太阳电池光伏光热一体化系统的性能研究

常泽辉，田瑞，侯静

（1.内蒙古工业大学能源与动力工程学院，内蒙古呼和浩特010051；2.内蒙古建筑职业技术学院，内蒙古呼和浩特010070）

随着节能减排观念的日益深入，利用太阳能、风能等可再生能源成为了解决目前严重的化石能源危机和环境污染问题的有效途径。其中太阳能光伏技术日趋成熟，光伏电站已经并网发电，但在太阳能光伏发电技术应用上还存在着光电转换效率低、发电成本高、评价体系不够完善等问题。实验研究表明，在太阳辐照度一定的条件下，当太阳光照射到太阳能光伏电池上时，只有能量大于其半导体材料的禁带宽度的部分光子能量能够转化为电能，此外的能量不仅不能转化为电能输出，还会变为废热造成光电转换效率下降[1]。为了解决这个问题，越来越多的学者开始关注太阳能光伏光热（PV/T）一体化系统，该系统由太阳电池和热收集单元共同组成，可以同时获得电能和热能。一般认为，太阳能光伏光热集热器概念于20世纪70年代提出[2]，但是，近十几年，随着太阳电池效率和太阳能热水器效率的提高，以及国内外学者对PV/T集热器的优化设计，使得太阳能光伏光热一体化系统整体效率得到了提高。

1 太阳电池光伏光热测试实验

1.1 测试方法

本文所进行的实验测试区域位于内蒙古自治区呼和浩特市（东经111°40'，北纬40°30'，海拔1 088米），实验测试时间从2010年6月至9月。选用的太阳电池是由美国西门子公司生产的SM 55型电池板，实验中，电池板正南放置在离地25米空旷的平台上。实验区域年均日照时数为3 000多小时，年均太阳辐照度在1 000W/m2左右，属太阳辐射二类地区。

实验过程分两部分：第一部分是在相同的太阳辐照度下，相同负载条件下，对选用的规格相同的两块太阳电池的输出功率进行对比校核。在校核实验中电池板的倾角变化范围从30°到55°，调整倾角间隔为5°。第二部分是在固定式太阳电池板以当地纬度最佳倾角放置时，对所设计的太阳能光伏光热一体化系统进行性能测试。

1.2 实验装置

如图1所示，本文研究的铜管式太阳能光伏光热一体化系统由一块普通太阳电池、一块装有铜管换热器太阳电池、太阳能光伏发电测试系统、太阳能热水测试系统、太阳能辐射量监测系统、连接管路、负载和支撑框架组成。实验中的铜管式太阳能光伏光热模块的结构示意图如图2所示。

实验选用的测试仪器是锦州阳光生产的PC-2型太阳辐射记录仪和TRM-FD1型太阳能发电监测系统。TRM-FD1型太阳能发电监测系统的电压传感器精度：小于0.5%，显示分辨率为0.1 V；电流传感器精度：小于0.5%，显示分辨率为0.1 A；温度传感器测温范围：－50～100℃，精度：±0.2℃，显示分辨率：0.1℃。PC-2太阳辐射记录仪的准确度：0.5%，仪器内分辨率：±1μV，显示精度：1W。

1.3 实验板件

实验中所采用的实验板件是由美国西门子公司生产的SM 55型电池板，具体参数如表1中所示。

表1 实验板件参数

2 太阳电池光伏光热一体化系统的实验测试

实验中，把铜管换热器安装在太阳电池2板背后，用压条将铜管换热器与太阳电池板背紧密结合，外面敷设保温材料。太阳能光伏光热测试系统中工质循环方式为自然循环，装置正南向放置，太阳电池阵列安装倾角为47°[3]。实验采用对比实验法进行测量，实验电池板倾角相同，负载相同，实验地相同。实验步骤如下：首先对TRM—FD1型太阳能发电监测系统中的测量管路和水箱温度的温度传感器进行温度校正；然后在相同太阳辐照度条件下，对铜管式太阳能光伏光热一体化系统进行测试。测量的参数包括：太阳辐射量R、工作电压UW、工作电流IW、水箱温度TW、环境温度TS，数据采集时间间隔为5m in。

从实验结果中可以得出，在测量的时间单元里，太阳电池工作时产生的热量能够将水温由初始的22℃最高升至33℃，使得装有铜管换热器的太阳电池2板的板背温度控制在45℃以下，比1板的板背温度最多可以降低8℃。水箱温度TW、环境温度TS、1板板背温度T1、2板板背温度T2变化的趋势曲线如图3、图4、图5所示。从图中可以发现：装有铜管束换热装置的2板工作温度曲线要比1板工作温度曲线平缓。

实验中，没有安装换热装置的太阳电池温度在晴天或多云的天气里电池组件的工作温度最高可达到65℃，高温导致太阳电池光电装换效率明显下降。本文所设计的太阳电池光伏光热一体化系统性能实验测试数据比较如图6、图7、图8所示。从实验数据中可以看出，带有铜管换热器的2板的输出功率比没有换热装置的1板的输出功率要大。在测试时间为8：00～15：30之间时，对所测数据进行统计计算，2板的输出功率分别比1板大7.1、6.8、9.3W，相对于太阳电池额定输出功率分别增加了12.90%、12.36%、16.90%。

3 结论

（1）当太阳辐照度在1 000W/m2左右的时候，设计加工的铜管集热器能够保证太阳电池的工作温度低于45℃，使太阳电池的光电转换效率有所提高。

（2）固定式光伏方阵以最佳倾角安装时，在相同的太阳辐照度和环境温度条件下，相对于太阳电池额定输出功率，装有铜管集热器的单块太阳电池的输出功率比普通单块太阳电池输出功率提高近17%。

（3）装有铜管集热器的太阳电池的工作温度曲线较普通太阳电池的工作温度曲线平缓，这对于提高太阳光伏发电系统中的铅酸蓄电池的使用寿命是有利的。

[1] 魏葳,骆仲泱,赵佳飞,等.太阳能光电-光热综合利用系统[J].上海节能,2010,5:12-13.

[2] KERN E C,RUSSELL M C.Combined photovoltaic and thermal hybrid collector system[C]//Proceedings of 13thIEEE Photovoltaic Specialists Conference.Washington:13thIEEE Photovoltaic SpecialistsConference,1978:1153-1157.

[3] 常泽辉,田瑞.固定式太阳电池方阵最佳倾角的实验研究[J].电源技术,2007,31(4):312-314.