嚴寒地區熱管式太陽能PV/T系統性能的試驗研究

李美萱，郭春梅，李勇剛，胡 凱

（天津城建大學，天津 300384；2.天津市建筑設計院，天津 300074）

0 引言

光伏光熱系統的概念最早由KERN等［1］提出，并搭建了PV/T試驗裝置。AKBARZADEH等［2］研究發現，沒有冷卻系統的光伏電池板溫度高達84 ℃，電池效率降低了50%。HUANG 等［3］的研究結果表明，系統的光電光熱總效率在60%以上，高于單一的太陽能熱水系統或光伏發電系統。SAITOH等［4］將太陽能PV/T集熱器的效率與PV和太陽能集熱器的效率進行比較，證明了PV/T太陽能集熱器具有很高的可行性。LIANG等［5］建立了一種新型的石墨填充絕熱的PV/T集熱器，研究結果表明石墨填充的PV/T收集器最高電效率為 7.2%，最高節能效率為 48%。FARAHAT等［6］經過研究，認為熱管冷卻技術是更好的冷卻方法，可以使光伏電池板在較低的溫度下工作，保持較高的發電效率。李寧軍等［7］設計了一種新型的基于平板微熱管陣列的太陽能光伏光熱（PV/T）系統，研究結果表明，該系統夏季的熱效率可達到54.5%，光效率可達到13.3%，綜合性能效率達到67.8%。吳雙應等［8］設計了一種采用熱管冷卻光伏電池板的太陽能光伏電熱一體化系統，結果顯示，熱管式PV/T系統的光伏電池板溫度的變化幅度小于2.5 ℃，系統的發電效率和熱效率分別在6.99%～7.46%和51.0%～63.2%之間。陳紅兵等［9-10］對熱管式PV/T系統進行了研究，發現太陽輻射強度和室外空氣的溫度對于系統的電效率影響顯著，聯箱入口水溫和循環水量對熱性能影響較大，對電效率影響不大。同時他還研究了基于相變流體的熱管式PV/T系統，研究發現，相較于水的熱管式PV/T系統，該系統的日均電效率提高了0.8%，日均熱效率提高7%，日均綜合效率提高了10.2%，試驗結果為相變流體在光伏光熱領域的應用提供了參考。馬斌［11］設計了一種新型環路熱管式光伏熱水系統，并對該系統在四季典型工況下進行了測試研究，結果表明，該系統在夏季工況下平均光熱效率和總太陽能利用效率最高；冬季工況下平均光電效率和光伏光熱綜合效率最高，為該系統在寒冷地區的推廣應用提供了理論基礎。近年來，也有一些學者［12-19］將PV/T組件與熱泵結合進行研究，結果表明，將光伏組件與熱泵系統結合不但可以提高光伏系統的光電效率，同時也可以改善熱泵機組的性能。

以上分析表明，熱管式太陽能光伏光熱（PV/T）系統是一項高效、節能、環保的新型能源應用技術。本文主要是以嚴寒地區典型城市天津市為例，研究了熱管式PV/T系統在嚴寒地區的工作性能，測試了系統的瞬時發電效率、日電效率、日熱效率以及光伏電池溫度隨太陽輻射和冷卻水流量的變化，為今后熱管式太陽能PV/T系統的在嚴寒地區的應用提供了參考。

1 天津地區太陽能資源

按照中國太陽能資源的劃區標準，天津屬于二類地區，全年日照時數大于3 000 h。在天津的典型氣象年中，一年之中全部的太陽總輻射為5 977.6 MJ/m2，365天中共有199天可利用太陽輻射能源，占全年的比例為54.5%，全年可利用的太陽輻射為3 880 MJ/m2，占總輻射能量的比例為65%。本次計算中采用文獻［20］中的天津市典型年氣象數據。圖1示出了天津典型氣象年月總輻射的年變化。

圖1 天津市太陽能月總輻射的年變化Fig.1 Annual variation of monthly total solar radiation in Tianjin

由圖1可看出，天津地區太陽能輻射量最大的月份是5月份，4～9月份的月總輻射都超過了500 MJ/m2，有較豐富的太陽能資源，適合使用光伏光熱（PV/T）系統對太陽能進行利用，而且天津地區夏季炎熱，空調制冷用電量逐年增加，社會總用電量十分巨大，采用光伏光熱（PV/T）系統可以不僅可以緩解城市用電緊張，滿足用電高峰，還可以為用戶提供生活熱水。因此，太陽能光伏光熱（PV/T）系統在天津具有很好的應用前景。

2 熱管式光伏光熱試驗研究

2.1 熱管式光伏光熱集熱器

本次試驗采用的是平板熱管，相較于普通的圓型熱管，增加了熱管與光伏組件的接觸面積，加強了組件與熱管之間的換熱，能更好地降低組件的溫度，強化PV/T系統的性能。熱管PV/T集熱器由玻璃罩、PV電池層、電池基板、熱管層、絕緣層、黑色TPT、背板和熱管蒸發部分組成（見圖2），封裝在鋁框架內。

圖2 熱管式PV/T集熱器截面Fig.2 Section of heat pipe PV/T collector

2.2 試驗系統的建立

試驗設計了一套熱管式光伏光熱系統，如圖3所示。試驗由2個系統組成：單晶光伏（PV）和單晶光伏/熱（PV/T）系統。這2個系統中的光伏板以相同的傾斜角上下放置，以確保兩個光伏板接收的太陽輻射量相同。熱管收集器放置在系統中光伏板的后面，冷卻水在收集器和水箱之間機械循環，水箱的出水口和集熱器進水口之間依次置有水泵、流量計，測量冷卻水的流量。試驗中測量的參數有：光伏電池板的溫度、集熱器進出口溫度、水箱的溫度、冷卻水流量以及2塊光伏電池板的開路電壓和短路電流。通過比較2種系統的運行參數，利用試驗數據定量評價PV/T系統相對于傳統PV系統的優勢，并通過實測數據計算發電效率和集熱效率，對系統性能進行分析。

圖3 熱管式PV/T試驗系統Fig.3 Picture of heat pipe PV/T experimental system

試驗系統中使用的循環水泵的額定流量大于冷卻水系統需要的流量，因此采用了旁通管分流的方法來降低系統中的水流量。通過對水泵出口處和旁通管上閥門開度的控制可以改變系統中水流量的大小。

2.3 試驗設備及儀器

試驗采用的蓄熱水箱是容量為50L的普通家用熱水器，自帶保溫與加熱功能，水箱水泵的型號為格蘭富的UPA90，額定流量為0.5 m3/h，揚程為7.5 m。太陽輻射強度采用日照強度計MS-802來測量，光伏板的表面溫度通過數字溫濕度記錄儀CENTER314獲得，Pt100熱電阻與XMT604顯示儀配合測量冷卻水的入口和出口溫度，玻璃轉子流量計（LZB-15）通過法蘭連接安裝在管道上，用于測量冷卻水的流量。Fluke319鉗形表用于測量光伏板的瞬時電壓、電流、電阻等，這些參數的測試精度見表1。

表1 熱管太陽能PV/T系統試驗儀器參數Tab.1 Experimental instrument parameters of heat pipe solar PV/T system

2.4 系統評價指標

為了更好地分析系統的熱性能和光學性能，以光電效率、光熱效率作為評價標準進行系統的研究與分析。

2.4.1 熱效率ηth

PV/T組件實際獲得的熱量與組件表面接收的太陽輻射量之比為PV/T組件的瞬時光熱效率ηth，定義為：

式中 Qu——系統的熱量輸出，W；

Ac——組件的照明面積，m2；

G ——太陽輻射強度，W/m2；

m ——水箱內水的質量，kg；

Cp——水的熱容，kJ/（kg·K）；

tf,o——收集器出口的水溫，K；

tf,i——收集器入口處的水溫，K。

2.4.2 光電效率ηε

PV/T組件在穩態條件下運行時實際獲得的電量輸出與組件表面接的太陽輻射量之比為PV/T 組件的瞬時光電效率ηε：

式中 Qε——光伏電池層的輸出功率，W；

Lm——最大功率點的實時電流，A；

Vm——最大功率點的實時電壓值，V。

3 試驗結果及分析

3.1 PV/T系統的優勢

試驗測試比較了有無集熱裝置的光伏電池板的溫度和發電效率，從圖4中可以看出，帶有集熱裝置的光伏板的溫度低于單一光伏電池板的溫度，二者最大溫度差可達8 ℃，研究表明光伏電池溫度每升高1 ℃，其光電轉換效率相對下降0.5%［21-22］。如圖5所示，PV/T系統的電效率高于PV系統，二者瞬時電效率的差最大可達5.8%，2個系統全天的發電量分別為3.69 MJ和3.78 MJ，日發電效率分別為13.3%和13.7%，相較于PV系統，PV/T系統的發電效率提高了2.65%。因此，PV/T系統具有更好的發電性能。

圖4 有無集熱裝置的光伏電池板溫度變化趨勢Fig.4 Temperature variation trend of PV panel with/without heat collector

圖5 有無集熱裝置的光伏電池板發電效率變化趨勢Fig.5 Variation trend of power generation efficiency of photovoltaic panels with/ without heat collectors

3.2 PV/T系統的全天運行狀況分析

9月29日的試驗結果被用來分析熱管PV/T系統的日常性能，試驗期間，11：57時太陽輻射峰值最高，為 1 051.064 W/m2，9：00～16：00 時平均太陽輻射約為868.4 W/m2。圖6示出了測試期間的光伏電池板溫度、收集器進出口水的溫度，當天光伏電池板最高溫度大約出現在13：30，達到57 ℃，集熱器的出口水溫最高達到46.4 ℃，出現在14：00～15：00之間。集熱器的進出口溫差約為2 ℃，最大溫差在大約12：30達到3 ℃，通過集熱器進出口水的溫差可以反映系統的傳熱性能。

圖6 光伏電池板溫度、集熱器進出口水溫變化趨勢Fig.6 Variation trend of PV panel temperature and inlet and outlet water temperature of PV collector

測試結果表明，集熱器進出口溫度較為穩定，光伏電池板的溫度存在一定的波動。這是由于光伏電池板的溫度分布不均勻，雖然在試驗中在光伏電池板表面呈V字形布置了多個溫度測點取平均值，但只是減少了測量誤差，并不能消除誤差。但是總體來說，光伏電池板溫度變化的趨勢同集熱器進出口溫度一樣，都是先升后降，這也和當天太陽輻射照度的變化趨勢一致。

圖7示出了光伏電池板發電效率與光伏電池板溫度的關系。

圖7 系統發電效率與光伏電池板溫度變化趨勢Fig.7 Variation trend of system power generation efficiency and photovoltaic panel temperature

從圖中可以看出，光伏電池板的發電效率隨光伏電池板溫度的上升而降低。當天光伏電池瞬時發電效率最大值為15.2%，最小值為12.6%，二者之間相差了20%左右。可見，發電效率與光伏電池板溫度成反比，且板溫度對發電效率影響較大。通過試驗數據計算得，熱管式PV/T試驗系統這一天的熱效率為19.3%，蓄熱水箱的最高溫度達到了46.4 ℃，可以滿足人們洗浴的要求。全天的發電量為3.8 MJ，發電效率為13.7%。試驗數據顯示系統熱效率偏低，這是因為試驗時已時值9月末，氣溫偏低，通過系統光伏電池板表面的散熱較多，且連接蓄熱水箱和集熱器的管路未做保溫，在當時的天氣情況下，散熱量較大，這在一定程度上影響了系統的集熱效率。

3.3 冷卻水流量對光電效率的影響

選擇不同流量運行的試驗數據進行比較，分析流量對系統效率的影響。由于在室外進行的試驗，兩天的氣象參數無法做到一致，只能通過系統的集熱效率和發電效率來分析流量的影響。

選取了9月29日和9月30日的試驗數據，這兩天系統運行時的流量分別為250，200 L/h，系統發電效率變化如圖8所示。從圖8中可以看出，在2天的初始時刻，光伏電池板的發電效率幾乎一樣，隨著系統的運行，發電效率逐漸下降，流量大的系統的光伏電池板發電效率略高于流量小的系統。29日和30日的全天發電效率分別為13.7%和13.5%，集熱效率分別為19.3%和18.6%，由此可見，冷卻水的流量對系統熱效率影響更加顯著，對電效率影響不大，但是增加水的流量也會增加泵的耗電量，這相當于降低了系統的發電效率。因此，系統應該存在一個使效率達到最大的合理流量，這可作為優化系統的一個方向進行后續研究。

圖8 流量不同時光伏電池板的發電效率變化趨勢Fig.8 Variation trend of generation efficiency of photovoltaic panels with different flow rates

3.4 儲水裝置對系統熱效率的影響

對系統一天的運行狀況進行分析，發現系統的集熱效率偏低，當水箱溫度達到40 ℃左右的時候上升的趨勢就會變慢，對光伏電池板的冷卻效果明顯變弱。因此，提出在系統中增設一個儲水箱的措施以提高系統熱效率。當蓄熱水箱中的水達到一定溫度時，將熱水轉移至儲水箱內，重新用自來水將蓄熱水箱充滿，用來繼續集熱。

圖9示出了蓄熱水箱中的水溫一天之內的變化。可以看出，蓄熱水箱中的水溫在12：30左右超過了40 ℃，此時將水箱中的水放空，注入自來水，測得蓄熱水箱中的水溫為28.8 ℃。經過將近4 h的循環后，蓄熱水箱的水溫達到了39.5 ℃左右。圖10顯示了在安裝儲水箱后，有無集熱裝置的發電效率在一天之中的變化。經計算，有無集熱裝置的光伏電池板全天的發電量分別為2.39 MJ和2.5 MJ，日發電效率分別為12.5%和13%，PV/T系統的日集熱效率為32.3%。

圖9 蓄熱水箱溫度變化趨勢Fig.9 Temperature variation trend of heat storage tank

圖10 有無集熱裝置的光伏電池板的發電效率變化趨勢（增設儲水箱）Fig.10 Variation trend of power generation efficiency of photovoltaic panels with or without heat collecting device（added water storage tank）

由試驗結果可知，增設儲水箱可大幅提高光伏光熱系統的集熱效率。尤其對于全年運行的系統，若蓄熱水箱體積過大，在太陽輻射照度較小的季節里，蓄熱水箱中的水溫就會達不到用戶對于水溫的要求；若蓄熱水箱的體積過小，在太陽輻照照度比較大的季節里就會造成系統集熱效率偏低的現象。增設儲水箱的系統，減小了蓄熱水箱的體積，在太陽輻射照度不理想的季節也可使水溫達到一定的溫度。而在太陽輻射照度大的季節，可及時將蓄熱水箱中達到一定溫度的水轉移至儲水箱，而用水溫較低的自來水在系統中循環集熱，能有效降低光伏電池板的溫度，提高發電效率。

4 結論

（1）在平均太陽輻射照度約為868.4 W/m2情況下，帶有集熱裝置的光伏電池板的溫度低于單一光伏電池板的溫度，兩者最大溫差達到了8 ℃左右，兩者的瞬時發電效率最大相差了5.8%，全天的發電量分別為3.69，3.78 MJ，日發電效率分別為13.3%，13.7%，帶有集熱裝置的光伏光熱系統較單一的光伏系統，發電效率提高了2.65%。

（2）對系統一天的運行參數處理后，熱管式系統光伏電池板全天的發電效率約為13.7%，集熱效率為19.3%，全天的發電量為3.8 MJ，蓄熱水箱的最高溫度達到了46.4 ℃，可以滿足人們洗浴的要求。

（3）通過2天的試驗發現，冷卻水的流量對系統熱效率影響更加顯著，對電效率影響不大，但是增加水量也會增加水泵的耗電量，相當于降低了系統的發電效率，因此，存在合理的流量值，使系統的總效率達到最大

（4）針對熱管式光伏光熱試驗系統熱效率偏低的現象，并結合實際應用的需要，提出了增設儲水水箱的建議，增設儲水水箱后，熱管式光伏光熱系統的熱效率可達到32.3%。