降，可提升發電效率。但是風會帶來沙塵，造成PV組件的有效面積減小，進而降低發電效率。所以本試驗實訓裝置在室內進行操作，并定期進行光電模塊、光熱模塊的清潔工作。

5 PVT模塊式試驗實訓裝置

根據上述分析，裝置包括燈源、可更換光電模塊、可更換光熱模塊、水泵、風機、可調整流量閥，測試裝置包括太陽能輻射儀、熱電偶、熱量表、風速儀及數據采集器等，如圖 2所示。

本試驗實訓裝置通過對不同光電光熱一體化模式進行對比試驗，可為太陽能光電光熱一體化系統性能研究提供基礎試驗數據；利用本裝置進行實訓，指導學生進行模塊搭建操作及現場測試試驗，整合PV組件和太陽能集熱器的實體及概念，使學生增進對PVT系統的直觀認識。

6 結論

本試驗實訓裝置具有以下優點：

1）在太陽能利用實訓課上或學生科技活動中，可利用本套裝置指導學生進行模塊搭建操作及現場測試試驗，整合PV組件和太陽能集熱器的實體及概念，使學生增進對PVT系統的直觀認識；

2）本套裝置通過多種組合可以實現多種類型PVT系統，可供本校師生、相關院校及科研單位在相同設計條件下進行PVT系統性能實驗；

3）測試的結果可為太陽能光電光熱一體化系統性能研究提供基礎試驗數據，為系統優化提供試驗方法并降低正交試驗成本。

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