一种快装式光伏光热一体化系统搭建及试验研究

国家太阳能光伏产品质量监督检验中心■ 余如龙无锡马丁格林光伏科技有限公司■ 陈晓高

一种快装式光伏光热一体化系统搭建及试验研究

国家太阳能光伏产品质量监督检验中心■ 余如龙*
无锡马丁格林光伏科技有限公司■ 陈晓高

研究一种快装式光伏光热(PVT)一体化热电联产系统，该系统将先进的微热管集热技术应用到分布式光伏发电领域，在不增加任何占地空间的基础上，快速实现真正的光伏光热一体化组件及热电联产系统。通过真实系统搭建，并经过试验数据验证，该系统不仅能够抑制太阳电池板工作时的温度升高，还能在一定程度上提高发电效率，光伏背板所产生的热能还可为用户提供热水需求，从而较大程度提高光电转换效率和低温热量利用率，实现更高的综合效率。

光伏发电；光热；热电联产

0　引言

太阳电池在将光能转换成电能的过程中，并不是将全部光能都转换成电能。理论研究表明，单晶硅材料的太阳电池在0 ℃时的转换效率理论物理极限为30％。在光强一定的条件下，当晶体硅电池自身温度升高时，输出功率将下降[1]。在标准条件下，晶体硅电池平均效率在15％～18％[2]，即太阳电池只能将部分光能转换成可用电能，其余都被转化为热能。在转换过程中，随着热能的增加，电池温度不断升高，除了光电转换效率大幅降低外(如图1所示)，太阳电池的使用寿命也将缩短。为尽可能使电池效率保持在较高水平，充分利用吸收的太阳辐射能源，同时避免热量对组件光电转换效率的影响，延长电池组件的使用寿命，可在光伏组件下方设置吸热板芯[3]，将光电转换过程中产生的热能吸收，并由热媒传递给外界集热系统，提供工业用热及建筑供热、通风、热水用途。

目前普遍的光伏光热一体化技术是在传统管板状集热结构上贴敷光伏电池。但传统的管板状集热结构复杂、传热肋片效率低、流道压损大，且通常利用导热硅胶或激光焊接与太阳电池板结合，接触热阻非常大[2,4]，对于已安装的太阳电池板无法进行有效的结合，因此，应用方式十分不灵活，至今无法大规模工程推广。

图1　不同温度下光伏组件的I-V曲线

本文旨在研究一种快装式光伏光热一体化热电联产系统，搭建一套2 kW分布式光伏光热(PVT)一体化系统，并通过试验验证系统的可行性和有效性。

1　系统及部件描述

1.1系统描述

本文研究的光伏光热一体化热电联产系统示意图如图2所示，主要包括光伏光热一体化组件和储能式双向并网逆变器。光伏组件产生的直流电通过逆变器转变成符合电网要求的交流电，供给负载使用或并入市电；吸热板芯紧贴光伏组件背板，通过循环超导热媒吸收余热，并产生热水储存至水箱中，从而实现双效太阳能采集的功能，达到热电联产的目的。

图2　光伏光热一体化热电联产系统示意图

1.2微热管板芯PVT的结构介绍

本文提及的PVT组件可快速从“光电组件”改造成“PVT一体化组件”(整个过程＆lt;10 min)，且不改变原太阳电池板任何部件，改装过程可逆、可拆卸。如图3所示，金属薄板式集热板芯和保温材料层通过金属固定夹与金属外框的背框配合，快速固定在光伏电池板背面与金属外框之间。

图3　微热管板芯PVT组件的结构图

2　系统工作原理

太阳能光伏光热一体化组件利用表面晶硅电池片吸收光能后产生电能，其产生的直流电能则通过控制器或逆变器转换成可直接使用的电能，一部分供循环泵或其他负载使用，另一部分电能直接储存至蓄电池或通过并网逆变器馈入市电。系统各组成部分容量按工程实际情况而定。

在吸收电能的同时，太阳电池板温度升高，温度较低的循环介质在循环泵的作用下，通过工质进口管路进入光电光热一体化组件的金属薄板式换热器，此时，太阳能热量将由太阳电池板传递至金属薄板式换热器中温度较低的循环工作介质，循环介质温度上升后通过工质出口管路返回至保温水箱中的盘管式换热器，与保温水箱中的低温冷水进行热交换，并将热量以热水的形式储存在保温水箱中。将热量传递给水后，工作介质温度降低，在循环泵的作用下开始下一次的循环过程。当水箱水温达到用户所需水平后，通过控制阀门可将热水送至用户。当水箱水量消耗下降后，控制阀门可开启进行冷水补给。

3　系统搭建及试验研究

基于上述思想，试验小组在无锡某单位屋顶安装搭建了一套2 kW光伏光热一体化系统。系统搭建说明：

1)系统由10块210 W单晶硅组件组成，每块组件后面铺设微热管集热板芯，通过循环水把光伏板后面的余热带到水箱，水箱容积为150 L。循环系统通过水泵驱动，系统配备一套控制柜，循环系统启动停止都由控制柜自动控制，当热水温度达到预设值(上限)时停止水泵，当热水温度低于预算值(下限)时启动水泵。

2)每块210 W组件的尺寸为1580 mm×808 mm×35 mm，工作电压29.8 V，工作电流7.05 A，光电转换效率16.3％，组件安装倾角为30°。

3)系统设计为10块组件串联，然后通过一台储能式双向并网逆变器，随后并入电网。工作时，光伏所发电量优先负载使用，剩余部分为蓄电池充电，充电满后才并入市电。系统储能部分为4块12 V/100 Ah免维护胶体蓄电池串联组串48 V系统。

图4　光伏光热一体化组件屋顶排布实景图

图5　光伏光热一体化项目现场图

4)为满足试验需求，在光伏板表面及背板、水箱等装有温度传感器，在逆变器输入输出端配有电流电压计量装置，可实时获取发电数据。同时，屋顶安装了一套环境气象监测仪，可监测太阳辐照、风速、风向等基本信息。

试验小组于2015年5月22日对系统进行了一天的观测，通过环境监测仪得到的测试数据为太阳辐照度H=14.5 MJ/(m2·d) ，环境温度Ta=27.7 ℃。图6为测试当天一天过程中太阳辐照度和环境温度的测试曲线。

图6 测试当天的太阳辐照度和环境温度

图7为测试当天的光伏发电功率和发电效率(以单块组件为单元分析)，可看出在10:00～14:00之间，太阳辐照最强，也是发电功率最好阶段。对于普通的纯光伏系统而言，这段时间组件背板温度很高，夏天时可达到60 ℃以上，根据光伏组件的特性(见图1)，如果没有降温，转换效率会明显下降。但对于本试验系统，由于通过集热采集将余热带走，发电效率一直维持在13％的高水平，如图8所示。

图7　测试当天的光伏发电功率和发电效率

通过图9可进一步看出，电池板温度得到明显控制，同时余热可在10:00～15:00时间段产生40 ℃以上的热水，最高水温可达50 ℃，完全可满足一般生活用热水需求(系统还可通过空气源热泵辅助加热，满足阴雨天用水需求，本文暂不做试验分析)。

由以上试验可知，改装后的光伏光热一体化系统可达到以下效果：1)将电池的温度控制在50 ℃以内；2)年发电平均效率相对提高30％；3)防止电池过热、热斑，延长电池板的寿命；4)实现约40％的电池板废热利用。

图8　不同环境温度下的集热效率(a)、发电效率(b)随入口温度变化

图9　PVT组件性能实际测试曲线

4　结论

本文研究了一种基于微热管的光伏光热一体化热电联产系统，该系统在不增加任何占地空间的基础上，可以快速实现光伏光热一体化系统，有效补集光伏电池作业时产生的余热，同时冷却光伏组件，降低其工作温度，提高光电转换效率和单位面积的产能，实现热电联产双重功效。通过真实系统搭建试验，验证了该系统可实现更高的综合效率的可行性。

[1] 邓桂芳. 透析太阳能资源化利用的环保节能新主张[J]. 电气工程应用, 2015, (4): 32-38.

[2] 季杰, 程洪波, 何伟, 等. 太阳能光伏光热一体化系统的实验研究[J]. 太阳能学报, 2005, 26(2): 170-173.

[3] 任社明, 张彦斐. 新型光伏/光热(PVT)一体化系统应用尝试[A]. 全国太阳能热利用行业(合肥)年会论文集[C], 2009, 128-131.

[4] 穆志君, 关欣, 刘鹏. 太阳能光伏光热一体化系统运行实验研究[J]. 节能技术, 2009, 27(157): 445-448.

2016-02-25

余如龙(1982—)，男，硕士，主要从事电力电子控制技术及光伏发电技术方面的研究。yurulong@cpvt.org.cn