屋顶太阳能PV/T系统性能分析

徐姝涵

（西安铁一中国际合作学校，陕西 西安 710054）

1 前言

太阳能的应用，以采用单晶硅作为原料生产的太阳能电池，其转化率在16%～20%，而在此基础上，其能量转化效率很差。此外，在温度的作用下，太阳能硅片的输出功率也受到了很大的影响。系统温度上升1℃时，系统的发电效率就会下降大约0.5%。从光电转换的角度来看，大约80%的光辐射没有得到充分的使用，而没有被充分利用到的热量则会使电池堆的热量升高，从而降低了功率。

针对太阳能光伏系统中由于环境的变化，采用在太阳能板后铺设流动通道，利用循环的方式对其进行降温，从而使其降温，改善太阳能的利用率。利用循环系统将太阳能电池的热转移出去，同时，产生电能和热效益的技术。PV/T是一项被世界公认的新型太阳能技术，它可以有效地提高太阳能的利用率，并能满足客户对电能质量和质量要求的要求。PV/T系统可以提供热量和电力，但是，PV/T的运行受到气象环境的严重制约，并且没有足够的能量供应。

自从PV/T被提出后，就受到国内外学者广泛关注，国内外学者从不同的角度对PV/T进行了研究。目前，所研究方向主要集中在材料、结构、流道集合特性、换热性能等方面。

张晨宇等通过对PV/T采用的相变式蓄热器进行了实验，结果表明，采用这种方法可以降低PV/T的温度变化。对于相同材质的PV/T模型和集热工质，已有学者对其进行了多种改良。张乾等对PV/T结构有没有玻璃盖进行了讨论，结果表明，尽管有盖玻璃罩的PV/T比不加玻璃罩的热效率要高，但有罩的PV/T比不用玻璃罩要低得多。鲁朝阳等人对不同形状的空冷PV/T流道结构进行了分析，结果表明，通过增加PV/T的入口和入口的面积比例可以有效地改善PV/T的整体性能。王博飞分析了不同流速对PV/T操作特性的影响，得出了在选择最优流量时，太阳辐照的强弱对PV/T的选择起着决定性的作用；在高日照条件下，这种方法的作用不明显。PV/T背后的流路结构是光热光电转换的重要因素，许多学者都用各种通道的数学模式来分析PV/T的特性。梁子伟等对PV/T工艺参数进行了优化，结果表明：PV/T型管的最大流量为0.008kg/s，而太阳能电池板的最大体积和集热器区域比例为0.4。在相同材质、相同等级的情况下，为了满足电力的需要，本文将重点转向PV/T的联接模式对电力设备的操作效果。欧阳丽萍等通过对PV/T系统串联方式（串联和并联）的最佳联接方式进行了优化分析，结果表明，在各种情况下，采用串联方式实现最大功率，但采用串联方式实现最大集中热的方式却不尽相同。童维维研究了不同连接方式下的PV/T热水系统的性能，结果表明，PV/T的综合性能更优。

如前所述，国内外的研究学者对PVT做了许多提升系统性能的相关研究，本文结合东北地区的气象参数，对该系统利用仿真模拟的方法对参数变化情况进行了模拟研究。

2 系统介绍

PVT是一种将太阳光电与光热结合起来的系统。该系统由光伏(PV)和光热(PT)两大类组成，即将太阳能和集热管结合在一起，通过光电效应将光电转换成DC；然后，将其转换成工频的AC电力，由太阳能板产生电能。然后，将太阳能板在光电转换时所生成的一部分热能，经过热交换器回收，并将其持续地转化成加热热水，由此可以在PVT中进行热电连接。

PVT装置一般由PVT组件、汇流箱、逆变器、纯水箱、平板式换热器、蓄热水箱组成。PVT部件是它的主要组成部分，主要有：玻璃罩板、电池板、集热器、热传导硅脂层、水管、隔热层等。为了减小电池面板前面的热量损耗，在面板和面板间设置了一道气流。导电的硅树脂增强了电池组和集热体的热量传递，并减小了集热体后部的热量损耗。管道与集热管均匀地连接，使其内部的水温保持一致，并将吸收热量的水存储在一个容器内。

PVT集热器的发热范围为30～60℃，适合家用热水、采暖及其他需要较高低温热需求的公用、民用。鉴于电能能源属于优质能源，而热能属于低端能源，其主要目标是通过增加太阳能发电的利用率来获取更多电力，从而减少了电力的投入回收周期。而在此过程中，所得到的热量会成为一种副产物，能够生产出一定数量的热水。而PVT系统，则会因为雨天和夜晚的光照不足，而不能进行持续的光和热交换，从而造成了太阳能电池背面的热量超标，从而降低了太阳能电池的利用率，从而对太阳能的运行产生不利的作用。

3 系统仿真模型

3.1 模拟软件介绍

Trnsys仿真软件是一个瞬态系统仿真软件，分别包括TRN Build、TRNEdit、TRNOPT。通过在负载的基础上，TRNSYS能够精确地计算出系统的能量消耗，并对系统进行优化。TRNSYS仿真程序的最大优势是计算灵活，组件模块化。用户可以按照自己的要求构建任意的连接，从而构成各种系统的计算软件。

在构建系统模型时，可以从实际情况出发，选择适当的模型，或者自行构建C语言。该系统可以用于冷、热联产系统、槽式太阳能电站、采暖空调系统以及可再生能源的氢气系统的瞬态仿真。

3.2 PV/T模型

PV/T的太阳能模块采用Type560模组。PV/T组件能够为上方的太阳能光电板供电，背面的吸热器可以从光电电池中吸取热，再通过管中的循环媒介将热排出；该换热器与太阳能电池下面的吸收面板相连（图1）。

图1

Type560是基于光伏电池、吸收板和通道管道能量平衡的特殊PV/T模型。光电转换模式的光电效率与光电板温度和入射太阳辐射呈线性关系。通过忽略太阳能板表面上能量传递的影响，建立太阳能电池表面上任意一点处的能量平衡关系，其公式如下：

式中，S为净吸收太阳辐射量，W/m2；houter为与环境的对流换热系数，W/(m2·℃)；TPV为光伏电池板的温度，℃；Tamb为环境温度，℃；hrad为辐射换热系数，W/(m2·℃)；Tsky为天空温度，℃；Tabs为吸收板的温度，℃；RT为光伏电池板和吸热板之间的材料热阻，(m2·℃)/W。

辐射换热系数计算如式（2）所示：

式中，ε为光伏电池板的表面辐射系数，取为0.9；Σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数，取为5.67×10-8W/(m2·℃4)；S为单位面积净吸收太阳辐射量，表示光伏电池板吸收的太阳总辐射减去光伏发电量，S值可由式（3）确定。

式中，(τα)n为法向入射下直射的有效投射吸收积，取值0.85；IAM为入射角修正系数，取为0.1；GT为太阳总辐射，W/m2；ηPV为光伏效率，%。

光伏效率与光伏电池板的温度和入射太阳辐射相关，如式（4）所示。

式中，ηn为STC下光伏效率20.2%；Xc为PV电池效率与电池温度的函数；XR为PV电池效率与入射辐射的函数；Xc=1+EffT(TPV-Tref)；Tref为STC下的参考温度（25℃）；XR=1+EffG(GT-Gref)；Gref为STC下参考光谱辐照度为1000W/m2。

在根据入射太阳辐射和光伏温度计算光伏系统的效率后，计算有效面积下输出电功率如式（5）：

式中，APVT为PV/T面积，m2。

当循环工质流过PV/T吸热板后的流道时吸收热量，温度升高，出口温度可由式（6）计算。

式中，Tfluid,out为PV/T出口温度，℃；Tfluid,in为PV/T进口温度，℃；Ntubes为PV/T吸热板后通道数；Cp为流经PV/T流体的比热，kJ/(kg·℃)；L为PV/T沿流体方向长度。

式中，ηt为PV/T的热效率；Qu为PV/T的集热量，kJ。

3.3 PV/T系统仿真模型（图2）

图2 PVT系统仿真模型

通过对PV/T的文献研究，得出了PV/T装置的详细参数，见表1。根据以上工作方式及控制方法，并采用PV/T对系统进行供暖。

表1 PV/T设备参数

在模拟模型中，假定了以下几个条件：（1）水是单相的、均质的、不可压缩的；在集热器中，热物理性能不随温度变化，一维恒定；（2）水箱在集热期充满水，系统依靠动力循环泵，在一定的流量下进行循环；（3）没有考虑集热系统的热容影响，认为集热系统是稳定的还是准稳定的；（4）在实际的耦合体系中，没有考虑各种管道的压力损耗和阻力损耗；（5）在实际耦合系统中，管道的热损耗未被考虑；（6）装置的各个初始设计资料在瞬态系统中维持不变。

4 系统运行特性模拟研究

本章首先根据第二章建立的部件模块，结合系统计算仿真流程，使用TRNSYS软件平台建立了仿真模型。模拟研究了西安市典型年的气象参数下，当管数为10根，水箱容积为300L，在不同条件水泵流速30kg/h、40kg/h，50kg/h下，系统各项性能参数的变化规律，分析了各因素对系统性能的影响。

PV/T上的光伏电池组将太阳能转化为电能进行输出，当太阳能光照辐射充足，光伏电池组的发电量提高，但大部分辐射没有在光伏电池组上发生光生伏特效应，未被利用的能量会导致光伏温度升高，影响发电效率。

但从图3～5可知，随着循环水泵的流量提升，基本上发电效率、发热效率和发电功率不发生大的变化，全年基本维持在一个稳定的功率下，所以光伏发电效率受到水泵流量的影响并不显著，是因为当PV/T光伏电池组温度过高时，PV/T集热循环泵运行，利用循环冷却介质及时带走热量，有效降低了光伏电池组的温度，保证PV/T在正常工作温度高效发电。

图3 PV效率

图4 热效率

图5 PV发电效率

5 结语

本文介绍PVT的工作原理和特点，利用该系统的原理和流程，确定该系统的适用场合、不同运行工况，明确所要达到的目标和目标实现的方式。建立各个部件的数学模型，并对系统整体进行建模。

以数学模型为理论基础，研究该系统各个部件的相互影响、相互制约的关系，建立PVT系统的仿真模型并设计仿真流程，进行求解。改变入口流量对系统的运行特性进行模拟仿真，并对系统各项性能参数的变化规律进行分析。