积尘对光伏光热系统性能影响的实验研究

张星晨， 吕 建， 霍雨霞， 张帅兵

（1.天津城建大学 能源与安全工程学院， 天津 300384； 2.成都基准方中建筑设计有限公司北京分公司，北京 100123）

0 引言

Kern 于1978 年首次提出了光伏光热（PV/T）系统，该系统能够同时提供电量和热量[1]。PV/T 组件是PV/T 系统的关键部件，PV/T 组件内的流体可以从光伏电池板背面吸收热量， 以降低光伏电池工作温度，从而提升光伏电池发电效率[2]～[4]。 对于放置在室外的PV/T 组件，其表面会发生积尘，从而影响太阳光线的透过率， 最终影响PV/T 系统输出的电量和热量。

对于积尘对光伏组件和光热组件各项性能的影响，国内外学者进行了大量研究。在积尘对光伏组件各项性能的影响方面，Cabanillas 通过实验研究了自然积尘对3 种光伏电池板各项性能的影响， 发现单晶硅电池板和多晶硅电池板的最大电动势均降低了6%左右， 非晶硅的最大电动势降低了12%左右[5]。 Paudyal 从积尘密度和气象条件2个方面研究了积尘对光伏组件的影响，研究结果表明：与清洁光伏组件相比，积尘光伏组件的发电效率降低了29.76%；长时间的积尘对光伏组件具有较高的风险，可能会导致光伏组件永久损坏[6]。 在积尘对光热组件各项性能的影响方面，刘刚通过研究发现，与清洁的太阳能热水系统相比，半年未清洗的太阳能热水系统的日有用得热量降低了3.95%， 该系统的升温性能降低了3.19%～5.31%，该系统的日集热效率降低了4.05%[7]。

综上可知， 前人对积尘对光伏组件和光热组件各项性能的影响进行了大量研究。然而，对于积尘对PV/T 系统各项性能影响的研究相对较少。本文通过实验研究了积尘对PV/T 系统的光电效率、光热效率以及二者综合效率的影响，研究结果为PV/T 系统的运行和维护提供了参考。

1 PV/T 实验系统

1.1 实验系统

本实验利用各项性能均相同的2 组PV/T 组件搭建成积尘PV/T 系统和清洁PV/T 系统对比实验台。其中，清洁PV/T 系统记为A 组，积尘PV/T 系统记为B 组，二者的结构相同。对比实验平台设置在天津某实验楼五楼平台上，PV/T 组件的安装倾角为天津地区全年最佳倾角（45°），朝向为正南方向[8]。

实验系统的示意图如图1 所示。由图1 可知，实验系统主要由PV/T 组件、储热水箱、水泵、循环管路和白炽灯负载组成。 图2 为实验系统的实物图。 图3 为PV/T 组件结构示意图。 图3 中，微热管阵列是一种高效的热传输导热元件。PV/T 组件的最大输出功率为265 W，短路电流为9 A，开路电压为38.26 V，光伏板的长度为165 cm，宽度为100 cm。 储热水箱的材料为白硬塑料，几何尺寸为500 mm×500 mm×400 mm， 外侧敷设保温材料并贴有铝箔纸。

图1 实验系统的示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental system

图2 实验系统的实物图Fig.2 Physical diagram of the experimental system

图3 PV/T 组件结构示意图Fig.3 Structure diagram of PV/T module

测量仪器：SPDT/C 型安捷伦数据采集仪、TBQ-2C 型总辐射表、JJ124BC 型电子天平、铜-康铜T 型热电偶、MIK-DZI-10A 型直流电流传感器、MIK-DZU-40V 直流电压传感器和热水表。

1.2 实验系统测试内容

本实验对PV/T 组件的进、出口温度，电流，电压， 以及太阳辐射强度进行实时测量。 在实验前、后，对积尘密度进行称量和计算。 在储热水箱中心以及PV/T 组件进、 出口处分别布置了温度测点。环境温度测点设置在遮阳通风处，距离地面高度为1 m[9]。

实验过程中， 采用间接测量方法对PV/T 组件表面的积尘密度进行测量。具体的测量步骤：将玻璃标片（几何尺寸为140 mm×170 mm×6 mm）放置于PV/T 组件中心等高的支撑架上， 并使得玻璃标片的倾角与PV/T 组件相同； 每次实验前、后， 均采用高精度电子天平称量积尘玻璃标片的重量， 并计算积尘玻璃标片重量与清洁标片重量之间的差值。 积尘质量与玻璃标片表面积之比为PV/T 组件表面的积尘密度。

1.3 实验方案

本文中PV/T 组件的积尘方式为自然积尘。测试时间为2018 年4 月6 日9：00-16：00。 实验开始前，将2 组实验系统的储热水箱储满水，A，B 2 组PV/T 系统运行时，PV/T 系统内循环水的质量流量均为0.1 kg/s，循环水的初始温度相同。

2 PV/T 系统的理论分析及性能评价

2.1 理论分析

当太阳光线投射到PV/T 组件的玻璃盖板表面时，一部分被吸收、反射，一部分透过PV/T 组件盖板。PV/T 组件玻璃盖板表面所接收的太阳辐射能，一部分被光伏电池板吸收后转化为电能，并向外输出；一部分转化为热能。上述热能一部分被集热器中的冷却水吸收； 一部分以辐射换热和对流换热的方式散失到周围的环境中。

整个PV/T 系统的能量平衡关系式为

式中：Q 为PV/T 系统吸收的太阳辐射能，J；Qe为光伏电池板输出的电能，J；Qu为PV/T 系统的得热量，J；Qs为光伏电池板和集热器的储能，J；Qc为PV/T 系统的辐射换热损失，J；Qr为PV/T 系统的对流换热损失，J。

由于积尘颗粒属于非透明性固体， 因此会遮挡太阳光线。 若PV/T 组件表面存在积尘，其玻璃盖板表面所接受的太阳辐射能会减弱， 从而影响PV/T 系统的得热量和发电量。

2.2 性能评价指标

2.2.1PV/T 系统光电效率评价指标

当PV/T 组件在稳态条件下运行时， 该PV/T组件的实际发电量与其表面接收到的太阳辐射量之比为PV/T 系统的光电效率。 PV/T 系统光电效率ηe的表达式为

式中：P 为PV/T 组件的输出功率，W；ε 为PV/T 组件表面的覆盖因子；A 为PV/T 组件的面积，m2；E为太阳辐射强度，W/m2；V 为PV/T 组件的实时电压值，V；I 为PV/T 组件的实时电流值，A。

2.2.2PV/T 系统光热效率评价指标

当PV/T 组件在稳态条件下运行时， 该PV/T组件的实际得热量与其表面接收的太阳辐射量之比为PV/T 系统的光热效率。 PV/T 系统光热效率ηth的表达式为

式中：Q 为PV/T 组件的实际得热量，W；m 为PV/T 组件内循环工质的质量流量，kg/s；cw为PV/T 组件内循环工质的比热容，J/（kg·℃）；△T 为PV/T组件的进、出口温度差，℃。

2.2.3PV/T 系统光电光热综合效率评价指标

PV/T 系统输出的能量包括电能和热能，因此，对PV/T 系统的性能进行评价时，比单独评价太阳能集热系统和光伏系统复杂。PV/T 系统光电光热综合效率（以下简称为综合效率）ηz的表达式为

由于电能的品位比热能高，Huang 定义了新的PV/T 系统的综合效率ηpz， 该评价参数考虑了热能与电能的品味差[10]。 ηpz的表达式为

式中：ηpv为PV/T 系统的加权综合效率；ηpower为常规电厂的发电效率，取0.38。

2.2.4 下降率

光电效率下降率ξe的表达式为

式中：ηB，e为B 组PV/T 系统的光电效率；ηA，e为A组PV/T 系统的光电效率。

光热效率下降率ξth的表达式为

式中：ηB，th为B 组PV/T 系统的光热效率；ηA，th为A 组PV/T 系统的光热效率。

综合效率下降率ξz的表达式为

式中：ηB，z为B 组PV/T 系统的综合效率；ηA，z为A组PV/T 系统的综合效率。

光电效率下降率、光热效率下降率和综合效率下降率分别表征积尘对PV/T 系统光电效率、光热效率和综合效率的影响程度。

3 实验结果与讨论

3.1 不同状态下PV/T 系统实验分析

测试日， 太阳辐射强度和环境温度随时间的变化情况如图4 所示。

图4 测试日，太阳辐射强度和环境温度随时间的变化情况Fig.4 Changes of solar radiation intensity and ambient temperature with time on the test day

测试日，清洁、积尘状态下，PV/T 系统的光电效率、光热效率随时间的变化情况如图5 所示。本文若如无特殊说明，积尘密度均为1.56 g/m2。

图5 测试日，清洁、积尘状态下，PV/T 系统的光电效率、光热效率随时间的变化情况Fig.5 Changes of photoelectric efficiency and photothermal efficiency of PV/T system with time under clean and dust accumulation conditions on test day

由图4，5 可知，2 组PV/T 系统光电效率的变化趋势均与太阳辐射强度的变化趋势相似， 均呈现出先上升后下降的变化趋势， 只有在12：00 左右出现一个低值点， 这是由于12：00 左右太阳辐射强度较大，PV/T 组件流道中冷却水温度升高速度较快，导致PV/T 组件温度较高，因此，PV/T 系统光电效率较低。 由图5 还可看出，A 组PV/T 系统光电效率整体上高于B 组PV/T 系统，并且这2组PV/T 系统的光电效率均在13：30 左右达到最高值，A，B 组PV/T 系统光电效率的最大值分别为17.6%，16.1%。 由图5 可知，A，B 组PV/T 系统光热效率的变化情况基本相同， 整体上均呈现出先增大后减小的变化趋势， 这是由于从早晨到中午太阳辐射强度逐渐升高， 并且试验开始阶段PV/T 组件流道中循环水温度较低，因此，循环水的吸热效果较好， 导致PV/T 系统的集热效率逐渐升高。 到了中午，随着PV/T 组件流道中循环水温度逐渐升高，循环水吸收热量的能力逐渐下降，同时太阳辐射强度也逐渐呈下降趋势， 在这2 种因素的共同作用下，PV/T 系统的集热效率呈现出快速下降的变化趋势。A 组PV/T 系统的光热效率整体上高于B 组PV/T 系统，A，B 两组PV/T 系统的光热效率均在13：00 左右达到最高值，A 组PV/T 系统光热效率的最大值为58.68%，B 组PV/T系统光热效率的最大值为50.74%。

图6 为测试日， 是否考虑电能与热能的品位差时，清洁、积尘状态下，PV/T 系统综合效率随时间的变化情况。

由图6 可知，考虑、不考虑电能与热能的品位差时，A，B 组PV/T 系统综合效率随时间的变化均呈现出先上升后下降的变化趋势。A，B 组PV/T系统综合效率均在13：00 左右达到最大值。 由图6 还可看出，考虑电能与热能的品位差时，A，B 组PV/T 系统综合效率随时间的变化趋势与不考虑电能与热能品位差的工况大体相同。 考虑电能与热能的品位差时，A，B 组PV/T 系统综合效率整体上高于不考虑电能与热能品位差的工况。

图6 测试日，是否考虑电能与热能品位差时，清洁、积尘状态下，PV/T 系统光电光热综合效率随时间的变化情况Fig.6 Whether to consider the change of PV/T system photoelectric photo thermal comprehensive efficiency with time under the condition of clean and dust accumulation when considering the power and heat grade difference on the test day

结合上文的测试数据可以计算出， 积尘状态下，PV/T 系统光电效率下降率、光热效率下降率，以及是否考虑电能与热能的品位差时， 该PV/T系统的光电光热综合效率下降率（以下简称为综合效率下降率）。测试日，PV/T 系统的光电效率下降率、光热效率下降率，以及是否考虑电能与热能的品位差时，PV/T 系统的综合效率下降率随时间的变化情况，如图7 所示。

图7 测试日，积尘状态下，PV/T 系统不同参数下降率随时间的变化情况Fig.7 Variation of the decline rate of different parameters of PV/T system with time under dust accumulation state on the test day

由图7 可知， 积尘状态下，PV/T 系统的光电效率下降率、光热效率下降率，以及是否考虑电能与热能的品位差时，PV/T 系统综合效率下降率均呈现出先下降后上升的变化趋势， 这表明光照强烈时（11：00-15：00），积尘状态下，PV/T 系统光电效率和光热效率的衰减速率均较慢； 光照不强烈时（9：00-11：00，15：00-16：00），PV/T 系统光电效率和光热效率的衰减速率均较快， 这是由于强烈光照穿透积尘的能力较强。 积尘状态下，PV/T 系统光电效率下降率为9.24%～13.55%，光电效率下降率的平均值为11.15%；PV/T 系统光热效率下降率为13.54%～18.21%， 光热效率下降率的平均值为15.56%。 由此可见，PV/T 系统表面积尘对自身光热效率的影响大于对该系统光电效率的影响。 不考虑电能与热能的品位差时，积尘状态下，PV/T 系统综合效率下降率为12.51%～16.57%，PV/T 系统综合效率下降率平均值为14.17%；考虑电能与热能的品位差时，PV/T 系统综合效率下降率为11.56%～15.47%，PV/T 系统综合效率下降率的平均值为13.07%。

3.2 积尘密度影响实验

本文测试了5 种积尘密度条件下（积尘密度分 别 为0.49，0.73，0.95，1.21，1.56 g/m2），PV/T 系统的光电效率下降率、光热效率下降率，以及是否考虑电能与热能的品位差时，PV/T 系统的光电光热综合效率下降率， 得到了各参数的下降率随积尘密度的变化曲线以及相应的拟合方程。

图8 为PV/T 系统的光电效率下降率随积尘密度的变化情况以及相应的拟合曲线。 图8 中PV/T 系统光电效率下降率随积尘密度变化的拟合公式为y=3.820 11n（x）+9.519 3，相关系数的平方R2为0.998 5。

图8 PV/T 系统的光电效率下降率随积尘密度的变化情况以及相应的拟合曲线Fig.8 The change of photoelectric efficiency decline rate with dust density and the corresponding fitting curve of PV/T system

此外，PV/T 系统光热效率下降率随积尘密度变化的拟合公式为y=6.309 1ln （x）+12.72，R2为0.984 9； 未考虑电能与热能品位差时，PV/T 系统综合效率下降率随积尘密度变化的拟合公式为y=5.331 1ln（x）+11.723，R2为0.954 3；考虑电能与热能的品位差时，PV/T 系统综合效率下降率随积尘密度变化的拟合公式为y=4.224 7ln（x）+11.113，R2为0.982 1。 综上可知， PV/T 系统光电效率下降率、光热效率下降率，以及是否考虑电能与热能的品位差时， 该PV/T 系统的光电光热综合效率下降率，随积尘密度的变化趋势大体相同，均随着积尘密度的增大而增大。 此外，通过分析发现，当沉积密度较小时，各参数下降率的增速较快；当沉积密度较大时，各参数下降率的增速较慢。

3.3 积尘形态影响实验

由于外界条件、 自身属性的影响，PV/T 组件盖板表面的积尘常出现不同的积尘形态。 通常将灰尘形态分为松散积尘形态和粘结积尘形态。 表1 为不同积尘形态下，积尘密度以及PV/T 系统的各项性能的下降率。 表中粘结积尘形态实验在小雨天后的第二天进行。

表1 不同积尘形态下，积尘密度以及PV/T 系统各项性能的下降率Table 1 The decline rate of dust density and performance of PV/T system under different dust deposition forms

由表1 可知， 粘结积尘形态下的PV/T 系统光热效率下降率与松散积尘形态下的PV/T 系统光热效率下降率很接近，但粘结积尘形态下的PV/T 系统的光电效率下降率和综合效率下降率均大于松散积尘形态。

4 结论

本文通过对比实验， 研究自然积尘对光伏光热（PV/T）系统各项性能的影响，分析结论如下。

①与清洁状态相比， 当PV/T 组件表面积尘密度为1.56 g/m2时，PV/T 系统光电效率下降率为11.15%；PV/T 系统光热效率下降率为15.56%；不考虑电能与热能的品位差时，PV/T 系统综合效率下降率为14.17%； 考虑电能与热能的品位差时，PV/T 系统综合效率下降率为13.07%。

②测试日，PV/T 系统光电效率下降率、 光热效率下降率，以及是否考虑电能与热能品位差时，PV/T 系统综合效率下降率均呈现出先下降后上升的变化趋势。 PV/T 组件表面积尘对PV/T 系统光热效率的影响大于对该系统光电效率的影响。

③PV/T 系统的光电效率下降率、光热效率下降率， 以及是否考虑电能与热能的品位差时，PV/T 系统综合效率的下降率均随着表面积尘密度的增大而增大。 当积尘密度较小时，各参数下降率的增大速率均较快；随着积尘密度逐渐增大，各参数下降率的增大速率均逐渐减慢。

④粘结积尘形态下PV/T 系统的各项性能的下降率均大于松散积尘形态下的PV/T 系统。