非晶硅太陽能光伏/光熱空氣集熱器性能對比實驗研究

黃夢蕭,王云峰,李 明,梁靖康,杜桂菊,趙文魁

（1.云南師范大學 太陽能研究所，云南 昆明650500；2.云南師范大學 物理與電子信息學院，云南 昆明650500）

0 引言

太 陽 能 光 伏/光 熱（Photovoltaic/Thermal，PV/T）集熱器實現了太陽能的熱、電綜合利用，因此，太陽能PV/T集熱器的市場占有率不斷上升。其中，由晶硅電池集成的太陽能PV/T熱水器占太陽能PV/T集熱器市場份額的59%[1]。

學者們通過研究發現，由晶硅電池集成的太陽能PV/T熱水器存在以下問題：①晶硅電池的電效率隨著電池工作溫度的升高而不斷下降，在標準功率溫度系數測試過程中發現，晶硅電池溫度系數為-0.41～-0.50%/℃，當電池工作溫度為25℃時，晶硅電池的電效率為18%，當電池工作溫度升高到75℃時，晶硅電池的電效率下降了5%[2]～[4]；②由于晶硅電池層壓在吸熱板上，導致兩者的熱膨脹系數存在顯著差異，這種差異導致由晶硅電池集成的太陽能PV/T熱水器容易受到高熱應力的影響[5]。長期運行過程中，由于溫度梯度和溫度波動較大的影響，導致晶硅電池機械應力較大，由晶硅電池集成的太陽能PV/T熱水器容易發生變形或斷裂。

非晶硅光伏電池功率溫度系數較低，可達到-0.1%/℃，并具有柔性高和熱應力低的特性，能夠減少自身的光致衰減缺陷，進而防止光伏組件出現破壞和中斷的現象[6]，[7]。因此，將非晶硅光伏電池與空氣集熱器相結合能有效解決晶硅電池熱應力大的問題，同時，也避免了冬季管道發生霜凍的情況?；诖?，本文提出了由非晶硅光伏電池集成的太陽能PV/T空氣集熱器（以下簡稱為非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器），并通過實驗對比研究了該集熱器與傳統太陽能空氣集熱器和單獨非晶硅光伏電池的能量效率和火用效率。

1 實驗系統和測試設備

1.1 非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器結構

非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器示意圖如圖1所示。非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器由玻璃蓋板、光伏電池、粘膠劑（EVA）、吸熱板、帶肋片的空氣流道、保溫層和邊框等組成。吸熱板與頂部玻璃蓋板之間的距離為30 mm，吸熱板正面上有15片串聯的非晶硅光伏電池，非晶硅光伏電池上表面采用EVA和透明防水絕緣材料TPT封裝，非晶硅光伏電池所占面積為1.21 m2，未被非晶硅光伏電池覆蓋的吸熱板表面為黑色選擇吸收性涂層；吸熱板背面有帶肋片的空氣流道，空氣流道的高度為27 mm。非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的各項參數如表1所示。

圖1 非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器示意圖Fig.1 Schematic of the amorphous siliconsolar PV/T air collector

表1 非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器參數Table 1 Parameters of the amorphoussilicon solar PV/Tair collector

1.2 實驗系統測試裝置

測試地點位于云南省昆明市（25°N，102°E），測試平臺的搭建參照太陽能空氣集熱器熱性能實驗方法國家標準（GB/T26977-2011）。測試采用的單獨非晶硅光伏電池和傳統太陽能空氣集熱器的規格、型號均與非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器相同，三者的朝向均為正南，安裝傾角均為30°；總輻照表TRT-2與上述2個集熱器放置在同一水平面；上述2個集熱器出口處分別均勻布置了6個T型熱電偶，用于測量集熱器出口處的熱風溫度；渦街流量計LUGB-80、熱電偶和壓力傳感器P200均布置在集熱器出風口相連接的管道上，它們分別用于測量濕空氣的體積流量、溫度和壓力，并根據測量結果確定濕空氣的定壓比熱容、密度和質量流量；直流電流傳感器WBI342U01-S將電流信號轉變為電壓信號，并對電壓信號進行采集；將控制器與光伏電池、蓄電池和直流負載（兩盞電壓為24 V，額定功率為100 W的白熾燈）相連，以保證電路穩定運行；氣象環境參數由氣象數據記錄儀TRM-2采集并記錄。溫度、壓力、電流、電壓和流量等參數由日置數據采集儀HIOKILR-8400采集并記錄。測試日期為2019年4-5月，該時間段內天氣晴朗，每天的測試時間為09：00-17：00。

圖2為實驗裝置的原理圖和實物圖。

圖2 實驗裝置的原理圖和實物圖Fig.2 Schematic diagramand photograph of the experimental setup

2 實驗系統性能評估

從能量數量的角度出發，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的能量效率包括熱效率和電效率兩部分。非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器和傳統太陽能空氣集熱器的瞬時熱效率ηth均為集熱器內空氣的熱量與投射到該集熱器上的太陽輻照量之比。

ηth的表達式為

式中：m˙為濕空氣質量流量，kg/s；cp為濕空氣的定壓比熱容，J/kg·℃；Tin，Tout分別為集熱器進、出口的溫度，℃；G為集熱器采光面接收到的太陽輻射強度，W/m2；Ac為集熱器有效采光面積，m2；（τα）pv為非晶硅光伏電池層的透射吸收積[8]。

（τα）pv的計算式為式中：τ為玻璃蓋板的透過率；n為太陽輻射在玻璃蓋板與非晶硅光伏電池間的反射數；ρd為玻璃蓋板的漫反射率，ρd=16%；α為非晶硅光伏電池層的綜合吸收率。

α的計算式為式中：αpv，αp分別為非晶硅光伏電池、吸熱板的太陽輻照吸收率；ξ為非晶硅光伏電池覆蓋率。

ξ的計算式為

式中：Apv為非晶硅光伏電池的有效采光面積，m2。

非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器和單獨非晶硅光伏電池的瞬時電效率均為光伏電池的瞬時發電量與投射到光伏電池表面的太陽輻照量之比。由于非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器被玻璃蓋板遮擋，因此，須要考慮光伏電池層的透射吸收積，而單獨非晶硅光伏電池中的光伏組件則不用考慮。非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器和單獨非晶硅光伏電池的控制電路、蓄電池和直流負載均一致。綜上可知，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器和單獨非晶硅光伏電池的電效率的計算式分別為

式中：ηe（PV/T），ηe分別為非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器和單獨非晶硅光伏電池的電效率，%；U為非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器或單獨非晶硅光伏電池的輸出電壓，V；I為非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器或單獨非晶硅光伏電池的輸出電流，A。

空氣質量流量對非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的壓力降和功耗影響較大，而流體功耗與鼓風機功耗有較大關系。

鼓風機功耗Pfan的計算式為[9]

式中：Pflow為流體功耗，W；ΔP為非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的壓力降，Pa；ρ為空氣介質的密度，kg/m3；ηfan為鼓風機風量轉換效率，取0.74；ηmotor為鼓風機發電機的軸效率，取0.9。

從獲得能量數量的角度出發，根據式（1），（5）可知，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的能量效率表達式為

式中：ηtotal為非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的能量效率，%。

考慮鼓風機的附加能量消耗時，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器凈能量效率的計算式為

式中：ηnet為非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器凈能量效率，%。

由于式（8）的評價方法忽略了電能和熱能的品位差別，因此，從能量質量的角度考慮，須要將電能和熱能換算成相同品質的能源指標。本文采用了Petela提出的火用效率評價方法作為評價的能源指標[10]。

實驗系統接收到的太陽輻射能火用Esun的表達式為

式中：t1，t2分別為實驗開始、結束的時間；Tamb為環境溫度，K；Tsun為太陽表面溫度，取6 000 K。

空氣介質流動過程中，2種空氣集熱器Re的計算式為[11]

3 結果與分析

本文選取測試期間部分數據進行分析。表2為3種空氣質量流量條件下，實驗系統的性能測試結果。

表2 3種空氣質量流量條件下，實驗系統的性能測試結果Table 2 Performance test resultsof the experimental systemunder three different air massflow rates conditions

由表2可知，測試期間，日平均太陽總輻照量H約為19.96 MJ。當空氣質量流量分別為0.024，0.036，0.048 kg/s時，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的平均熱效率、電效率和能量效率分別約為45.70%，4.25%和50.19%，平均熱火用效率、電火用效率和總火用效率分別為3.12%，3.01%和6.23%；傳統太陽能空氣集熱器的平均熱效率和熱火用效率分別為61.66%和5.2%；單獨非晶硅光伏電池的平均發電效率和電火用效率分別為4.54%和3.19%；與非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器相比，傳統太陽能空氣集熱器和單獨非晶硅光伏電池的平均熱效率和電效率分別升高了25.88%和0.29%。綜上可知，僅從能量數量考慮，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的能量效率低于傳統太陽能空氣集熱器的熱效率；但從能量質量角度考慮，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的總火用效率高于傳統太陽能空氣集熱器的熱火用效率和單獨非晶硅光伏電池的電火用效率。這是由于空氣質量流量增大時，空氣工質從非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器帶走的熱量增多，使得吸熱板溫度下降、熱損失減少，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的能量效率和熱火用效率提高，而鼓風機的附加耗功增大，導致非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器凈效率下降。

圖3為3種不同空氣質量流量下，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器、傳統太陽能空氣集熱器的出口溫度和吸熱板溫度隨太陽輻射強度的變化情況。

圖3 3種不同空氣質量流量下，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器、傳統太陽能空氣集熱器的出口溫度和吸熱板溫度隨太陽輻射強度的變化情況Fig.3 The variation of outlet temperature and absorber plate temperature of the amorphoussilicon solar PV/Tair collector and the traditional solar air collector with solar irradianceunder three different air massflow rates

由圖3可知，當空氣質量流量不同時，傳統太陽能空氣集熱器的出口溫度和吸熱板溫度均高于非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器，這是由于非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器吸熱板上表面被非晶硅光伏電池遮擋，非晶硅光伏電池的發射率高于有選擇性吸收涂層的吸熱板，導致非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的輻射熱損失增大；在非晶硅光伏電池周圍，反射率較高的銀柵金屬線覆蓋了吸熱板表面的5%左右，也對非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的熱效率造成影響；另外，非晶硅光伏電池層壓在非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的吸熱板表面，非晶硅光伏電池與吸熱板之間的EVA層相當于一層導熱熱阻，從而削弱了傳導至空氣流道的熱流，導致非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的吸熱板溫度低于傳統太陽能空氣集熱器。根據牛頓冷卻定理，風道內對流換熱系數相同情況下，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器從吸熱板獲得的熱能少于傳統太陽能空氣集熱器，因此，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的出口溫度低于傳統太陽能空氣集熱器。

圖4為3種不同空氣質量流量下，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器、傳統太陽能空氣集熱器的出口溫度和熱效率隨時間的變化情況。

圖4 3種不同空氣質量流量下，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器、傳統太陽能空氣集熱器的出口溫度和熱效率隨時間的變化情況Fig.4 The variation of outlet temperature and thermal efficiency of the amorphous silicon solarPV/Tair collector and thetraditional solar air collector with time under three different air massflow rates

由圖4可知，當空氣質量流量從0.024 kg/s增加至0.036 kg/s時，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的出口溫度由47.56℃下降至41.73℃時，其平均熱效率由39.43%增加至46.54%，增加了7.11%；傳統太陽能空氣集熱器的出口溫度由59.09℃下降至45.58℃時，其平均熱效率由56.68%增加至62.81%。當空氣質量流量從0.036 kg/s增加至0.048 kg/s時，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器和傳統太陽能空氣集熱器的出口溫度分別降低了3.51℃和2.63℃，平均熱效率分別增加了4.60%和2.67%。綜上可知，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器和傳統太陽能空氣集熱器的出口溫差和熱效率的差值均隨著空氣質量流量的增大而減小；非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器和傳統太陽能空氣集熱器的出口溫度降幅和熱效率的增幅也隨著空氣質量流量的遞增而減小。非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器與傳統太陽能空氣集熱器的出口溫差和熱效率的差值均隨著空氣質量流量的增大而減小，這是由于傳統太陽能空氣集熱器的出口溫度較高，其內部熱空氣的動力粘度高于非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器，當空氣質量流量的增量相同時，其雷諾數和努賽爾數的增幅低于非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器，導致其熱空氣與吸熱板的傳熱系數的增幅小于非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器。因此，傳統太陽能空氣集熱器的出口溫度下降較快、熱效率增幅較慢，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器出口溫度下降速度較慢、熱效率增加速度較快，導致2個集熱器的出口溫差和熱效率的差值均減小。2個集熱器的出口溫度降幅和熱效率的增幅也隨著空氣質量流量增大而減小，這是由于當空氣質量流量從0.024 kg/s增加至0.048 kg/s時，2個集熱器的雷諾數值均由2 194.0增加至4 843.9，流體的狀態均由層流變為過渡流，熱空氣與吸熱板的傳熱系數均增大，導致2個集熱器的出口溫度降幅和熱效率的增幅均減小。此外，傳統太陽能空氣集熱器的出口溫度較高，導致其熱損失較大，在空氣質量流量相同的情況下，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器溫度低于傳統太陽能空氣集熱器，熱損失較小，其熱效率接近于傳統太陽能空氣集熱器。因此，提高非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的熱效率須增大空氣質量流量，強化吸熱板背部傳熱，增加對流換熱系數以減少空氣流體和吸熱板的溫差。

圖5為3種不同空氣質量流量下，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的出口溫度和光伏組件溫度和隨太陽輻射強度的變化情況。

圖5 3種不同空氣質量流量下，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的出口溫度和光伏組件隨太陽輻射強度的變化情況Fig.5 The variation of PV temperature and outlet temperature of the amorphoussilicon solar PV/Tair collectorwith solar irradiance under three different air mass flowrates

由圖5可知，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的出口溫度、光伏組件溫度和太陽輻射強度的變化趨勢相一致，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的出口溫度和光伏組件溫度均受到太陽輻射強度的影響。非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的出口溫度和光伏組件溫度均隨著空氣質量流量的增大而減小，但光伏組件溫度與出口溫度相差較大。當空氣質量流量從0.024 kg/s增加至0.048 kg/s時，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器出口的平均溫度由47.56℃下降至38.21℃，光伏組件平均溫度由57.89℃下降至49.02℃。當空氣質量流量從0.024 kg/s增大至0.048 kg/s時，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器出口的平均溫度以及光伏電池平均溫度分別降低了10.33，10.81℃。這是由于非晶硅光伏電池周圍的熱量經粘膠劑和鋁板導熱再傳遞給空氣介質，增大了空氣質量流量，使空氣介質溫度變低，即非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的出口溫度減小。由于電池層與吸熱板之間的導熱熱阻不變，根據鋁板平衡能量方程可知，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器電池的溫度相應減小。

與非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器相比，單獨非晶硅光伏電池缺少玻璃蓋板、空氣夾層和與周圍環境相隔離的保溫層。因此，單獨非晶硅光伏電池接收到的太陽輻射強度高于非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器；單獨非晶硅光伏電池的散熱效果優于非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器；單獨非晶硅光伏電池的電效率大于非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器。圖6為3種不同空氣質量流量下，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器和單獨非晶硅光伏電池的電效率隨太陽輻射強度的變化情況。

圖6 3種不同空氣質量流量下，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器和單獨非晶硅光伏電池的電效率隨太陽輻射強度的變化情況Fig.6 The variation of electrical efficiency of the amorphous silicon solar PV/Tair collector and the single amorphous silicon photovoltaic cellswith solar irradiance under three different air mass flow rates

由圖6可知，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器和單獨非晶硅光伏電池的電效率的變化趨勢與太陽輻射強度和非晶硅光伏電池溫度相反。與中午時段相比，早晚時段非晶硅光伏電池的電效率較高。這是由于非晶硅光伏電池的發電效率會隨自身工作溫度的升高而下降，并且沿空氣流動方向，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器中的非晶硅光伏電池存在溫度梯度，串聯后非晶硅光伏電池的電流取決于電流最小的電池。雖然非晶硅光伏電池的發電效率受工作溫度的影響，但非晶硅光伏電池功率溫度系數較低。當非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器電池的平均溫度由57.89℃下降至49.02℃時，其電效率從3.94%上升到4.70%，即非晶硅光伏電池溫度升高10℃，其電效率實際下降約0.85%。其電效率受工作溫度的影響小于晶硅電池，若將多個非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器串聯使用，會使下游非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器中的非晶硅光伏電池溫度進一步升高，此時，體現了非晶硅光伏電池的輸出功率溫度系數低的優勢。

由圖6還可以看出，在空氣質量流量一定范圍內，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的電效率低于單獨非晶硅光伏電池，當空氣質量流量為0.024 kg/s時，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的電效率低于單獨非晶硅光伏電池；當空氣質量流量增加至0.048 kg/s時，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的電效率高于單獨非晶硅光伏電池，電效率分別為4.70%和4.54%，二者相差0.16%。綜上可知，通過增大空氣質量流量，能有效降低非晶硅光伏電池的溫度，從而提高非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的電效率，使該集熱器的電效率達到甚至超過單獨非晶硅光伏電池。

圖7 3種不同空氣質量流量下，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器、傳統太陽能空氣集熱器和單獨非晶硅光伏電池的火用效率變化情況Fig.7 The variation of exergy efficiency of theamorphous silicon solar PV/Tair collector,the traditional solar air collector and the single amorphous silicon photovoltaic cells under three different air mass flow rates

從獲得能量質量的角度出發，火用分析能全面地分析集熱器獲得不同等級能量的能力。在空氣質量流量分別為0.024，0.036，0.048 kg/s的工況下，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器、傳統太陽能空氣集熱器和單獨非晶硅光伏電池的火用效率變化情況如圖7所示。由圖7可知，當空氣質量流量為0.024 kg/s時，傳統太陽能空氣集熱器的熱火用效率較大，為7.66%；當空氣質量流量為0.048 kg/s時，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的總火用效率較大，為7.14%。隨著空氣質量流量逐漸增大，傳統太陽能空氣集熱器的熱火用效率逐漸減小，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的總火用效率逐漸增大。這是由于增大空氣質量流量，使得傳統太陽能空氣集熱器和非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的出口溫度均逐漸降低，從而縮小了這2個集熱器出口溫度與環境溫度之間的差距，因此，這2個集熱器的熱火用效率均減小。同時，增大空氣質量流量，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的電池溫度也降低了，從而提高了非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的電能輸出比，因此，該集熱器的電火用效率隨之增加，非晶硅光伏電池的電能輸出具有的可用能比例遠高于低溫熱空氣，即光電轉換過程中的有利影響大于不利影響。因此，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的最大總火用效率增大了。

由圖7還可以看出，在一個測試周期內，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器、傳統太陽能空氣集熱器和單獨非晶硅光伏電池的熱火用效率先增大后減小，與太陽輻射強度變化情況相一致,電火用效率先減小后增大，與電效率變化情況相一致。非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的熱火用效率小于傳統太陽能空氣集熱器，2個集熱器的熱火用效率分別為1.51%～4.00%和2.00%～7.66%，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器和單獨非晶硅光伏電池的電火用效率相差不大，二者的電火用效率分別為2.00%～5.00%和2.05%～4.83%。在早晚時段，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的總火用效率大于傳統太陽能空氣集熱器，中午時段卻相反，這是由于早晚時段，太陽輻射強度較低、太陽入射角較大、非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器出口溫度與環境溫度比較接近，導致該集熱器的熱火用效率偏低，電火用效率偏高；中午時段，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器出口溫度較高，導致該集熱器的熱火用效率較高，電火用效率較低，占比高的電能失去了優勢。換言之，當非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的電火用效率高于傳統太陽能空氣集熱器與非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的熱火用效率差值時，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的總火用效率高于傳統太陽能空氣集熱器；反之，則情況相反。若提高集熱器進口溫度，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的出口溫度與環境溫度之間的差距會增大，同時，非晶硅光伏電池功率效率溫度系數較低，其電效率在高溫的情況下損失不大，因此，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的全天總火用效率會升高。

3種不同空氣質量流量的條件下，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器熱效率εth與電火用效率εe之比隨時間的變化情況如表3所示。

表3 3種不同空氣質量流量的條件下，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器熱效率與電火用效率之比隨時間的變化情況Table 3 The ratio of thermal and electrical exergy efficiency of the amorphous silicon solar PV/T air collector varies with time under three different air mass flow rates

由表3可知，隨著空氣質量流量逐漸增大，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的電火用效率占比逐漸增大。13：00-14：00，當空氣質量流量為0.048 kg/s時，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的電火用效率比空氣質量流量為0.024 kg/s時提高了約50%。在9：30之前，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的電火用效率占比逐漸減小，這是由于太陽輻射強度逐漸增強，導致非晶硅光伏電池工作溫度逐漸升高，電效率逐漸下降；12：00-14：30，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的熱火用效率占比較大，這是由于太陽輻射強度增強，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器出口溫度與環境溫度差距較大造成的；16：30以后，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的電火用效率占比逐漸增大，這是由于非晶硅光伏電池工作溫度降低導致的。從整體來看，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的熱火用效率略高，這是由于非晶硅光伏電池的光電轉換效率偏低導致的。

4 結論

為了解決高溫波動情況下傳統PV/T熱水器，晶硅電池存在熱應力較大的問題，同時，為避免冬季管道出現霜凍的情況。本文設計了非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器，并從能量數量和能量質量的角度對比研究了該集熱器與單獨非晶硅光伏電池、傳統太陽能空氣集熱器的能量效率和火用效率，分析結論如下。

①非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的平均熱效率約為45.70%，平均發電效率約為4.25%；傳統太陽能空氣集熱器的平均熱效率為61.66%。與傳統太陽能空氣集熱器相比，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的熱效率約降低了25.88%。

②當空氣質量流量升高至0.048 kg/s時，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的平均發電效率高于單獨的非晶硅光伏電池，二者的平均發電效率分別為4.70%和4.54%。增大空氣質量流量有助于提升非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的電效率。

③從能量數量的角度出發，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的能量效率低于傳統太陽能空氣集熱器的熱效率，但從能量質量的角度出發，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器的全天總火用效率高于傳統太陽能空氣集熱器的熱火用效率和單獨非晶硅光伏電池的電火用效率，非晶硅太陽能PV/T空氣集熱器總火用效率的最大值為7.14%。