PV/T 在溶液除湿空调系统中的应用研究

2021-08-31张君美任彦林李勇刚

流体机械 2021年7期

张君美，任彦林，李勇刚

（1.天津大学建筑设计规划研究总院有限公司，天津 300073；2.天津城建大学能源与安全工程学院，天津 300384；3.天津市建筑设计研究院有限公司，天津 300074）

0 引言

溶液除湿空调具有耗电量低、环境友好、可以与低温热源联合应用等优点，太阳能属于可再生能源，将其用于溶液除湿空调的再生过程则会使整个系统更符合节能环保的要求。利用太阳能进行溶液再生多年前已被提出，根据太阳能转换形式的不同可将太阳能溶液再生系统划分为光热式（PT）溶液再生系统、光伏式（PV）溶液再生系统、光伏/热式（PV/T）溶液再生系统［1-7］。表1 总结了不同太阳能溶液再生系统的研究要点和系统特点［8-11］。

表1 与文献中已有的太阳能溶液再生系统研究进行比较Tab.1 Comparison with the existing studies on solar liquid regeneration systems in literature

近些年来，许多研究对平板PV/T 集热器及其在空气和热水加热中的应用进行了综述。然而，仅有有限的研究涉及生产适合溶液再生的高温热。典型无玻璃PV/T 空气集热器的输出温度在28～58 ℃之间，热效率在10%～26%之间。当在无玻璃PV/T 空气集热器设计中加入玻璃罩时，观察到出口流体温度进一步提高，热效率更高（20%～35%），然而，与无玻璃PV/T 空气集热器相比，这导致电效率降低了1%～2%。为了增强光伏组件向被加热空气的传热，从而降低光伏组件的温度，TONUI 在通道中间增加了一层薄金属片，这被称为薄金属片（TMS）PV/T 空气集热器，其出口流体温度可达到59 ℃，与标准的PV/T 空气集热器相比，TMS PV/T 空气集热器最大热效率从10%提高至28%，但电效率从12.5%降低至10%。

此外，为了进一步提高出口空气温度，试验增加了玻璃罩，结果表明，增加玻璃罩后输出温度更高，达到32～80 ℃，热效率达20%～40%，但电效率较低（8%～11%）［12-14］。

水可以作为传热介质来回收平板PV/T 集热器的热量，集热器的热水可以通过热交换器加热再生空气［15］。对于玻璃板式和管式PV/T 集热器的设计，SHIHABUDHEEN 等［16］试验研究了一个水加热系统，测得出口流体温度和热效率分别持续超过50 ℃和35%，由于光伏电池温度较高，达到55～70 ℃，因此电效率较低，为10%。PV/T 热水系统由平板水型PV/T 集热器和热水储罐组成，即使在太阳辐照度较低的情况下，也能获得热水用于溶液再生。HUANG 等［17］通过试验研究了一种无玻璃板式和管式PV/T 热水系统，在固定流量的情况下，测的水箱水温最高接近50 ℃。在测试期间，观察到电效率稳定在9%左右，而热效率随环境条件变化在12%到44%之间。为了进一步提高水箱的使用水温，TRIPANAGNOSTOPOULOS 等［18］在板式和管式平板PV/T 集热器上加了一个玻璃罩，其出水温度达到60～70 ℃，水箱中30 升的水温度保持在45～60 ℃将近一天。对于玻璃箱通道PV/T 集热器的设计，CHOW 等［19-20］的试验表明，水箱水温在一天中可以达到50 ℃，到一天结束时进一步上升至60 ℃。

对于空气型和水型平板集热器来说，从入口到出口，流体的温升（ΔT）范围为25～35 ℃。在某些情况下，水型PV/T 系统的入口流体温度可能低于空气型PV/T 系统。由此产生的可用流体温度在30～65 ℃的范围内，电效率和热效率的性能合理。此外，有些研究者则通过减小流体流量和降低集热器通道高度来提高可用流体温度，结果发现，随着流体流量的减小，电效率和热效率均降低，但可以获得更高的流体温度。而降低集热器通道高度后，流体温度、电效率以及热效率均获得了增加［21-26］。

PV/T 集热器的设计和运行是对流体温升和集热器性能效率的权衡，在PV/T 溶液除湿空调系统中，PV/T 集热器的运行和设计必须以溶液再生为目的进行优化。针对传统集热器出水温度较低不能很好驱动溶液再生的问题［27-30］，研究者们通过减小流体流量、降低集热器通道高度以及添加玻璃罩等方式提高可用流体温度。然而，采用改变光伏覆盖率而生产适合溶液再生高温热的方式却鲜有报道。本研究将PV/T 组件替代了传统集热器，并通过适当降低光伏覆盖率来探究该太阳能溶液再生系统的可行性。该系统在满足溶液再生的条件下，还可以实现全年发电和非除湿季节供应热水的三种用途，且PV/T 组件可以更有效地利用整个太阳光谱，提高太阳能的利用率，同时实现光热和光电利用，充分开发溶液再生系统的全年使用性。

1 系统组成

1.1 系统原理

如图1 所示，除湿空调中的稀溶液经溶液泵送至换热器进行加热，温度升高后的稀溶液进入再生器与经风机送入的再生空气直接接触进行热质交换，完成再生，换热器中的热量由PV/T 系统提供。

图1 PV/T 溶液再生系统原理Fig.1 Schematic diagram of PV/T liquid regeneration system

针对如何提高PV/T 系统的出口温度来更好地驱动溶液的再生这一关键问题。本文设计并搭建了PV/T 系统试验台，对不同光伏电池覆盖率下PV/T 系统的性能进行了试验研究。试验系统主要包含用于模拟太阳能的矩阵式太阳能模拟器、覆盖率为50%和90%的PV/T模块、循环水箱、循环水泵及可调节负载，以及太阳辐照测试仪、PT100 铂热电阻、铜-康铜T 型热电偶、转子流量计、电流传感器、电压传感器等测量仪器。试验系统如图2 所示。

图2 PV/T 试验系统Fig.2 PV/T experimental system

1.2 试验装置及设备

本次试验采用的PV/T 模块结构如图3 所示。其包括光伏组件、集热板、流动管路、保温结构、结构框架等。光伏板顶端覆盖超白压花钢化玻璃，尺寸为1 644 mm×985 mm×6 mm。包含60 块尺寸为156 mm×156 mm×3.2 mm 的多晶硅电池，覆盖率为90%；36 块，覆盖率为50%。使用去掉玻璃盖板后尺寸为1 990 mm×985 mm×80 mm 管板式集热板作为集热模块，集热模块共有七条直径为10 mm 的流道。

图3 PV/T 模块结构示意Fig.3 PV/T module structure diagram

在模块侧面和背面敷设30 mm 厚保温岩棉，最后用金属框架将光伏板、集热板、集热管、保温层固定（中间空气夹层厚度为2.8 cm）即完成PV/T 模块的组建。将集热板超出光伏板的部分用橡塑保温板包住，并粘贴铝箔纸以防止太阳辐射直接对集热板产生影响。

系统中使用矩阵式太阳能模拟器来模拟太阳能，采用12 组独立氩灯作为光源，有效辐照面积为1.5 m×2 m，光谱分布为B 级，光的不均匀度和不稳定度均为5%，辐照度可以在300～1 200 W/m2之间调节，试验时调整每一个氩灯或者调整十二个氩灯总体的亮度来改变辐照度，研究不同辐照度下PV/T 系统的性能。

试验中采用铜—康铜T 型热电偶（±0.1 ℃）测量PV/T 组件盖板表面与背板温度，覆盖率为50%和90%的光伏板分别设置11 个和5 个均匀分布的测点；环境温度测点位于距离地面1 米的非太阳能模拟器能够照射的背阴处；组件进出口水温和储热水箱内的水温测量选择四分螺纹式PT100 铂电阻温度传感器，水箱内水温测量位置是在水箱内部0.15 m 高度的中轴线上；各温度多次测量后取平均值。使用直流电流传感器和直流电压传感器测量PV/T 模块输出的电流和电压，其工作温度为-10～70 ℃，测量精度为±0.5%，利用数据采集仪采集电流、电压传感器所输出的信号。使用玻璃转子流量计测量并控制循环水流量，测量范围为60～420 L/h，精度为±4%。太阳辐照度采用总辐射表及其主机进行测量，具体参数见表2。

表2 总辐射表及主机参数表Tab.2 Table of total radiation and host parameters

2 PV/T 系统性能评价指标

2.1 光电效率

PV/T 组件在稳态条件下运行时实际获得的电量输出与组件表面接收的太阳辐射量之比为PV/T 组件的瞬时光电效率ηe：

2.2 光热效率

PV/T 组件在稳态条件下运行时实际获得的热量与组件表面接收的太阳辐射量之比为PV/T组件的瞬时光热效率ηth：

2.3 综合效率

PV/T 组件的输出既有电也有热，因此评价时要比单独评价太阳能集热器集热性能或光伏电池发电性能复杂。多数学者采用光电效率ηe与光热效率ηth之和作为光电和光热的综合效率ηza（记为综合效率a）：

3 不确定性分析

试验过程中，电压值、电流值、太阳辐照度由测试仪器直接测量获得，其误差为直接测量误差，由测试仪器的精度决定。通过计算得到的光电效率、光热效率的误差为间接测量误差，可由下式计算得到：

式中 Δy/y —— 由测量仪器测量的自变量构成的函数的相对误差；

Δy —— 由测量仪器测量的自变量构成的函数的绝对误差；

f ——测量仪器测得的自变量构成的函数；

x1，x2，…，xn—— 测量仪器测量的自变量；经过计算，光电效率、光热效率的最大相对误差分别为5.7%，8.1%。

4 试验结果分析

4.1 光热性能

图4 示出了不同辐照度下，覆盖率为50%和90%的PV/T 系统的集热效率及水箱温度。从图中可看出，不同辐照度系统的集热效率均先增大，后趋势变缓至平衡；且覆盖率为50%PV/T 系统集热效率始终大于90%覆盖率PV/T 系统；水箱中的水温均随着试验时间增加而呈上升趋势，覆盖率为50%的PV/T 系统上升速率更大，水箱终温更高。因此，在相同的辐照度和照射时间内，50%覆盖率PV/T 系统更能提高水箱水的终温，温升可平均提升27.3%。在不同辐照度下，50%覆盖率PV/T 系统相较于90%覆盖率PV/T 系统在光热性能上有所提升，集热效率可平均提升9.17%。其中，在1 100 W 辐照度下，50%覆盖率PV/T 系统水温可达62.5 ℃，平均集热效率可达47.93%。

图4 不同覆盖率PV/T 系统光热性能对比Fig.4 Comparison of photothermic performance of PV/T systems with different coverage

4.2 光电性能

在各个辐照度下覆盖率为50%和90%的PV/T 系统光电效率、光伏板平均温度随试验时间的变化如图5 所示。

图5 系统光电效率、光伏板平均温度对比Fig.5 Comparison of system photoelectric efficiency and average temperature of PV panels

辐照度相同时，覆盖率为50%和90%的PV/T系统输出电功率均随模块温度上升而下降，同样系统光电效率也随模块温度上升而下降。在不同辐照度下，PV/T 模块板面温度开始时增长较快后逐渐减缓，最后温度趋于稳定，且覆盖率为50%光伏处模块温度＞50%透明处模块温度＞90%光伏处模块温度。系统的光电效率均随模块温度升高而下降，由于板面温度升高会使光伏板光电效率降低，因此，50%覆盖率PV/T 光电效率略小于90%覆盖率PV/T。

在不同辐照度下，50%覆盖率PV/T 系统光电性能较90%覆盖率PV/T 系统稍有降低，降低幅度平均为5.64%。其中，在1 100 W 辐照度下，50%覆盖率PV/T 系统平均光电效率为10.96%。

4.3 综合性能

图6 示出了不同辐照度下系统光热效率、光电效率和综合效率的变化。

图6 系统光热效率、光电效率和综合效率随辐照度变化Fig.6 Variation of system photothermic efficiency，photoelectric efficiency，and comprehensive efficiency with irradiances

从图6 可知，不同辐照度下50%覆盖率PV/T系统和90%覆盖率PV/T 系统的光热效率、光电效率和综合效率均随辐照度增大而增大。50%覆盖率PV/T 系统的光电效率略小于90%覆盖率PV/T 系统，而50%覆盖率PV/T 系统的光热效率大于90%覆盖率PV/T 系统，50%覆盖率PV/T系统综合效率较90%覆盖率PV/T 系统平均提升7.5%。其中，在1 100 W 辐照度下，50%覆盖率PV/T 系统综合效率平均值为58.86%。