光伏光热一体化系统性能实验研究
2021-11-15宫冠军
宫冠军
（中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300000）
随着光伏发电技术的日益成熟，光伏发电在全世界取得了迅速发展，太阳能电池是光伏发电的核心，晶体硅太阳能电池的发电效率依赖其工作温度，研究表明，太阳能电池工作温度上升1 ℃，电池输出功率随之降低0.5%[1]。大部分太阳辐射能在电池表面转化成了热量，特定条件下时，其工作温度甚至将达到80 ℃[2]，过高的工作温度不仅会降低太阳能电池的工作效率，也会存在安全隐患。
因此，有必要采取措施对太阳能电池进行降温处理，提高光伏发电效率。
1 光伏光热一体化冷却技术
在降低太阳能电池温度的同时，将流体带走的热量加以利用，这种系统在提高发电效率的同时还可以提供热能，可称之为光伏光热一体化(PV/T)系统。同样外部条件下，PV/T 系统可以更有效地降低太阳能电池工作温度。而实际情况中为了尽可能有效降低太阳能电池温度，PV/T 集热器进口冷却水温度较低，这种情况下使得PV/T 集热器出口水温也较低，PV/T 集热器收集的太阳辐射能量不能得到高效利用[3]。PV-SAHP 系统将太阳能电池和热泵系统的蒸发器结合在一起，形成PV 蒸发器。PV 蒸发器接收到的太阳辐照中，一部分用于光伏发电，另一部分的能量由PV 蒸发器吸收，经热泵系统循环提升后得到可供利用的热量。PV-SAHP 系统不仅可以有效降低太阳能电池温度，还可以提高热泵的效率[4]。
2 实验原理及装置
PV-SAHP 系统实验原理是在太阳能电池背面设置冷却盘管，冷却盘管也作为蒸汽压缩式热泵系统的蒸发器，制冷剂在冷却盘管中通过相变吸收太阳能电池散发的热量，从而达到对太阳能电池降温的目的，同时热泵系统将蒸发器吸收的热量循环后通过冷凝器放出，可以用于生活供热。实验装置及测点示意图如图1 所示。
图1 实验装置及测点示意图
3 实验结果分析
3.1 太阳能电池工作温度的变化
图2 和图3 为无冷却和有冷却条件下，连续两天太阳能电池的工作温度变化曲线。可以看出在热泵系统工作阶段，太阳能电池工作温度明显下降。08-29 温度最高时刻为14：00，两组太阳能电池工作温度均为最高，有冷却组最高温度为45 ℃，无冷却组最高温度为55 ℃。温差在14：00 也为一天中最大，温差为10 ℃。08-30 温度最高时刻为15：00，两组太阳能电池工作温度均为最高，有冷却组最高温度为45 ℃，无冷却组最高温度为63 ℃。温差在15：00 也为一天中最大，温差为18 ℃。
图2 08-29 无冷却和有冷却条件下的太阳能电池工作温度
图3 08-30 无冷却和有冷却条件下的太阳能电池工作温度
通过实验结果，在系统工作时间内，08-29 太阳能电池温度平均下降8 ℃，08-30 太阳能电池温度平均下降12 ℃。这显示了热泵蒸发器对太阳能电池有良好的降温作用，这对于太阳能电池发电是十分重要的。
3.2 太阳能电池发电功率的变化
图4 和图5 为无冷却和有冷却条件下，连续两日太阳能电池的发电功率曲线。在相同的环境条件下，可以看出在制冷装置工作阶段，有冷却的太阳能电池发电功率明显高于无冷却的太阳能电池组的发电功率。08-29 发电功率最高时刻为14：00，两组太阳能电池发电功率均为最高，有冷却组最高发电功率为181.1 W，无冷却组最高发电功率为172.2 W。功率提升的幅度在14：00 也为一天中最大，功率提升最大为8.9 W。08-30 温度最高时刻为15：00，两组太阳能电池发电功率均为最高，有冷却组最高发电功率为176.1 W，无冷却组最高发电功率为165.5 W。功率提升的幅度在15：00也为一天中最大，功率提升最大为11.1 W。
图4 08-29 无冷却和有冷却条件下的太阳能电池发电功率
图5 08-30 无冷却和有冷却条件下的太阳能电池发电功率
通过分析实验结果得到，在热泵蒸发器将太阳能电池降温幅度最大的时刻（08-29T14：00、08-30T15：00），也是太阳能电池发电功率最高的时刻，这再一次证明了热泵系统对太阳能电池发电功率有着积极的正面作用。在系统工作时间内，08-29 太阳能电池发电功率平均提升6.9 W，提升幅度约为4%；08-30 太阳能电池发电功率平均提升8.2 W，提升幅度约为5%。
4 结论
PV-SAHP 系统可以有效降低太阳能电池的工作温度，提高光伏发电功率，并且将太阳能电池余热高效利用，实现了太阳能的双重使用，提高系统的节能效果。本文对PV-SAHP 系统进行了实验研究和混合预测，得到如下结论：①PV-SAHP 系统将太阳能电池和太阳能热泵系统的蒸发器结合在一起，形成PV 蒸发器。PV-SAHP 系统不仅可以有效降低太阳能电池温度，还可以提高热泵的效率。②搭建了光伏太阳能热泵系统，PV 蒸发器可以有效降低太阳能电池的工作温度，最高降温可达18 ℃，平均下降10 ℃，光伏发电效率平均提升约5%。
