太陽能光電/光熱組件串聯供熱系統試驗研究與分析

童維維 方 浩 陶文祥

（1．南京市第二建筑設計院有限公司，江蘇 南京 210000；2．安徽建筑大學，安徽 合肥 230601）

0 引言

中國政府提出在2060年前，實現碳中和目標，在該背景下，提高太陽能、風能等清潔能源的利用率對節能減排意義重大。目前，市場中太陽能空氣、水集熱器存在光熱轉換效率低、功能單一以及無法實現能源高效率利用等問題。太陽能光電/光熱組件（Photovoltaic/Thermal，PV/T）在通過循環工質吸取熱量并冷卻光伏電池提高發電效率的同時，還可以獲取熱能，可以實現高效利用太陽能的目標。PV/T集熱組件與其他系統結合靈活方便，冬季可為暖通設備提供熱源，全年可以提供電能。

目前，有關PV/T集熱組件的研究多為單個模塊，有關組件的串聯研究較少，考慮光伏組件對太陽輻照的阻礙作用，PV/T組件的熱效率往往偏低，使熱水收集溫度不能滿足用熱需求，系統的實用性較低。

因此，該文針對存在的問題提出一種由太陽能光電/光熱組件構成的串聯供熱系統，以改善熱能的收集效果。通過搭建串聯系統試驗平臺，探究串聯系統在試驗中單個組件的電熱特性以及流量因素對串聯系統熱效率的影響，為光電/光熱串聯供熱系統的實際應用工程提供一定的理論分析和參考價值。

1 試驗平臺

串聯供熱系統由3塊完全相同的光電/光熱組件從左至右順次連接而成，以下進上出的方式共同加熱水箱中的循環水，系統的試驗平臺位于合肥市。光電/光熱組件由玻璃蓋板、光伏電池單元、吸熱板、銅管、集熱水箱和隔熱層等構成。單塊組件的玻璃蓋板采用3.2 mm的減反射鍍膜鋼化玻璃，吸熱板與光伏背板通過EVA進行粘合，吸熱板背面銜接7根外直徑為10 mm的支銅管。光伏面板背部的豎排換熱銅管用于吸收光伏電池熱量，維持組件處于較低的工作環境溫度，利于展現更高的電性能。太陽能光伏電池由72 個單元組成，每個15單元發電容量為4.58 W。光伏面板的總面積為1.759 m，其外形尺寸長1 950 mm，寬990 mm，高40 mm。為提高系統光熱效率，得到更高的供熱水溫度，采用玻璃纖維作為隔熱保溫層對組件背部及四周進行保溫，保溫層厚度分別為45 mm、30 mm。系統整體表面積為5.79 m。其中，光伏電池的總面積約為5.27 m，峰值功率可以達到990 W。串聯系統采用主動式循環，各水流進出口以及光伏組件均設有熱電偶用于實時監測溫度的變化，溫度測點均采用銅-康銅熱電偶（其精度為±0.5 ℃）。環境溫度、太陽輻照強度以及集熱器安裝等均符合《太陽能集熱器熱性能試驗方法》（ GB/T 4271—2007 ）標準。太陽能輻照儀與集熱器處于同一平面安裝，環境溫度測試點離地1.1 m，集熱器安裝角度正南方向與地面夾角35°。利用輻照儀（TBQ-2）測量太陽輻照強度，借助電流傳感器、控制器、逆變器以及蓄電池等設備收集光伏板產生的電能，通過數據采集儀接收并儲存各項數據，系統的流程與構造如圖1所示。

圖1 串聯系統結構示意圖

2 系統性能評價

2.1 光熱性能評價

光熱效率可以評價系統的集熱性能表，將其定義為集熱水箱內水全天增加的熱量與串聯系統表面所獲得的太陽輻照總量的比值，如公式（1）所示。

式中：為水箱內水的質量，kg；為水的比熱容，J/（kg·K）；Δ為保溫水箱全天最高水溫與最低水溫的差值，K；為太陽輻照量，W/m；為系統的有效采光面積，m。

2.2 光電性能評價

光電效率能夠反映系統的電性能，將其定義為系統光伏組件產生的總電量與照射到系統光伏面板上輻照總量的比值，如公式（2）所示。

式中：為太陽能電池組件的輸出電壓，V；為太陽能電池組件的輸出電流，A；A為光伏組件總面積，m。

光電/光熱系統能夠同時獲得熱能和電能，而電能是高品位能源，結合綜合效率更適合評估系統的工作性能，如公式（3）所示。

式中：η 為太陽能綜合利用效率；為光伏板的填充系數；η為電廠中熱能與電能的換算系數，η=0.38。

3 試驗結果及分析

3.1 串聯系統試驗

在晴朗天氣條件下進行試驗，試驗日期為10月30日，8：00開始，16：00結束，選取流量為0.10 m、循環水體積為270 L的試驗工況分析串聯系統各組件的光電/光熱特性。測試當天輻照強度和環境溫度的變化趨勢如圖2所示，組件單位面積的全天輻照量為17.18 MJ，環境溫度平均溫度為22.99 ℃。

圖2 輻照強度與環境溫度全天變化趨勢（0.10 m3/h）

系統中各組件電功率與水流出口溫度隨時間變化的曲線如圖3所示。由圖3可知，對串聯系統來說，不同組件對應的電功率及出口水溫存在差異，在試驗中，組件1的平均電功率最高，為193.47 W，組件3的平均電功率最低，為180.69 W。組件3的全天出口平均水溫最高，達到30.53 ℃，而組件1的全天出口平均水溫僅有27.44 ℃。其原因是水流從組件1至組件3不斷被加熱，換熱銅管內循環水溫度不斷被加熱，溫度逐漸升高，出口溫度也隨之升高，而較高的水流溫度會降低光伏電池的轉換效率，因此出現沿水流加熱方向組件電功率逐漸降低，而出口水溫逐漸升高的情況。

圖3 系統各組件電功率與水流出口溫度變化趨勢

電效率和水箱溫度數據如圖4所示，組件1、組件2和組件3的全天平均電效率分別為18.21%、17.41%和17.10%，在同等環境工況下，組件的高電功率表明對應更高的電效率，系統的全天平均電效率為17.57%。不僅如此，系統運行期間內水箱溫度從最低的18.14 ℃升至最高的36.75 ℃，全天溫升達到18.61 ℃，系統整體熱效率為24.64%，綜合效率可以達到70.88%?？梢?，與單個組件相比，光電光熱組件的串聯系統不僅增加了電能輸出量，而且水溫也會升高。

圖4 系統電效率與水箱溫度變化曲線

綜上所述，在由光電/光熱組件構成的串聯系統中，各組件電性能和熱性能的變化趨勢是不同的，隨著水流不斷被加熱，后置的組件具有更高的水流出口溫度，而光伏電池受較高的水溫影響，沿水流方向組件的電效率和平均電功率均會出現下降的現象，不利于后置組件輸出更高的電能。串聯組件的電能和熱能輸出量雖然比單個組件有大幅提升，但j考慮后置組件的綜合性能會受較大的影響，因此串聯數量不宜過多，以免導致整體性能偏低。

3.2 流量對系統影響分析

為探究流量因素對光電/光熱組件串聯系統工作性能的影響，該文對不同流量（0.15 m/h、0.30 m/h和0.45 m/h）工況開展了相關試驗。在不同流量工況下電池與水箱溫度變化曲線如圖5所示，結合曲線可以發現，提高運行流量，光伏電池的平均溫度顯著降低。流量0.15 m/h、0.30 m/h和0.45 m/h對應的光伏電池表面平均溫度分別為46.54 ℃、43.50 ℃和41.79 ℃，增大流量能夠使光伏電池的更多熱量被吸收轉換，增加熱能收益。然而，在增大流量的同時，水箱溫升會逐漸降低，其原因是增大循環流量縮短了水流與銅管間的換熱時間，水流溫度比低流量運行低。因此，綜合考慮系統的電效率以及水溫，系統的循環流量不宜過大也不應過小，中間流量值較為合適。

圖5 不同流量工況電池與水箱溫度變化曲線

不同流量工況所對應的試驗數據對比結果見表1。由表1可知，流量的大小影響系統的電熱性能，增加運行流量能夠提高系統的電效率，但熱效率會隨之下降，電熱效率存在相互制約的現象。整體來看，流量越低，系統的綜合性能表現更好，流量為0.15 m/h的系統的綜合效率為68.52%。因此流量大小的取值需要考慮系統整體運行的經濟性，使系統的綜合效率處于較高的水平。

表1 不同流量工況試驗數據統計

4 結語

對太陽能光電/光熱組件串聯供熱系統進行試驗，并結合數據分析的結果可得到以下4個結論：1）在光電/光熱組件的串聯供熱系統中，不同組件的工作性能存在差異，前置組件的電效率較高，而后置組件受水流溫度的影響，電性能有所降低，綜合效率下降。2） 組件構成的串聯系統的電能、熱能輸出量比單個組件高，但串聯數量不宜過多，否則將影響系統整體運行的經濟性。3） 流量是影響串聯系統工作的重要因素，提高運行流量，組件光伏電池的表面溫度降低，電性能更優異，但熱效率隨流量的增加逐漸降低。4）對串聯系統來說，流量設置不宜過大，降低流量有利于獲得更高的綜合效率。