热管式PV/T热水系统性能的实验研究

陈红兵，　张　磊，　王　起，　陈希琳

(北京建筑大学 环境与能源工程学院， 北京　100044)



热管式PV/T热水系统性能的实验研究

陈红兵，张磊，王起，陈希琳

(北京建筑大学 环境与能源工程学院， 北京100044)

摘要：搭建了热管式PV/T(photovoltaic/thermal)热水系统的实验装置，测试了太阳辐射强度、室外空气温度、联箱入口水温和循环水量等因素对系统性能的影响. 结果表明：由于光伏电池覆盖率高和PV板背板材料导热性能低，系统热效率低于30%；随着太阳辐射强度和室外空气温度的增加，系统的热效率线性上升，电效率线性下降；联箱入口水温和循环水量对系统的热性能影响明显，对电性能影响不大.

关键词：热管; PV/T集热器； 热效率； 电效率

国内外的学者对影响PV/T结构的因素进行了大量的研究. Meysam Moradgholi和Seyed Mostafa Nowee等[1]采用热管建立了一种新型的PV/T系统，分别在春天和夏天研究了系统性能的全天变化情况. 在春天平均发电效率为5.67%，相比传统的PV/T系统提高了16.35%；在夏天系统的平均电效率达到7.7%，平均热效率为45.14%. 实验证明，加装热管可以使PV/T系统具有更高的热效率和电效率. 朱绘娟、裴刚等[2]提出一种热管光电/光热综合利用系统，该研究主要对热管间距分别为80 mm和140 mm的PV/T系统进行热效率、电效率和光电光热综合效率的实验测试，并分析系统在晴朗天气和多云条件下的光电光热性能. Pei Gang，Fu Huide等[3]将导热性能较强的热管和太阳能集热器集成于一个单元之中建立了热管式PV/T系统的实验装置，通过实验及数值模拟分析了该系统光伏板温度、热管温度和水箱中水的温度以及系统的得热量、发电量的全天动态变化趋势，并解释了产生这种趋势的原因. 吴双应、张巧玲等[4]针对热管的高效传热特性和良好的防冻特性，将热管与光伏组件相结合，建立了太阳能光伏电-热一体化系统，并建立了系统的数学模型，对系统的温度场进行了求解. 该研究表明，电池板表面列数的增加会增大电池的温度和冷却水的出口温度，对系统的性能产生较大的影响. 符慧德[5]搭建了热管式PV/T系统的实验装置，并根据实验装置建立了数学模型，该研究利用验证后的系统模型，对系统在不同循环水流量、不同光伏电池覆盖因子、不同热管间距以及不同电池基板涂层材料下的性能进行优化计算和研究.

以上研究主要分析了热管式PV/T系统的全天动态变化情况和一些结构参数对系统性能的影响，对气象条件和循环水参数对系统性能影响的研究较少. 本文采用商业化PV板分析了太阳辐射强度、室外空气温度、联箱入口水温和循环水量等不同因素对系统性能的影响.

1实验装置介绍

热管式PV/T热水系统主要由热管式PV/T集热器、水箱、循环水泵、流量计和测试电路等组成，图1为热管式PV/T热水系统原理图，其中T为系统中的温度测点. 表1为各测试仪器的汇总表.

热管式PV/T集热器主要由PV板、热管、联箱、保温层等组成，图2为其断面结构示意图. 采用英利集团的YL200P- 23b型光伏板(光伏电池覆盖率0.95)，尺寸为1 310 mm×990 mm，背板材料为白色TPT板，用导热硅胶将热管的蒸发端粘贴在PV板的背面，为增强传热效果，用薄铝板包卷着热管并粘贴在PV板背面，保证热管与PV板和薄铝板的良好接触，减小接触热阻，相邻两根热管的间距为75 mm，热管的冷凝端插入联箱中的铜套管内. 在薄铝板外粘贴一层厚度为50 mm的橡塑海绵保温板.

当系统运行时，热管式PV/T集热器中的光伏板将接收到的一部分太阳能转化为电能，通过与电阻相连形成电路测试其电功率，其余的大部分太阳能则被光伏板吸收并转化为热能，光伏板温度升高. 热量经过光伏板背板、导热铝片传递给热管蒸发端，热管内的工作液体受热蒸发向热管冷凝端迁移，并最终在冷凝端冷凝放热，将热量传给联箱中的水，使冷水升温.

2系统性能评价及实验测试

2.1系统性能评价

电效率的计算公式为：

综上所述，大红柳滩地区金矿开采过程中，应以保护环境为基础，提升地区经济发展。在开采中会对环境产生一定的负效应，相关企业和人员需要提升对环境保护的重视度，保持生态环境与经济利益的平衡发展，确保金矿开采科学性和合理性，最大程度降低因开采金矿产生的环境问题。结合金矿开采实际情况，对地质环境、水资源等进行分析，采取针对性措施，降低负效应，全面抓紧金矿开采管理规范，保护环境，促进经济与生态的可持续发展。

(1)

式中：E为电功率(W)；G为太阳辐射强度(W/m2)；Apv为光伏电池的面积.

热效率的计算公式为：

(2)

式中Q为集热量(W)：Q=mwCpw(Tw,out-Tw,in)，其中mw为系统中循环水的质量流量(kg/s)；Tw,out，Tw,in为联箱中水的进出口温度(℃)；Ac为光伏板的集热面积.

2.2实验测试

本实验于2014年9～11月在北京建筑大学(东经116.5度，北纬39.9度)进行. 实验中光伏板的朝向为正南，安装倾角为30°. 实验数据采集从上午8:00开始，到下午16:30，数据采集间隔为2min. 测试工况汇总见表2.

表2　测试工况汇总表

3实验结果及分析

3.1太阳辐射强度对系统性能的影响

图4表示的是太阳辐射强对热管式PV/T热水系统的热功率和热效率的影响. 从图中可以看出，随着太阳辐射强度的升高，系统的热功率和热效率呈上升的趋势，当太阳辐射强度从398.7W/m2升高到729.3W/m2时，热功率和热效率分别从138.9W和27.0%升高到302.1W和32.2%. 辐射强度每升高100W/m2，其热效率增加1.6%. 本文所研究系统的热效率在30%左右，文献[1]中热管式PV/T系统平均热效率为45.4%，而文献[2]中热管光电光热综合利用系统的热效率在40%以上. 与其他研究相比本研究的热效率则低于其他研究的数值. 这是因为本研究的光伏电池覆盖率较高，背板获得的太阳直射的热较少，并且背板材料为白色TPT，相比于黑色TPT背板材料其吸收率较低.

图5表示的是太阳辐射强度对光伏板表面温度、电功率和电效率的影响. 由图可知，当太阳辐射强度增大时，系统的电功率和光伏板表面温度会呈现上升的趋势，而系统的电效率则呈现下降的趋势. 当太阳辐射强度从398.7W/m2升高到729.3W/m2时，电功率从65.7W升高到91.5W，光伏板的表面温度从42.4 ℃升高到56.8 ℃，而系统的电效率则从12.8%下降到10.7%. 辐射强度每升高100W/m2，其电效率下降0.6%. 这是因为光伏板表面温度会随着太阳辐射强度的增大而升高，光伏板的内阻也会因此而增大，从而导致光伏板的光电转化效率降低. 但是光伏板的光电转化效率降低的幅度较少，电功率受太阳辐射强度的影响较大，所以电功率会出现上升的趋势. 本文所研究系统电效率的平均值在12%左右，文献[1] 中热管式PV/T系统在夏天的平均电效率为7.7%，而文献[2]中热管光电光热综合利用系统的日平均电效率为10%. 与其他研究相比本研究的电效率处于较高的水平. 由于所用光伏板材料、系统形式和测试环境的差异，本研究的数值与其他研究的数值没有完全的可比性. 无冷却装置的光伏板在平均太阳辐射强度为730W/m2左右时光伏板平均温度一般在80 ℃左右，而本研究在平均太阳辐射强度为729W/m2时光伏板的平均温度为55.1 ℃，光伏板的平均温度降低25 ℃左右，其发电效率的大约提高了1.5%.

3.2室外空气温度对系统性能的影响

图6表示的是室外空气温度对系统的热功率和热效率的影响. 由图可知，系统的热功率和热效率均随着室外空气温度的升高而增大. 当室外空气温度由5.2 ℃升高到20.0 ℃时，热功率从79.5W增加到231.5W，热效率从8.9%增加到25.8%. 室外空气温度每上升1 ℃，热效率增加1.14%. 产生这种现象的原因为：室外空气温度的升高，使光伏板与环境之间的换热温差和系统中循环水的换热温差减小，系统向周围环境的放热量减少，即减少了系统的热损失，所以系统的热功率和热效率会随室外空气温度的升高而增大.

图7表示的是室外空气温度对电功率、电效率和光伏板表面温度的影响. 由图可知，光伏板的表面温度随着室外空气温度的升高而升高，而系统的电功率和电效率均随着室外空气温度的升高而出现缓慢下降的趋势. 当室外空气温度从5.2 ℃升高到20.0 ℃时，光伏板的表面温度从29.4 ℃上升到39.0 ℃，电功率和电效率分别从105.7W和12.5%降低到100.5W和11.8%. 在室外空气温度的影响下电效率和热效率二者为反比的关系. 这是因为，在其他条件不变的前提下，仅增加室外空气温度，不利于光伏板的散热，光伏板温度因此上升，从而使光伏电池内阻变大，导致电效率降低，却能提高系统的集热量，使热效率增加，这是事实. 然而在实际中却可以采取一定的措施，在提高热效率的同时不降低系统的电效率，比如增加热管的数量，或者采用传热性能较好的热管.

3.3联箱入口水温对系统性能的影响

图8表示的是联箱入口水温对系统的热功率和热效率的影响. 系统的热功率和热效率均随着联箱入口水温的升高而下降. 当联箱入口水温从24.3 ℃升高到38.8 ℃时，热功率从221.1W下降到17.0W，热效率从26.6%下降到2.1%. 入口水温每升高1 ℃，热效率下降1.68%. 这是因为联箱入口水温的升高减小了热管与水之间的换热温差，使系统的集热量减少.

图9表示的是联箱的入口水温对系统的光伏板表面温度、电功率和电效率的影响. 从图中可以看出光伏板表面温度、系统的电功率和电效率受联箱入口水温的影响很小. 联箱的入口水温从24.3 ℃升高到38.8 ℃时，光伏板表面温度维持在52 ℃±2 ℃范围内，系统电效率和电功率分别在12 ℃.0±0.3%和92W±2W范围内. 其原因为：虽然热效率随联箱入口水温的增加会呈现下降的趋势，但是循环水从集热器获取的热量占光伏板总得热量的比例较小，热功率不会对光伏板的温度产生较大的影响，所以电功率和电效率变化较小.

3.4系统的循环水量对系统性能的影响

图10表示的是系统的循环水量对热功率和热效率的影响. 由图可知，热功率和热效率均随着系统循环水量的增大而增大. 当系统循环水量从2L/min增加到10L/min时，热功率从172.2W增加到291.4W，热效率从19.2%增加到31.7%. 其原因是循环水量的增大会强化联箱内循环水与热管之间的换热，从而使热功率和热效率均呈现上升的趋势.

图11表示的是系统循环水流量对系统电功率、电效率和光伏板表面温度的影响. 从图中可以看出，与联箱的入口水温类似，系统循环水量对光伏板表面温度、系统的电功率和电效率的影响很小. 当系统的循环水量从2L/min增加到10L/min时，光伏板表面温度一直维持在50 ℃±2 ℃范围内，从而使得系统的电功率和电效率分别维持在在93W±3W和11.5%±0.5%范围内. 其原因与联箱入口水温对系统的电功率和电效率影响较小的原因相似.

3.5实验误差分析

表3为4个测试工况的各项性能参数的相对误差，该相对误差是将每个点的平均值作为真值得到的各项数据误差值. 从表中可以看出热功率和热效率的相对误差较大，但是最大误差都保持在±20%左右，其他各项参数的相对误差保持在±5%之内. 因此本研究中的实验值具有较高的准确性，实验数据较为可靠.

表3　各工况的相对误差　%

4结论

本文对热管式PV/T热水系统的性能进行了实验研究，测试分析了太阳辐射强度、室外空气温度、联箱的入口水温和系统的循环水量对系统性能的影响，得到以下主要结论：

1) 本文热效率大多在30%左右，低于预期值，其主要原因是，一方面由于PV电池覆盖率高，超过95%，集热背板获取太阳直射得热少；另一方面，PV板背板采用常规的白色TPT板，与黑色TPT板和金属板相比，导热性能差一些；

2) 太阳辐射强度和室外空气温度对系统的热电性能有明显的影响. 随着太阳辐射强度和室外空气温度的增加，系统的热效率线性上升，电效率线性下降；

3) 联箱入口水温和系统循环水量对系统的热性能影响明显，随着入口水温的升高，热效率线性下降，随着循环水量的增加，热效率线性上升. 但入口水温和循环水量对电性能影响很小.

参考文献：

[1]Meysam Moradgholi, Seyed Mostafa Nowee, Iman Abrishamchi. Application of heat pipe in an experimental investigation on a novel photovoltaic/thermal(PV/T) system[J].Solar Energy.2014(107):82-88

[2]朱绘娟,裴刚.不同管间距热管PV/T系统中光电/光热性能的对比研究[J].2013,34(7):1172-1176

[3]Pei Gang, Fu Huide. A numerical and experimental study on a heat pipe PV/T system[J]. Solar Energy, 2011, 85(5):911-921

[4]吴双应,张巧玲,肖兰，等.采用热管冷却技术的太阳能光伏电- 热一体化系统性能分析[J].中国电机工程学报,2011,31(32):137-144

[5]符慧德.热管式光伏光热综合利用系统的理论和实验研究[D].合肥：中国科技大学,2012

[责任编辑：王志兵]

Experimental Study on the Performance of Heat Pipe PV/T Hot Water System

Chen Hongbing, Zhang Lei, Wang Qi, Chen Xilin

(School of Environment and Energy Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044)

Abstract:The testing rig of heat pipe PV/T hot water system was established to test the effect of solar radiation, ambient temperature, water box inlet temperature and circulating water flow rate on energy performance. The testing results show that the thermal efficiency is less than 30% due to high PV cell coverage ratio and low thermal conductivity of base panel. With the increase of solar radiation and ambient temperature, the thermal efficiency increases linearly and the electrical efficiency decreases linearly. And the water box inlet temperature and circulating water flow rate have obvious influence on the thermal performance but less influence on the electrical performance.

Key words:heat pipe; PV/T solar collector; thermal efficiency; electrical efficiency

中图分类号：TK512+.4

文献标志码：A

作者简介：陈红兵(1977—)，男，副教授，博士，研究方向：太阳能光伏光热综合利用技术开发及其应用.

基金项目：北京市科技新星项目(2011029);北京市青年拔尖人才项目(CIT&TCD201304067)

收稿日期：2015-11-23

文章编号：1004-6011(2016)01-0059-06