PV/T 在溶液除濕空調系統中的應用研究

張君美，任彥林，李勇剛

（1.天津大學 建筑設計規劃研究總院有限公司，天津 300073；2.天津城建大學 能源與安全工程學院，天津 300384；3.天津市建筑設計研究院有限公司，天津 300074）

0 引言

溶液除濕空調具有耗電量低、環境友好、可以與低溫熱源聯合應用等優點，太陽能屬于可再生能源，將其用于溶液除濕空調的再生過程則會使整個系統更符合節能環保的要求。利用太陽能進行溶液再生多年前已被提出，根據太陽能轉換形式的不同可將太陽能溶液再生系統劃分為光熱式（PT）溶液再生系統、光伏式（PV）溶液再生系統、光伏/熱式（PV/T）溶液再生系統［1-7］。表1 總結了不同太陽能溶液再生系統的研究要點和系統特點［8-11］。

表1 與文獻中已有的太陽能溶液再生系統研究進行比較Tab.1 Comparison with the existing studies on solar liquid regeneration systems in literature

近些年來，許多研究對平板PV/T 集熱器及其在空氣和熱水加熱中的應用進行了綜述。然而，僅有有限的研究涉及生產適合溶液再生的高溫熱。典型無玻璃PV/T 空氣集熱器的輸出溫度在28～58 ℃之間，熱效率在10%～26%之間。當在無玻璃PV/T 空氣集熱器設計中加入玻璃罩時，觀察到出口流體溫度進一步提高，熱效率更高（20%～35%），然而，與無玻璃PV/T 空氣集熱器相比，這導致電效率降低了1%～2%。為了增強光伏組件向被加熱空氣的傳熱，從而降低光伏組件的溫度，TONUI 在通道中間增加了一層薄金屬片，這被稱為薄金屬片（TMS）PV/T 空氣集熱器，其出口流體溫度可達到59 ℃，與標準的PV/T 空氣集熱器相比，TMS PV/T 空氣集熱器最大熱效率從10%提高至28%，但電效率從12.5%降低至10%。

此外，為了進一步提高出口空氣溫度，試驗增加了玻璃罩，結果表明，增加玻璃罩后輸出溫度更高，達到32～80 ℃，熱效率達20%～40%，但電效率較低（8%～11%）［12-14］。

水可以作為傳熱介質來回收平板PV/T 集熱器的熱量，集熱器的熱水可以通過熱交換器加熱再生空氣［15］。對于玻璃板式和管式PV/T 集熱器的設計，SHIHABUDHEEN 等［16］試驗研究了一個水加熱系統，測得出口流體溫度和熱效率分別持續超過50 ℃和35%，由于光伏電池溫度較高，達到55～70 ℃，因此電效率較低，為10%。PV/T 熱水系統由平板水型PV/T 集熱器和熱水儲罐組成，即使在太陽輻照度較低的情況下，也能獲得熱水用于溶液再生。HUANG 等［17］通過試驗研究了一種無玻璃板式和管式PV/T 熱水系統，在固定流量的情況下，測的水箱水溫最高接近50 ℃。在測試期間，觀察到電效率穩定在9%左右，而熱效率隨環境條件變化在12%到44%之間。為了進一步提高水箱的使用水溫，TRIPANAGNOSTOPOULOS 等［18］在板式和管式平板PV/T 集熱器上加了一個玻璃罩，其出水溫度達到60～70 ℃，水箱中30 升的水溫度保持在45～60 ℃將近一天。對于玻璃箱通道PV/T 集熱器的設計，CHOW 等［19-20］的試驗表明，水箱水溫在一天中可以達到50 ℃，到一天結束時進一步上升至60 ℃。

對于空氣型和水型平板集熱器來說，從入口到出口，流體的溫升（ΔT）范圍為25～35 ℃。在某些情況下，水型PV/T 系統的入口流體溫度可能低于空氣型PV/T 系統。由此產生的可用流體溫度在30～65 ℃的范圍內，電效率和熱效率的性能合理。此外，有些研究者則通過減小流體流量和降低集熱器通道高度來提高可用流體溫度，結果發現，隨著流體流量的減小，電效率和熱效率均降低，但可以獲得更高的流體溫度。而降低集熱器通道高度后，流體溫度、電效率以及熱效率均獲得了增加［21-26］。

PV/T 集熱器的設計和運行是對流體溫升和集熱器性能效率的權衡，在PV/T 溶液除濕空調系統中，PV/T 集熱器的運行和設計必須以溶液再生為目的進行優化。針對傳統集熱器出水溫度較低不能很好驅動溶液再生的問題［27-30］，研究者們通過減小流體流量、降低集熱器通道高度以及添加玻璃罩等方式提高可用流體溫度。然而，采用改變光伏覆蓋率而生產適合溶液再生高溫熱的方式卻鮮有報道。本研究將PV/T 組件替代了傳統集熱器，并通過適當降低光伏覆蓋率來探究該太陽能溶液再生系統的可行性。該系統在滿足溶液再生的條件下，還可以實現全年發電和非除濕季節供應熱水的三種用途，且PV/T 組件可以更有效地利用整個太陽光譜，提高太陽能的利用率，同時實現光熱和光電利用，充分開發溶液再生系統的全年使用性。

1 系統組成

1.1 系統原理

如圖1 所示，除濕空調中的稀溶液經溶液泵送至換熱器進行加熱，溫度升高后的稀溶液進入再生器與經風機送入的再生空氣直接接觸進行熱質交換，完成再生，換熱器中的熱量由PV/T 系統提供。

圖1 PV/T 溶液再生系統原理Fig.1 Schematic diagram of PV/T liquid regeneration system

針對如何提高PV/T 系統的出口溫度來更好地驅動溶液的再生這一關鍵問題。本文設計并搭建了PV/T 系統試驗臺，對不同光伏電池覆蓋率下PV/T 系統的性能進行了試驗研究。試驗系統主要包含用于模擬太陽能的矩陣式太陽能模擬器、覆蓋率為50%和90%的PV/T模塊、循環水箱、循環水泵及可調節負載，以及太陽輻照測試儀、PT100 鉑熱電阻、銅-康銅T 型熱電偶、轉子流量計、電流傳感器、電壓傳感器等測量儀器。試驗系統如圖2 所示。

圖2 PV/T 試驗系統Fig.2 PV/T experimental system

1.2 試驗裝置及設備

本次試驗采用的PV/T 模塊結構如圖3 所示。其包括光伏組件、集熱板、流動管路、保溫結構、結構框架等。光伏板頂端覆蓋超白壓花鋼化玻璃，尺寸為1 644 mm×985 mm×6 mm。包含60 塊尺寸為156 mm×156 mm×3.2 mm 的多晶硅電池，覆蓋率為90%；36 塊，覆蓋率為50%。使用去掉玻璃蓋板后尺寸為1 990 mm×985 mm×80 mm 管板式集熱板作為集熱模塊，集熱模塊共有七條直徑為10 mm 的流道。

圖3 PV/T 模塊結構示意Fig.3 PV/T module structure diagram

在模塊側面和背面敷設30 mm 厚保溫巖棉，最后用金屬框架將光伏板、集熱板、集熱管、保溫層固定（中間空氣夾層厚度為2.8 cm）即完成PV/T 模塊的組建。將集熱板超出光伏板的部分用橡塑保溫板包住，并粘貼鋁箔紙以防止太陽輻射直接對集熱板產生影響。

系統中使用矩陣式太陽能模擬器來模擬太陽能，采用12 組獨立氬燈作為光源，有效輻照面積為1.5 m×2 m，光譜分布為B 級，光的不均勻度和不穩定度均為5%，輻照度可以在300～1 200 W/m2之間調節，試驗時調整每一個氬燈或者調整十二個氬燈總體的亮度來改變輻照度，研究不同輻照度下PV/T 系統的性能。

試驗中采用銅—康銅T 型熱電偶（±0.1 ℃）測量PV/T 組件蓋板表面與背板溫度，覆蓋率為50%和90%的光伏板分別設置11 個和5 個均勻分布的測點；環境溫度測點位于距離地面1 米的非太陽能模擬器能夠照射的背陰處；組件進出口水溫和儲熱水箱內的水溫測量選擇四分螺紋式PT100 鉑電阻溫度傳感器，水箱內水溫測量位置是在水箱內部0.15 m 高度的中軸線上；各溫度多次測量后取平均值。使用直流電流傳感器和直流電壓傳感器測量PV/T 模塊輸出的電流和電壓，其工作溫度為-10～70 ℃，測量精度為±0.5%，利用數據采集儀采集電流、電壓傳感器所輸出的信號。使用玻璃轉子流量計測量并控制循環水流量，測量范圍為60～420 L/h，精度為±4%。太陽輻照度采用總輻射表及其主機進行測量，具體參數見表2。

表2 總輻射表及主機參數表Tab.2 Table of total radiation and host parameters

2 PV/T 系統性能評價指標

2.1 光電效率

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收的太陽輻射量之比為PV/T 組件的瞬時光電效率ηe：

2.2 光熱效率

PV/T 組件在穩態條件下運行時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：

2.3 綜合效率

PV/T 組件的輸出既有電也有熱，因此評價時要比單獨評價太陽能集熱器集熱性能或光伏電池發電性能復雜。多數學者采用光電效率ηe與光熱效率ηth之和作為光電和光熱的綜合效率ηza（記為綜合效率a）：

3 不確定性分析

試驗過程中，電壓值、電流值、太陽輻照度由測試儀器直接測量獲得，其誤差為直接測量誤差，由測試儀器的精度決定。通過計算得到的光電效率、光熱效率的誤差為間接測量誤差，可由下式計算得到：

式中 Δy/y —— 由測量儀器測量的自變量構成的函數的相對誤差；

Δy —— 由測量儀器測量的自變量構成的函數的絕對誤差；

f ——測量儀器測得的自變量構成的函數；

x1，x2，…，xn—— 測量儀器測量的自變量；經過計算，光電效率、光熱效率的最大相對誤差分別為5.7%，8.1%。

4 試驗結果分析

4.1 光熱性能

圖4 示出了不同輻照度下，覆蓋率為50%和90%的PV/T 系統的集熱效率及水箱溫度。從圖中可看出，不同輻照度系統的集熱效率均先增大，后趨勢變緩至平衡；且覆蓋率為50%PV/T 系統集熱效率始終大于90%覆蓋率PV/T 系統；水箱中的水溫均隨著試驗時間增加而呈上升趨勢，覆蓋率為50%的PV/T 系統上升速率更大，水箱終溫更高。因此，在相同的輻照度和照射時間內，50%覆蓋率PV/T 系統更能提高水箱水的終溫，溫升可平均提升27.3%。在不同輻照度下，50%覆蓋率PV/T 系統相較于90%覆蓋率PV/T 系統在光熱性能上有所提升，集熱效率可平均提升9.17%。其中，在1 100 W 輻照度下，50%覆蓋率PV/T 系統水溫可達62.5 ℃，平均集熱效率可達47.93%。

圖4 不同覆蓋率PV/T 系統光熱性能對比Fig.4 Comparison of photothermic performance of PV/T systems with different coverage

4.2 光電性能

在各個輻照度下覆蓋率為50%和90%的PV/T 系統光電效率、光伏板平均溫度隨試驗時間的變化如圖5 所示。

圖5 系統光電效率、光伏板平均溫度對比Fig.5 Comparison of system photoelectric efficiency and average temperature of PV panels

輻照度相同時，覆蓋率為50%和90%的PV/T系統輸出電功率均隨模塊溫度上升而下降，同樣系統光電效率也隨模塊溫度上升而下降。在不同輻照度下，PV/T 模塊板面溫度開始時增長較快后逐漸減緩，最后溫度趨于穩定，且覆蓋率為50%光伏處模塊溫度＞50%透明處模塊溫度＞90%光伏處模塊溫度。系統的光電效率均隨模塊溫度升高而下降，由于板面溫度升高會使光伏板光電效率降低，因此，50%覆蓋率PV/T 光電效率略小于90%覆蓋率PV/T。

在不同輻照度下，50%覆蓋率PV/T 系統光電性能較90%覆蓋率PV/T 系統稍有降低，降低幅度平均為5.64%。其中，在1 100 W 輻照度下，50%覆蓋率PV/T 系統平均光電效率為10.96%。

4.3 綜合性能

圖6 示出了不同輻照度下系統光熱效率、光電效率和綜合效率的變化。

圖6 系統光熱效率、光電效率和綜合效率隨輻照度變化Fig.6 Variation of system photothermic efficiency，photoelectric efficiency，and comprehensive efficiency with irradiances

從圖6 可知，不同輻照度下50%覆蓋率PV/T系統和90%覆蓋率PV/T 系統的光熱效率、光電效率和綜合效率均隨輻照度增大而增大。50%覆蓋率PV/T 系統的光電效率略小于90%覆蓋率PV/T 系統，而50%覆蓋率PV/T 系統的光熱效率大于90%覆蓋率PV/T 系統，50%覆蓋率PV/T系統綜合效率較90%覆蓋率PV/T 系統平均提升7.5%。其中，在1 100 W 輻照度下，50%覆蓋率PV/T 系統綜合效率平均值為58.86%。

5 結論

（1）在1 100 W 輻照度下，50%覆蓋率PV/T系統水溫可達62.5 ℃，平均集熱效率可達47.93%，平均光電效率為10.96%，綜合效率平均值為58.86%。

（2）在同樣的輻照度和照射時間內50%覆蓋率PV/T 系統相較于90%覆蓋率PV/T 系統溫升和光熱效率分別可平均提升27.3%和9.17%，光電效率平均降低5.64%，綜合效率平均提升7.5%。

（3）在溶液除濕空調中應用PV/T 系統并適當降低PV/T 系統光伏覆蓋率可以更好的驅動溶液再生。