不同玻璃盖板对吹胀式PV/T 组件的性能影响

张 乾， 庞 玮， 于洪文， 严 辉， 宋兴斌， 宋兴贞

（1.北京工业大学 材料科学与工程学院， 北京 100124； 2.山东桑乐太阳能有限公司， 山东 济南 250100）

0 引言

晶硅组件作为国际市场上应用最为广泛的光伏组件，具有生产工艺成熟、价格低廉等优点。 然而， 晶硅光伏组件的光电转化效率会随着自身温度的升高而下降，组件温度每升高1 ℃，输出功率下降0.4%～0.5%[1]。 在光伏组件的工作过程中，由于材料自身原因，光伏电池只能将大约20%的太阳辐射转化为电能，其余能量大部分转化为热能[2]。 因此，有研究人员提出了光伏/光热一体化（PV/T）技术[3]。 该技术通过光伏组件背面附加的集热器对光伏组件进行冷却， 并进一步将热能收集利用，实现热能、电能综合输出。

对于PV/T 系统来说，PV/T 组件的集热器结构是影响系统综合性能的关键因素之一。 常见的平板式PV/T 组件的集热器多采用板管式结构，这种结构能量效率低、热能损失较大[4]，[5]。 Touafek K 设计了一种采用镀锌钢制成的板管式PV/T 组件， 经过模拟和实验研究， 该组件的热效率仅为50%左右[6]。 Herrando M 通过COMSOL 软件对多种不同集热器结构的PV/T 组件进行了传热模拟分析，分析结果表明，扁盒式PV/T 组件比板管式PV/T 组件具有更好的光电、光热性能[7]。Aste N 等提出了新型吹胀式集热器结构的PV/T 组件，这种吹胀式集热器具有流道设计方便、 换热面积大等优点[8]，[9]。 Bombarda P 通过对比实验，对吹胀式和板管式结构的PV/T 组件进行了性能评估，评估结果表明， 吹胀式PV/T 组件的热效率比板管式PV/T 组件提高了约10%， 同时电效率提高了0.6%[10]。

除了集热器结构的影响外， 是否在PV/T 组件顶部加装玻璃盖板对PV/T 系统的综合输出特性影响也非常明显。Pang W 基于HIT 光伏组件分别设计了有无玻璃盖板两种PV/T 系统， 通过户外测试结果表明，无盖板PV/T 系统和有盖板PV/T 系统的平均电效率分别为12.19% 和11.37%，平均热效率分别为30.31%和40.62%[11]。Aste N 利用TRNSYS 软件对有无盖板PV/T 系统全年的产能情况进行了仿真计算，计算结果显示，无盖板PV/T 系统和有盖板PV/T 系统的年平均电效率分别为14.2%和6.0%，年平均热效率分别为20.8%和29.4%[12]。由此可见，在PV/T 组件顶部增加一层玻璃盖板有助于提升PV/T 系统的热效率，但是由于玻璃盖板减少了部分太阳入射光，因此组件的电效率下降[13]。就综合能效而言，加装玻璃盖板的PV/T 系统比无盖板PV/T 系统更具优势[14]。

目前， 太阳能领域采用的玻璃为具有高透光率的低铁玻璃，俗称“超白”玻璃，主要包括超白浮法和超白压延两种[15]。近年来，这两种玻璃的可见光透射率均能达到91.5%以上[16]。 本文基于吹胀式集热器设计了分别采用超白浮法玻璃和超白压延玻璃作为盖板的多晶硅PV/T 组件， 并对基于这两种组件的PV/T 系统的光电和光热性能进行了户外对比实验。

1 PV/T 组件结构及测试原理

1.1 PV/T 组件的结构

本文设计的两种不同玻璃盖板的PV/T 组件结构如图1 所示： 组件的主体部分由多晶硅光伏组件和单面吹胀式集热器通过环氧导热胶粘合在一起；玻璃盖板位于组件最上层，与光伏组件之间保留15 mm 空气间隙；保温层位于吹胀式集热器下面，以减少组件的热损失；组件通过铝合金边框进行封装。 PV/T 组件的具体参数如表1 所示。

图1 PV/T 组件的截面图Fig.1 Cross-sectional diagrams of the PV/T modules

表1 PV/T 组件参数Table 1 The parameters of PV/T modules

1.2 PV/T 系统原理及测试方案

图2 PV/T 系统结构原理图Fig.2 The schematic diagram of PV/T system

PV/T 系统的结构原理图如图2 所示。 PV/T系统主要包括PV/T 组件、微逆变器、配电箱、循环水泵、蓄热水箱和循环管路。 其中：丙二醇防冻液作为循环介质对PV/T 组件进行冷却， 并吸收组件产生的热量来对水箱内的水进行加热； 系统采用强迫式循环方式，循环水泵为单相管道屏蔽电泵（GPD15-6SK-220 V-70 W），通过温差控制器控制启停（当PV/T 组件出口温度与水箱温度大于8 ℃时启动，小于4 ℃时停止，循环流量保持1.0 m3/h）； 集热水箱是容积为100 L 的搪瓷盘管水箱，内部有保温夹层；管道为DN15 不锈钢波纹管且包覆有保温材料，以减少系统的热损失。实验中，PV/T 组件产生的电能通过微逆变器 （WVC-300 W） 转换为220 V 的交流电并实现并网传输至公共电网， 实时电量数据由调制解调器接收微逆变器信号并变送显示至计算机中；周围环境、组件以及水箱的温度均由铂电阻PT100 温度传感器测量，测量温度为-200～500 ℃，精度为0.15 ℃；太阳辐射强度通过太阳辐射计（JYTBQ-2）进行测量，测量的太阳辐射强度为0～2 000 W/m2；风速由风速计（EC-9S）测量，精度为0.1 m/s。所有环境参数和温度参数均由太阳能测试系统（TRM-PC-1）收集。

实验中， 对分别采用超白浮法玻璃和超白压延玻璃作为盖板的PV/T 热水系统进行了对比测试，测试现场情况如图3 所示。 两种PV/T 组件的安装倾角均为45°，基于两组件搭建的PV/T 系统均采用相同构件及测试设备。 本次测试选择济南地区某个晴天作为典型气象日，测试时间为2019年9 月8 日8：00-16：00。

图3 PV/T 系统的测试图Fig.3 Photograph of PV/T system for testing

2 PV/T 组件性能评价方法

PV/T 组件的电能EPV/T由太阳能测试系统测得。

式中：PPV/T为PV/T 组件输出功率的测量值， 由微逆变器转换得到，W；Δt 为功率采集的时间间隔，s。

PV/T 组件的瞬时电效率ηPV/T为

式中：A 为组件的有效面积，m2；G 为太阳辐照度，W/m2。

PV/T 组件的总电效率ηe，PV/T 系统的热效率ηth分别为

式中：Cw为比热容，J/（kg·℃）；mw为水箱中水的质量，kg；T0，T∞分别为水的初始和最终温度，℃。

3 结果及分析

实验环境参数如图4 所示， 最高太阳辐照度约为850 W/m2，累计辐照量为18.994 MJ/m2，环境温度保持在31～36 ℃，风速为0.2～1.6 m/s。

图4 太阳辐照度、风速及环境温度随时间变化情况Fig.4 Solar irradiance, wind speed and ambient temperature with the time

图5 PV/T 组件功率随时间变化曲线Fig.5 Output powers of PV/T modules with the time

图5 为两种不同玻璃盖板PV/T 组件的功率输出随时间变化曲线。从图中可以看出：两种组件输出功率的整体变化趋势与太阳辐照度一致；从8：00-14：00， 超白压延玻璃盖板PV/T 组件的功率输出高于超白浮法玻璃盖板PV/T 组件， 两者功率差值随太阳辐照度增高而增大， 在10：00-12：00 功率差值达到15 W；从12：00-16：00，两种组件的功率差值随太阳辐照度的减少而下降，到14：00 左右两者功率趋于一致。 这种现象主要是由超白压延玻璃表面的布纹结构造成的， 如图6（a）所示，本文采用的超白压延玻璃表面为三角锥花型结构。 从图6（b）可以看出，入射至玻璃的光线在玻璃内部形成了连续反射， 这说明玻璃表面的布纹面可以减少定向反射，增加内反射效应，从而降低反射比， 促进光的透过。 从图中还可以看出： 当相对水平面入射角较大的入射光①照射到玻璃表面时， 一次反射光直接反射出玻璃表面之外； 当垂直于水平面的入射光②照射到玻璃表面时， 一次反射光线反射至相邻斜面从而形成二次入射光。 因此，当太阳入射角较小时，这种玻璃结构的减反作用更加明显， 这也是在中午时段超白压延玻璃盖板PV/T 组件具有更高的功率输出的原因。

图6 超白压延玻璃表面结构及光线路径图Fig.6 Surface structure and light path of ultra-clear rolling glass

两种组件的温度随时间变化曲线如图7 所示。 从图中可以看出，两者的初始温度基本一致，随着时间的增长， 超白压延玻璃盖板PV/T 组件的温度逐渐高于超白浮法玻璃盖板PV/T 组件，并从11：00 左右开始保持1.5 ℃的温差。 产生这种情况的原因也是由于前文所述的超白压延玻璃减反作用， 减少了包括红外光在内的入射光的损失， 因而采用这种玻璃作为盖板的PV/T 组件的温度也高于超白浮法玻璃组件。 到13：30，两种组件温度进入波动阶段， 这是由于当温差控制器检测到PV/T 组件出口与水箱的温度差值低于4 ℃时，关闭了循环水泵，而水泵的停止循环又导致组件温度剧烈上升，PV/T 组件出口与水箱温差达到8 ℃时，温差控制器重新启动循环水泵，组件温度下降，如此往复循环形成组件温度波动阶段。在这个阶段，两种组件的最高温度分别达到63.3 ℃和60.7 ℃。

图7 PV/T 组件温度随时间变化曲线Fig.7 Temperatures of PV/T modules with time

图8 为组件的瞬时电效率随时间变化曲线。

图8 PV/T 组件瞬时电效率随时间变化曲线Fig.8 Instantaneous electrical efficiencies of PV/T modules with the time

从图中可以看出： 两种PV/T 组件的瞬时电效率整体呈逐渐下降趋势， 这是由于组件温度整体呈上升趋势，组件的光电转化效率衰减逐步增多；从8：00-14：30，超白浮法玻璃盖板PV/T 组件的电效率逐渐从13.6%左右降低至12.7%左右，之后，组件温度达到最高，其电效率无明显下降趋势；对于超白压延玻璃盖板PV/T 组件， 其初始电效率约为14%， 到11：00 左右， 逐渐增长并稳定至14.5%， 这是由于超白压延玻璃的减反特性随着太阳入射角的减小而变得明显； 随着组件温度的上升，在14：30 左右电效率降至12.6%左右，而后保持基本稳定；在最终0.5 h，两组件的电效率均随温度下降有轻微回升趋势。 根据式（3）可以得出， 超白压延玻璃盖板PV/T 组件的电效率为13.83%， 超白浮法玻璃盖板PV/T 组件的电效率为13.15%。

如图9 所示， 两种PV/T 系统的水箱初始温度均为18.3 ℃， 超白压延玻璃盖板PV/T 组件可以加热到53 ℃， 超白浮法玻璃盖板PV/T 组件可以加热到52.5 ℃，两者温升分别为34.7 ℃和34.2℃。 根据式（4）得出，前者的热效率为48.56%，后者的热效率为47.99%，后者略低于前者。

图9 PV/T 系统水箱温度随时间变化曲线Fig.9 Tank temperatures of PV/T systems with the time

图10 显示了在太阳总辐照度为18.994 MJ/m2的条件下两种PV/T 系统的电能和热能产量。 其中，超白压延玻璃盖板PV/T 系统的电能和热能分别为1.153 kW·h 和14 573 kJ，超白浮法玻璃盖板PV/T 系统的电能和热能降至1.096 kW·h和14 364 kJ，即发电量和产热量分别降低了4.9%和1.4%，说明采用超白压延玻璃作为盖板的PV/T 组件具有更好的性能。

图10 PV/T 系统发电量与得热量Fig.10 Electrical and thermal energy of PV/T systems

4 结论

本文通过对比实验分别研究了采用超白浮法玻璃和超白压延玻璃作为盖板的PV/T 组件的系统性能。 结果表明：在太阳总辐照度为18.994 MJ/m2的户外条件下，超白压延玻璃盖板PV/T 系统的电效率为13.83%，热效率为48.56%；超白浮法玻璃盖板PV/T 系统的电效率和热效率均低于前者，分别为13.15%和47.99%。 采用超白压延玻璃作为PV/T 组件的盖板可以有效提升PV/T 组件的性能。