水流量对PV/T系统效率、火用能及环境效益的影响

2022-06-09刘健圳田丽亭吴转转胡紫林

可再生能源 2022年5期

刘健圳,田丽亭,吴转转,胡紫林

（河北工业大学能源与环境工程学院，天津 300401）

0 引言

光伏（PV）发电是太阳能利用的主要方式。当光照到达光伏电池组件上时，只有一小部分太阳能通过光伏电池转化为电能，其余能量以热能或其他形式的能量散失到周围环境中。在光-电转换过程中，光伏电池的温度每升高1℃，光电转化效率降低0.45%～0.50%[1]～[4]。光伏电池的温度过高会降低其使用寿命。光伏-光热综合利用（PV/T）技术是在光伏板背面铺设管道，工质流经管道带走热量。该技术不仅能降低光伏电池温度，提高光伏电池的寿命和电效率，还可将热量收集起来加以利用。

按工质分类，PV/T系统可分为空冷式和液冷式[5]。由于液态工质的换热系数大，热容量高，因此液冷式PV/T系统被广泛研究与应用。Tripanagnostopoulos以水作为冷却工质进行实验研究，其PV/T系统的热效率为55%～70%[6]。Sultan研究结果显示，在晴天条件下水冷式PV/T系统的电效率和热效率分别为12.89%和61.3%，最高综合效率为74.1%[7]。文献[8]～[10]的研究显示，太阳辐射强度、管道形状及排列方式会影响PV/T系统的性能，冷却工质流量对系统性能的影响也是一个重要的参数。Fudholi在太阳辐射强度给定的条件下研究了一种水冷型PV/T系统的光伏光热性能，通过改变水的质量流量（0.011～0.041 kg/s）测试了系统性能。测试结果表明，PV板温度降低与质量流量增加并不是线性关系，在质量流量达到0.024 kg/s后，PV板温度下降幅度减小[11]。Dubey对流量为0.03 kg/s和0.06 kg/s的圆管式PV/T系统进行了实验研究，当流量为0.06 kg/s时，系统热电效率较高[12]。Yu对PV/T系统性能进行了数值模拟研究，当水流速为0.05～0.25m/s时，随着流速的增加，系统的热电效率逐渐提高，在流速达到0.15m/s后，热电效率提高的幅度减小；在太阳能集热利用方面，除了对系统热电性能进行分析外，还对系统的火用能和环境效益进行了分析[13]。Mishra采用改变采光面积的方法探究了定温模式下水冷式PV/T系统的能量与火用效率[14]。Moosavian研究了气候变化对抛物型太阳能集热器系统性能的影响，研究结果表明，在湿润性大陆气候条件下系统的火用效率最高，在湿润亚热带气候下系统碳排放成本为0.16$/d[15]。

效率分析是在热力学第一定律基础上，分析系统能量转换和利用情况。火用分析可以在热力学第二定律基础上跟踪能量的利用过程，并分析过程不可逆性的机理，评价能量的品质和系统的可行性。环境效益分析是对系统的CO2减排量及碳排放费用等参数进行比较，从而评价系统的经济效益性。综上可见，大部分学者在探究水流量对水冷式PV/T系统性能的影响时，主要对系统的热电性能进行分析，很少同时从更多层面来分析不同冷却水流量对系统性能的影响。本文搭建了以水为冷却工质的PV/T实验系统，从效率、火用能和环境效益3个层面进行分析，对不同体积流量下的PV/T系统性能开展了综合研究。

1 实验装置

本文搭建了水冷式PV/T系统性能研究的实验装置，利用卤钨灯模拟太阳辐射进行室内实验。实验装置主要由PV/T组件、卤钨灯、水箱、蠕动泵、风冷式散热器、转子流量计、数字万用表、数据采集器等装置组成（图1）。

图1 实验系统图Fig.1 Experimental system diagram

PV/T组件主要由光伏板、导热硅胶垫、吸热板、管道和保温材料组成（图2）。

图2 PV/T组件示意图Fig.2 Schematic diagram of PV/Tmodule

为了减少管道与吸热板间的热阻，0.8mm厚的吸热板与管道焊接处理，并用导热硅胶填充缝隙，再利用2 mm厚的导热硅胶垫将770 mm×670mm的PV板与吸热板粘合，在管道背面铺设保温材料，防止热量散失。管道由2根外径为38 mm的集管和10根外径为12mm的排管组成。为了更好地传输热量，使排管与吸热板密切接触，将2根集管布置在PV板外面。

2 实验方法

实验过程：在蠕动泵的驱动下，水箱中的水进入风冷式散热器，实现对实验段入口温度的控制；进入PV/T组件中的水带走光伏板产生的热量，降低光伏板温度，提高光电转换效率；被PV/T组件加热的水回到水箱。实验中，共使用了7个T型热电偶用于测量PV/T系统各位置的温度，其中，5个热电偶分别沿两条对角线布置在光伏板背面，测量光伏板温度；两个热电偶分别置位于集管的进出口截面中心处，测量管道进出口水温。所有热电偶均与数据采集器（Agilent）连接，每隔10 s记录一次。采用数字万用表来记录光伏板的输出电流和输出电压，每隔10min记录一次。采用太阳能功率计测量光伏板不同位置（编号1-20）处的光照辐射强度，以20个位置的辐射强度平均值作为光伏板接收到的辐射强度（图3）。

图3 光伏板上不同测试点处辐射强度Fig.3 Radiation intensity at different test points on the PV panel

3 数据处理与误差分析

3.1 系统效率

PV/T系统电效率ηe计算式[16]：

式中：Tref为参考环境温度，Tref=25℃；ηref为光伏板光电转换效率，在参考辐照强度Gref=1 000W/m2条件下，ηref=18%；βref为光伏板的温度系数，βref=0.0045℃-1；Tpv为光伏板的平均温度，℃。

PV/T系统热效率ηth计算式[17]：

式中：cp为工质水的比热容，J/（kg·℃）；m(·)为质量流量，kg/s；Tout为管道出口处水的温度，℃；Tin为管道进口处水的温度，℃；G为光伏板接收的平均辐射强度，W/m2；A为光伏板面积，m2。

PV/T系统综合效率ηtotal计算式：

3.2 火用分析

PV/T系统输出热火用Exth计算式[17]：

式中：Ta为环境温度，℃。

PV/T系统输出电火用Exel计算式[16]：

式中：Isc为短路电流，A；Voc为开路电压，V；FF为光伏板的填充系数，FF=0.757。

PV/T系统输入火用Exin计算式[17]：

式中：Tsun为太阳表面温度，Tsun≈5 800K[11]。

PV/T系统火用效率ηex的表达式[16]：

3.3 环境分析

在全球变暖的形势下，使用太阳能、风能等可再生能源适当替代化石燃料，可以减少碳排放，改善环境。每年PV/T系统CO2减排量φCO2的计算式[18]：

式中：ΨCO2为燃煤发电产生的二氧化碳量，ΨCO2=2.04 kg/（kW·h）；Een，ann为一年2 500 h内的PV/T系统发电量，kW·h/a。

PV/T系统碳排放费用减少量ZCO2的计算式如下[18]：

式中：zCO2为碳排放费用，zCO2=14.5$/kg。

3.4 误差分析

实验所用测量PV板温度、水进出口温度的T型热电偶测量误差为±0.2 K；太阳能功率计测量误差为±10W/m2；转子流量计为1.5级精度。本文采用了二次幂法对实验结果进行不确定度分析。间接测量物理量y的不确定度由直接测量物理量（x1，x2，…，xn）的不确定度按二次幂传递：

在本实验的参数范围内，系统的电效率、热效率和火用效率的相对不确定度分别为0.28%，5.38%和5.4%。

4 结果与分析

4.1 PV板温度

在不同的冷却水流量条件下，PV/T系统中的PV板温度随时间的变化如图4所示。PV板温度是光伏板背面5个热电偶测量温度的平均值。冷却水流量为零时的PV板温度是普通光伏系统中的PV板温度。

图4 PV板温度随时间的变化Fig.4 Variation of PV panel temperature with time

由图4可知，系统运行初期，PV/T系统中的PV板温度逐渐升高，在2 400 s达到65.1℃，此后温度趋于稳定；普通PV板的温度继续上升，直到6 000 s时温度达到74.7℃，然后逐渐稳定。由于PV/T系统中工质水能够显著带走PV板上的热量，降低PV板温度，因此PV/T系统中的PV板温度均低于普通PV板。当水的体积流量为20 L/h时，PV板温度从工作初的26.5℃上升到65.1℃而趋于稳定。随着冷却水量的加大，PV板温度随之下降，在20～100 L/h流量内，PV板的温度从65.1℃下降到61.2℃。这是因为随着体积流量增加，流速增大，雷诺数增大，换热系数增大，加强了换热，工质水吸收的热量增加，从而使PV板表面冷却效果加强，温度降低。

4.2 效率分析

在不同的冷却水流量条件下，PV/T系统电效率随时间的变化如图5所示。

精业务勤为民尽所能（盛淳灿） ...................................................................................................................2-15

图5 电效率随时间的变化Fig.5 Variation of electrical efficiency with time

由图5可知，在系统运行初期，PV/T系统的电效率逐渐下降，在2 400 s后，PV/T系统的电效率没有明显变化而达到稳定；普通PV板的电效率继续下降，直到6 000 s才逐渐达到稳定。PV/T系统电效率的变化趋势与PV板温度变化趋势相反，这是因为PV板温度增加会降低其电性能，从而导致电效率下降。在没有冷却的情况下，PV板电效率为13.97%。PV板电效率会随着冷却水体积流量的增加而提高，水流量越大，电效率越高。当冷却水体积流量为20 L/h和100 L/h时，电效率分别为14.75%和15.06%，冷却水流量每增加10 L/h，PV板电效率提高0.039%。

图6是PV/T组件中冷却水进出口温差随时间的变化图。由图6可知，进出口温差随着流量的增加而减小，当体积流量为20 L/h和100 L/h时，进出口温差分别为5.6℃和1.5℃。图中还显示，随着流量的增加，进出口温差降低的幅度也在逐渐减小。当流量从20 L/h增加到40 L/h时，进出口温差降低了2.3℃，降幅为41.1%；流量从80 L/h增加到100 L/h时，进出口温差仅降低了0.2℃，降幅为11.8%。

图6 冷却水进出口温差随时间的变化Fig.6 Variation of inletand outlet temperature difference of coolingwater with time

在不同的冷却水流量下，PV/T系统热效率随时间的变化如图7所示。由图7可见，在系统工作初期，由于光伏板温度逐渐上升，冷却水吸收的热量随之增加，系统热效率逐渐提高；在2 400 s后，光伏板温度稳定，系统的热效率也相应地趋于稳定。冷却水流量的增加可以有效地提高系统的热效率，流量越大，热效率越高。当流量为20 L/h和100 L/h时，系统热效率分别为47.32%和62.63%。

图7 热效率随时间的变化Fig.7 Variation of thermal efficiency with time

为全面评价PV/T系统在能量利用方面上的优势，采用综合效率这一参数对其进行性能综合分析。

图8是PV/T系统综合效率随时间的变化情况。综合效率随时间变化的趋势与热效率随时间变化的趋势大致相同。这是因为热效率在综合效率中的占比较大。

图8 综合效率随时间的变化Fig.8 Variation of comprehensive efficiency with time

图9显示冷却水体积流量对PV/T系统综合效率的影响。由图9可知，随着冷却水流量增加，系统的综合效率也在增加。当体积流量为20 L/h和100 L/h时，PV/T系统综合效率分别为62.07%和77.69%。由于普通PV板没有对热量的利用，其综合效率即电效率仅为13.97%。由此明显地看出，与普通PV系统相比，PV/T系统能更好地实现能量的综合利用。

图9 冷却水体积流量对综合效率的影响Fig.9 Influence of volume flow rate on comprehensive efficiency

4.3 火用分析

图10 电火用和热火用随时间的变化Fig.10 Variations of electrical exergy and thermal exergy with time

由图10可见，电火用随时间的变化趋势与电效率随时间的变化趋势一致。随着系统工作时间增加，PV板温度升高，电火用减少，在2 400 s后趋于稳定。冷却水流量也会对电火用产生影响，体积流量越大，电火用越大。当体积流量从20 L/h增到100 L/h时，电火用从40.67W增加到41.53W。热火用随时间的变化是先逐渐增加而后趋于稳定。热火用随流量的变化分为两个阶段，当体积流量为20 L/h和40 L/h，管道内的流动处于层流状态，系统的热火用随着流量的增加而减小；当体积流量为60，80 L/h和100 L/h时，流动处于湍流状态，随着流量增加，热火用也在增加。这是由于系统的热火用受到冷却水吸收热量和出口温度两个因素的共同影响，冷却水吸收热量越多，出口温度越高，系统的热火用越高；当冷却水流量较小时，管道内流动为层流，水流速度较慢，出口温度较高。虽然此时冷却水的吸收热量相对较少，但是出口温度升高，提升了能量的品位，系统的热火用反而较高。当冷却水流量从20 L/h增大到40 L/h时，流速增大，换热增强，冷却水吸收热量增大，但流体在PV组件内的流动时间变短，出口温度大幅降低，系统热火用减小。当冷却水流量较大时，随着流量增大，出口温度小幅下降。由于出口温度降低产生的影响小于冷却水吸热量增大的影响，因此系统的热火用随着冷却水流量的增加逐渐增大。

PV/T系统的火用效率随时间的变化如图11所示。系统运行初期，随着时间的增加，火用效率逐渐减小，在2 400 s后，火用效率趋于稳定。

图11 火用效率随时间的变化Fig.11 Variation of exergy efficiency with time

图12是冷却水体积流量对PV/T系统火用效率的影响情况。

图12 冷却水体积流量对火用效率的影响Fig.12 Influence of volume flow rate on exergy efficiency

由图12可知，体积流量为零时，没有对热量的回收利用，其火用效率和电火用率同为14.97%。冷却水流量较小时，冷却水流动处于层流状态，系统的火用效率随着流量的增加而减小，体积流量为20 L/h和40 L/h时，火用效率分别为17.21%和17.05%。当冷却水流量较大时，流动处于湍流状态，系统的火用效率随着流量的增加而提高，体积流量为60，80 L/h和100 L/h时，火用效率分别为17.10%，17.25%和17.55%。由此可见，和普通PV系统相比，PV/T系统具有更高的火用效率，能量利用品质更好。

4.4 环境效益分析

图13是冷却水流量对PV/T系统一年内发电量、CO2减排量和碳排放费用减少量的影响图。

图13 冷却水体积流量对发电量、CO2减排量和碳排放费用减少量的影响Fig.13 Influences of volume flow on power generation,CO2 emission reduction and carbon emission cost reduction

由图13可知，随着冷却水流量的增加，系统的年发电量增加，随之的CO2减排量和碳排放费用减少量也逐渐增加。普通PV系统的发电量为96.280 kW·h/a，CO2减排量为0.196 4 kg/a，碳排放费用减少量为2.848$/a。当冷却水流量为20 L/h和100 L/h时，PV/T系统发电量分别为101.680 kW·h/a和103.837 kW·h/a，CO2减排量分别为0.2074 kg/a和0.211 8 kg/a，碳排放费用减少量分别为3.007 7$/a和3.071 4$/a，增幅为5.6%～7.8%。实验中PV/T系统只用到了一块太阳能光伏板，如果对于一个装机容量为50MW的光伏电站，共需要72万块左右光伏板，当冷却水流量为100 L/h时，电站一年的CO2减排量为152 640 kg，碳排放费用减少量为2 232 000$。PV/T系统极大地减少了CO2排放量和碳排放费用，具有很好的经济效益。