光伏光热一体化组件性能实验探究与分析

白梓丁 于国清

上海理工大学

0 引言

在建筑建造中常采用光伏发电装置，该装置较常见的问题为在发电的同时会产生过热，影响其总发电效率。在新型热电联产系统中，将这部分热量收集起来用于建筑供暖，并且使光伏电池温度保持在不降低总效率的区间内，这种将发电和供暖相结合的装置称为PV/T装置。

国内外许多学者也对PV/T系统进行了研究，主要集中在一体化组件的结构优化，性能的提高与建筑的一体化结合等方面。张远巍等人提出了一种新型热管式光伏光热一体化系统，分析不同因素对热管式PV/T系统光电转化效率、光热转化效率以及实际能量[1]影响。胡志鹏等人主要研究了不同温度工况下热水系统的热性能[2]。郑仁春等人通过建立PV/T系统的动态数学模型，对比计算了系统在有无重力特性下的热力性能[3]。郭嘉等人定量分析了环境温度、风速、入射辐射量对系统热电性能以及综合性能的影响[4]。何世钧等人通过计算机仿真计算可知在太阳能热水系统补充热量最小的倾角时,才能更有效地利用冬季的太阳能资源[5]。陈海平等人对在定出口水温工况下运行的低倍聚光光伏/光热系统进行理论与实验研究[6]。

本文主要对不同进口水温，不同一体化组件倾角，不同流量时PV/T一体化组件的热、电效率进行研究。

1 实验系统

1.1 研究对象

本文的研究对象是PV/T系统，PV/T系统是由光伏电池组件和太阳能集热器组成的系统，其组件结构如图1所示。当太阳辐射通过玻璃盖板入射到电池组件上，一部分被转化为电能通过外接电路输出，一部分被转化为热能传递给流体通道内的散热介质，EVA包裹着光伏组件，流体通道和层压板有较大的接触面积，以提高对电池组件的散热效果[4]，可以同时实现光电利用和光热利用，从而提高太阳能的综合利用效率[7]。

图1 光伏光热一体化系统（PV/T）结构示意图

1.2 实验系统的组成

本文介绍的PV/T一体化组件性能测试实验台搭建在上海理工大学城建学院楼顶，实验系统由PV/T一体化组件和恒温水箱、水表、循环水泵组成，实验管线连接如图2所示。

图2 实验管线连接图

1.3 PV/T组件性能测试

本次实验中需测量的参数：太阳辐照度、室外环境温度、室外风速、PV/T一体化组件的进口水温、出口水温、流量、电阻两端电压。测试详细工况见表1。

表1 测试详细工况

在热性能测试系统中，利用恒温水浴装置控制进口水温，实验过程中通过调节旁通阀来控制流量，光伏光热板进出口处装有四线制PT100铂电阻对进、出口水温进行测量，通过进、出口温差以及水的密度、水的比容和水流量的乘积可计算出一体化组件的有效得热量，光热效率可用得热量除PV/T组件接收到的太阳辐照度。热电性能测量所用仪器及其用途见表2。

表2 热电性能测量所用仪器及其用途

电性能测试系统中的实验装置见图3。将标准电阻串联在一体化组件的正负极两端形成电路，测量通过标准电阻的电流值可计算PV/T一体化组件连接负载时的实际输出功率，接50Ω负载时该一体化组件的光电效率值可用输出电功率除PV/T组件接收到的太阳辐照度。实验装置为了更直观地分析一体化组件的效率，引入一体化组件的日总热效率、日总电效率和日总综合效率进行分析，其计算方法分别为有效时间段内有效得热量总和与总太阳辐照量的比值，输出电功率总和与总太阳辐照量的比值，按式（1）可计算得出综合性能效率。

式中：Ep——光伏光热一体化组件综合性能效率；

ηt——光伏光热一体化组件光热效率；

ηe——光伏光热一体化组件光电效率；

ζ——常规火力发电效率。

图3 实验装置

2 基本工况测试结果分析

实验工况：PV/T一体化组件正南方向与地面30°倾角放置，进口水温控制为35℃（温度波动不大于0．5 ℃），流量为120 L/h。

1）一体化组件有效得热量与太阳辐照度及环境温度的关系见图4。

图4 有效得热量与辐照度及室外温度的关系

由图4可见，有效测试时间段9:30-15:00内太阳辐照度的范围为660～888 W/m2，最大值出现在11:30左右，最小值出现在15:00。室外环境温度最小值出现在10:00左右，并随着时间呈逐渐增大趋势。一体化组件的有效得热量的范围为59．03～335．29 W，最大值出现的时刻为11:30左右，与辐照度最大值出现时刻相符。由图中可以看出有效得热量变化趋势与太阳辐照度基本一致，但上午的有效得热量低于下午相同辐照度时刻的有效得热量。可以得出一体化组件的有效得热量受太阳辐照度和环境温度的共同影响，但相对而言，太阳辐照度的影响较大。

2）一体化组件串联50Ω电阻时输出电功率和太阳辐照度及环境温度的关系见图5。

图5 输出电功率与辐照度及室外温度的关系

分析数据可以发现，系统刚开始运行时出现了一体化组件最大输出电功率值，随后缓慢减小并从9:30左右趋于稳定，在15:00后又急剧减小。

根据实验数据可得出以下结论：当系统循环水温达到稳定且辐照度不小于300 W/m2时，串联50Ω电阻的光伏电池板的输出电功率相对较稳定，整体无大波动；太阳辐照度低于300 W/m2时，一体化组件串联50Ω电阻时的输出功率出现骤减现象。组件光电、光热效率与辐照度关系见图6。

图6 光电、光热效率与辐照度的关系

3）一体化。

一体化组件光电、光热效率与辐照度的关系如图6所示。由图6可以看出在9:30-15:00时间段内一体化组件光热效率的范围为12．31%～34．53%，其中最大值出现在11:45，与最高太阳辐照度值出现的时间段相符，可以看出光热效率变化趋势与辐照度变化趋势基本一致，但上午的热效率低于下午相同辐照度时刻的热效率。

有效测试时间内串联50Ω负载的一体化组件输出光电效率范围为2．78%～5．53%，观察一体化组件瞬时电效率曲线可以发现测试时间段内无大波动，但太阳辐照度大的时间段内输出电效率较低。

4）一体化组件效率分析如图7。

一体化组件正南方向30°倾角放置，进口水温控制为35℃，流量为120 L/h工况下的各效率如图7，由图上可以看出该测试工况下一体化组件日总热效率为22．43%，日总电效率为6．25%，日总综合效率为36．87%。

图7 一体化组件光热效率曲线

3 影响因素分析

由图8可以看出Ti=30℃工况下组件具有最高的综合效率，其次为Ti=35℃工况和Ti=40℃工况，其对应的日总综合效率依次为43．69%，39．29%，37．54%。可得出结论：在进行的调节进口水温的测试工况中，Ti=30℃工况是一体化组件的最佳运行工况。

不同倾角工况下一体化组件综合性能效率对比如图9。由图9可见45°倾角工况下组件具有最高的综合效率，其次为30°工况和0°工况，其对应的 日 总 综 合 效 率 依 次 为 41．35% ，36．87% ，36．13%。可得出结论：在调节进口水温的测试工况中，45°倾角工况是一体化组件的最佳运行工况，30°工况和0°工况下组件综合效率相差不大。

图8 不同进口水温一体化组件日综合效率对比图

图9 不同倾角工况一体化组件日综合效率对比图

不同流量工况下一体化组件综合性能效率对比如图10，由图10可见，85 L/h工况下组件具有最高的综合效率，其次为120 L/h工况和50 L/h工况，其对应的日总综合效率依次为34．73%，33．00%，26．69%。可得出以下结论：在所进行的调节进口水温的测试工况中85 L/h工况是一体化组件的最佳运行工况，见图10。

4 结论

本文通过实验测试了一体化组件不同进口水温，不同倾角，不同流量下的热性能和电性能，对实验数据进行处理分析，并引入一体化组件综合性能进行分析，得出如下结论：

1）在流量120 L/h，倾角30°时，在进口水温30℃工况下一体化组件拥有最优的热效率值和输出电功率值，其日总热效率为35．97%，对应的输出电功率范围为29．40～30．51 W。

2）流量120 L/h，进口水温35℃时，45°倾角放置的一体化组件可接收到较多的太阳辐照度，且具有最优的光热性能，对应的日总热效率为32．65%；0°、30°、45°三种倾角工况下一体化组件串联50Ω标准电阻的输出电功率相差不大，其影响可忽略。

3）在0°倾角，35℃进口水温时，调节一体化组件流量分别为120 L/h、85 L/h、50 L/h进行测试可得出流量85 L/h工况下一体化组件拥有最优的热效率值，对应的日总热效率值为25．89%；串联50Ω电阻时组件的输出电功率随流量的增大而增大，但变化较小，流量120 L/h工况下一体化组件拥有最优的输出电功率值，对应的输出电功率值范围为24．02～29．19 W。