基于联供系统的太阳能光热/光电利用试验研究

张 涛 韩吉田 赵红霞 段 炼

(1山东大学能源与动力工程学院,济南 250061)(2泰安市中心医院,泰安 271000)

太阳能是一种可再生能源,利用太阳能对于节约常规能源、保护环境具有极其重大的意义[1].燃料电池是等温地将储存在燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的电化学单元,具有高效、不依赖环境变化的特点[2].作为一种具有良好发展前景的低温燃料电池,质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有工作温度低、无污染、无腐蚀、比功率大、启动迅速等优点[3].太阳能耦合燃料电池热电联供系统具有能源利用率高、能源循环利用的特点,对于解决能源短缺和环境污染两大难题具有重要意义.

太阳能耦合燃料电池热电联供系统分为太阳能光电/燃料电池的发电系统、太阳能光热/燃料电池的余热回收系统.太阳能光电/燃料电池系统是一种有效的复合电能系统,联供系统主要包括太阳能光伏电池、水电解槽、氢气储罐、燃料电池[4],水电解槽接受光伏直流电生成氧气及氢气,电解水生成的氢气储存在储氢罐中,燃料电池消耗储存的氢气产生电能[5].电能输出的可靠性以及增加的利润,是太阳能光电/燃料电池系统的最大优点[6-9].全玻璃真空管集热器、单效溴化锂吸收制冷系统、PEMFC和板式换热器可组成冷热电联供系统,其中PEMFC为住宅内的照明和家电提供电力,在没有太阳辐照的条件下,也可为住宅提供限量的热水[10-13].太阳能光热/PEMFC的仿真研究表明,当燃料电池的电流密度为900 mA/cm2时,电池的最大输出功率为7.19 kW,最大输出热能为13.20 kW.当燃料电池运行温度由75 ℃升高至95 ℃时,燃料电池最大输出功率由7.30 kW下降为6.90 kW,但最大输出热能由7.70 kW上升为8.10 kW[14-16].在太阳能光热/PEMFC联供系统中,氢气的反应速率、燃料电池运行温度、电堆循环冷却水进出口温度、电堆的输出电压与电流是主要影响因素,电堆循环冷却水输出功率决定水冷系统参数及太阳能热水系统参数[17].

在太阳能耦合燃料电池冷热电联供系统的相关文献中,主要给出数值模拟仿真数据,极少提供相关试验验证数据.本文在全玻璃真空管太阳能集热器研究的基础上,参照太阳能光热/光电和PEMFC联供系统的相关试验研究,搭建太阳能气象站、太阳能光电/PEMFC模拟器以及低温太阳能集热器/空气源热泵热水系统试验平台,研究太阳能光电/光热和PEMFC热电联供系统基础参数,验证太阳能耦合燃料电池热电联供系统的可行性.

1 联供系统构成

如图1所示,太阳能和PEMFC热电联供系统由太阳能气象站、太阳能光电/PEMFC、低温太阳能集热器/空气源热泵热水系统及PEMFC/板式换热器构成.

图1 太阳能和PEMFC热电联供系统简图

在太阳辐照充足的条件下,太阳能光伏板产生电能,这些电能首先通过直流控制器供给电用户，同时产生的多余电能输送给电解槽,在电解槽中电解水产生氢气和氧气.将电解水产生的氢气和氧气分别储存在氢气储罐和氧气储罐中;当太阳辐照强度较低或辐照强度为零时,氢气和氧气经过PEMFC发生电化学反应产生直流电能,直流电能经过功率转换装置供给电用户直接使用,由此构成太阳能光电/PEMFC联供系统.

空气源热泵控制温度设定为40～45 ℃,维持储热水箱内温度为40～45 ℃.当储热水箱水位低于40%时,软化水补水经电磁阀进入储热水箱,与储热水箱内的热水混合;在太阳辐照充足的条件下,启动太阳能热水循环泵,储热水箱内热水流经低温太阳能集热器并吸收太阳辐射能,吸收太阳辐射能的热水温度升高并储存在水箱内;当储热水箱内热水温度低于40 ℃时,启动空气源热水循环机组,储热水箱内热水流经空气源热泵并吸收空气热能,吸收空气热能的热水温度升高并储存在水箱内,当储热水箱内热水温度高于45 ℃时,空气源热水机组停止运行.低温太阳能集热器、空气源热水循环机组、储热水箱和自动控制系统,组成完整的低温太阳能集热器/空气源热泵热水系统.

当水温为55 ℃的燃料电池电堆去离子循环冷却水流经板式换热器时,释放热量后水温下降为50 ℃,水温为50 ℃的去离子循环冷却水流经PEMFC电堆,吸收运行温度为80 ℃左右的电堆热量,温度升高为55 ℃的循环冷却水;当储热水箱内40 ℃的太阳能热水流经板式换热器时,吸收热量后水温上升为45 ℃,水温为45 ℃的太阳能热水流经储热水箱,并储存在水箱内部供给用户使用.PEMFC电堆、板式换热器和太阳能储热水箱构成PEMFC电堆/太阳能光热热电联供系统.

2 试验装置

根据太阳能耦合燃料电池热电联供系统的构成,太阳能光电/光热的试验装置主要包括太阳能气象站、太阳能光电/PEMFC模拟器、低温太阳能集热器/空气源热泵热水系统.

2.1 太阳能气象站

如图2所示,太阳能气象观测站的室外仪器包括风速风向仪、温度湿度仪、数据采集器、太阳辐射表、数据采集线、仪器支架等设备;太阳能气象观测站的室内仪器包括太阳能热水系统测试仪、测试软件、测试主机、数据采集线等设备.

2.2 太阳能光电/PEMFC

如图3所示,太阳能光电/PEMFC模拟器试验系统主要分为2部分:① 充电.当日照充足时,太阳能光伏板产生直流电为蓄电池充电,所需仪器主要为100 W太阳能光伏板、光伏控制柜、蓄电池等.② 放电.当太阳辐照强度为零,光伏板电压及电流降为零时,启动蓄电池放电开关,电解水槽产生氢气和氧气,氢气驱动PEMFC模拟器产生直流电流,所需仪器主要为蓄电池、光伏控制开关、电解水槽、PEMFC模拟器等.

(a) 室外设备

(b) 室内设备

(a) 室外设备

(b) 室内设备

2.3 低温太阳能集热器/空气源热泵热水系统

如图4所示,太阳能光热/PEMFC试验系统主要分为4部分:① 太阳能集热器加热系统.当日光充足时,生活用水经太阳能集热器加热温度升高,试验装置为太阳能循环泵、横双排全玻璃真空管太阳能集热器.② 空气源热泵系统.当水箱内水温低于设定值时,空气源系统启动,生活热水吸收空气热能后温度升高,试验装置为空气源热水机组、循环水泵等辅助设备.③ 储热水箱.所有生活热水均储存在水箱内部,储热和保温是水箱的2个主要功能.④板式太阳能集热器测试平台.主要包括板式太阳能集热器、储热水箱、便携式气象站、支架、热水循环泵、测温热电阻等设备.为与全玻璃真空管集热器进行对比,本文还采用了管板式集热器以及强化传热的黑陶瓷集热器.在水箱内部高、中、低不同位置,测量水温变化并计算储热水箱平均温度,集热器进出口均安装Pt100热电阻,以便测量集热器温度变化.

(a) 室外设备

(b) 室内设备

3 效率性能

根据太阳能光电/光热试验研究要求,本文主要研究PEMFC转化效率、太阳能集热器热效率的变化,试验验证太阳能耦合燃料电池热电联供系统的可行性.

PEMFC运行时,氢氧发生反应生成水,若生成水为液态则为高热值效率(HHV),若生成水为气态,则为低热值效率(LHV).本文应用循环水冷却,故采用HHV.电能转化效率计算公式为

(1)

式中,ηeHHV为高热值效率;Vc为质子交换膜燃料电池电压,V.

集热器效率可定义为集热器输出的有用功率与投射到集热器上的太阳辐射功率之比,集热器效率与选择的集热器面积有直接的关系.本文根据试验要求,选择以总面积为参考的集热器效率,集热器效率计算公式为

(2)

4 单日气象参数

本文以2015年春分、夏至、秋分及冬至4个节气日为基础,分析单日气象参数变化.

4.1 单日气象分析

通过观测气象参数变化,以2015年夏至当日气象参数为基础,以全天时刻变化为基准,分析环境温度、辐照强度、环境湿度、露点温度、瞬时风速和平均风速24 h变化趋势.夏至当日气象参数分析如图5所示.

当日00:00—05:00及19:00—00:00,太阳辐照强度为0,由于没有太阳辐照热量,环境温度在凌晨05:00降至最低;当日05:00—12:00,辐照强度逐渐升至最高,由于吸收太阳辐照热量,环境温度逐渐升高,当日12:00—16:00,环境温度最高;辐照强度自12:00—19:00,逐渐降至最低,环境温度自16:00逐渐下降,完成当日循环.

当日00:00—09:00及16:00—00:00,环境湿度逐渐升至最高,露点温度在经过一段时间波动后,当日00:00—09:00及18:00—00:00,露点温度也升至最高;当日09:00—15:00,环境湿度和露点温度均下降至最低值.由图5中数据分析可知,夏至当日环境湿度和露点温度变化相一致.

当日00:00—07:00及20:00—00:00,由于夜间环境温度稳定,因此瞬时风速和平均风速变化平稳,风速数值趋近于0;当日07:00—20:00,随着环境温度的变化,瞬时风速和平均风速剧烈波动;由于瞬时风速只测取具体时间点数值,平均风速的数值更趋近于测试时间段内的风速数值.

4.2 单日数据拟合

以单日气象数据为基准,00:00—24:00时刻气象变化为变量,拟合多项式.辐照强度拟合曲线协方差最高;风速测量数据波动较为明显,数据参差不齐,风速拟合曲线协方差最低.气象参数拟合多项式如下所示:

(a) 环境温度和辐照强度

(b) 环境湿度和露点温度

(c) 瞬时风速和平均风速

y=Ax6+Bx5+Cx4+Dx3+Ex2+Fx+G

(3)

式中,y为各节气测量参数(环境温度、辐照强度、环境湿度、露点温度、瞬时风速和平均风速);x=T/24,T为测试时刻.系数及拟合曲线协方差如表1所示.

5 太阳能光电/PEMFC模拟器

由于受到100 W太阳能光伏板容量的限制,试验采用PEMFC模拟器,研究太阳能光伏发电、电解水制氢、PEMFC模拟器发电的可行性.

5.1 辐照强度与充电电压

试验当日为晴天,10:00—13:00辐照强度最佳,全天辐照强度平均值为336.94 W/m2.随着充电时间的延续,光伏板充电电压逐渐降低,在试验时间段内,充电电压平均值为11.73 V.试验数据显示,充电电压与辐照强度之间不存在某种关联,辐照强度与充电电压随时间变化情况如图6所示.

图6 辐照强度与充电电压随时间的变化

光伏充电电压与蓄电池容量相关联,太阳能蓄电池的容量是定值,随着充电时间的延续,蓄电池的容量趋向最大,充电电压逐渐下降,最终与蓄电池电压相同.充电电压与充电时间关系式如下:

12.12

R2=9.97×10-2

(4)

式中,y3为充电电压,V;t为充电时间,min;R2为协方差.

5.2 辐照强度与充电功率

测试当日10:00—14:00,辐照强度和充电功率均处于稳定区间,即随着太阳辐照强度的稳定,太阳能充电功率也趋于稳定.当辐照强度大幅波动,即辐照强度上升或下降时,太阳能充电功率也开始跃动,在测试时间段内,充电功率平均值为18.29 W.

通过数据分析,在测试时间段内,充电功率与辐照强度均出现波动区间和稳定区间,而且二者时间区间吻合,充电功率与辐照强度存在联系.但由于低辐照强度时,蓄电池充电功率剧烈波动,很难拟合函数公式.辐照强度与充电功率随时间变化情况如图7所示.

5.3 辐照强度与充电效率

测试当日08:00—10:00,随辐照强度升高,光伏板充电效率下降.10:00—14:00,当辐照强度处于最高区间时,光伏板充电效率处于最小区间.14:00—16:00,辐照强度降低,光伏充电效率升高.

表1 单日数据拟合多项式系数及拟合曲线协方差

图7 辐照强度与充电功率随时间的变化

在测试时间段内,充电效率平均值为14.22%.

在测试时间段内,充电效率与辐照强度虽然出现波动区间和稳定区间,受太阳能蓄电池容量的限制,二者的区间恰恰相反.为解决高辐照量、低充电功率的现象,可采用多个蓄电池并联充电,但实际效果有待试验验证.辐照强度与充电功率随时间变化情况如图8所示.

5.4 辐照强度与光伏温度

光伏温度为光伏板背面的试验测量数据.测试当日8:00—12:00,随辐照强度升高,光伏板温度逐渐增大.测试当日12:00—16:00,当辐照强度逐渐降低时,光伏温度并未迅速下降,而是保持较高温度.在测试时间段内,光伏温度平均值为39.95 ℃.

图8 辐照强度与充电效率随时间的变化

通过数据分析,在10:00—12:00之间,当辐照强度稳定变化时,可以确定光伏温度与辐照强度的温度系数.当辐照强度降低时,受环境温度、风速等散热因素的影响,无法确定光伏温度与辐照强度关联式,光伏板平均温度系数为0.076 3.辐照强度与光伏温度随时间变化情况如图9所示.

5.5 氢气气泡和氧气气泡

由于试验采用水电解槽模拟器,因此试验过程中的电解电压不大于14 V.在电解水过程中,氢气气泡和氧气气泡并非同时产生,氢气气泡产生的时间间隔为8～12 s,氧气气泡产生的时间间隔为15～20 s,氢气气泡数量大于氧气气泡数量.在试验过程中,未同时发现氢气气泡和氧气气泡.氢气气泡和氧气气泡的产生如图10所示.

图9 辐照强度与光伏温度随时间的变化

(a) 氢气

(b) 氧气

5.6 蓄电池放电

蓄电池测试时间为12 min,在测试初期,蓄电池放电电压和放电电流均有瞬间升高;随后蓄电池放电电压趋向平稳,蓄电池放电电压没有大的波动,但蓄电池放电电流波动较大.在整个测试过程中,蓄电池的平均放电电压为10.83 V,蓄电池的平均放电电流为0.83 A.

当蓄电池开始放电时,在0～2 min内,电压和电流均升至最大值,此时会对电解水槽造成冲击,因此在设计太阳能光电/PEMFC系统时,电解水槽最大容量需匹配蓄电池最大放电电压和最大放电电流.蓄电池放电变化趋势如图11所示.

图11 蓄电池放电变化趋势

5.7 模拟器电流和电压

试验测试时间为12 min,在测试开始0～2 min内,PEMFC电流升至最大值,在随后4～12 min内,PEMFC电流数值稳定,平均电流为10.29 mA,电流密度为1.79 mA/cm2.PEMFC电压在0～6 min内逐渐升高至最大值,当直流电机启动后,PEMFC电压下降,形成稳定输出,平均电压为0.28 V,电能转化效率为22.06%.

由于受到氢气供应量的影响,在测试过程中,PEMFC电流和电压并未同时到达最大值且存在2～4 min间隔,此时段恰为PEMFC启动时间.PEMFC模拟器电压和电流变化趋势如图12所示.

图12 PEMFC模拟器电流和电压变化趋势

6 低温太阳能集热器/空气源热泵热水系统

根据PEMFC余热回收利用中循环冷却水温度较低的特点,搭建低温太阳能集热器/空气源热泵热水系统,试验研究低温太阳能集热器及空气源热泵的运行参数.

6.1 集热管温度

在试验时间段内,晴天全玻璃真空集热管温度先下降后升高,当日10:00—13:00温度最高,在13:00之后温度逐渐下降,全天平均温度为36.00 ℃.在阴天和雪天,集热管温度变化一致,当日08:00—16:00集热管温度逐渐降低,阴天全天的平均温度为25.65 ℃,雪天全天的平均温度为17.82 ℃.晴天、阴天和雪天集热管温度变化如图13所示.

图13 集热管温度变化

6.2 集热器温度

在晴天08:00—10:00之间,全玻璃真空管集热器温度逐渐升高,在晴天10:00—13:00之间,全玻璃真空管集热器温度最高,在13:00之后温度逐渐下降,全天的平均温度为43.88 ℃.在阴天08:00—12:00之间,全玻璃真空管集热器温度逐渐下降,在12:00—16:00之间,集热器温度升高并维持恒定温度,全天的平均温度为32.88 ℃.在雪天08:00—14:00之间,全玻璃真空管集热器温度逐渐下降,并在最低温度维持4 h,随后温度升高,但仅维持1 h,最后温度降低,全天的平均温度为29.53 ℃.晴天、阴天和雪天集热器温度变化如图14所示.

图14 集热器温度变化

6.3 储热水箱温度

在试验时间段内,水箱温度虽然有波动,但水箱内部处于恒温状态.雪天水箱内部温度最高,平均温度为46.94 ℃；晴天水箱温度最低,平均温度为44.24 ℃；阴天的全天平均温度为45.47 ℃.晴天、阴天和雪天储热水箱温度变化如图15所示.

6.4 热泵出口温度

空气源热泵出口温度呈阶梯状分布,阴天和雪天最为明显,阴天热泵出口平均温度为43.53 ℃,雪天热泵出口平均温度为43.76 ℃.晴天热泵出口温度最低,出口最低温度为41 ℃,空气源热泵运行时间最长,晴天热泵出口平均温度为43.65 ℃.晴天、阴天和雪天热泵出口温度变化如图16所示.

图15 储热水箱温度变化

图16 热泵出口温度变化

6.5 管板水箱内温升

换水试验时,排空储热水箱、管道、集热器热水,在换水当日10:00—11:00之间,水箱内温升直线下降.换水过程结束后,在11:00—18:00之间,储热水箱温升逐渐升高.随着辐照强度下降为0,热水循环介质对外放热,在18:00—24:00之间,储热水箱内温升逐渐降低.换水试验的最大温升为4.33 ℃,平均温升为1.32 ℃.

闷晒试验时,保持储热水箱、管道、集热器内热水连续运行,在闷晒当日00:00—8:00之间,储热水箱内温升逐渐下降.随着辐照强度和环境温度升高,在08:00—18:00之间,循环热水吸收辐照热量温升逐渐升高.随着辐照强度下降为0 以及环境温度的降低,在18:00—24:00之间,储热水箱内温升逐渐降低.闷晒试验的最大温升为3.17 ℃,平均温升为1.98 ℃.管板水箱内温升变化如图17所示.

6.6 管板热效率

如式(2)所示,当辐照强度为0时,计算公式没有实际意义,因此选取当日08:00—16:00 为热效率的分析区间.在08:00—16:00之间,管板式平板型热水器热效率随辐照强度和环境温度的改变而波动.在08:00—10:00之间,闷晒试验热效率大于换水试验热效率.在11:00—16:00之间,换水完毕后,换水试验热效率高于闷晒试验热效率.换水试验平均热效率为37.99%,闷晒试验平均热效率为32.88%,管板集热器总平均热效率为35.43%.管板集热器热效率变化如图18所示.

图17 管板水箱内温升变化

图18 管板集热器热效率变化

6.7 黑陶瓷水箱内温升

黑陶瓷集热器与管板集热器共用同一个储热水箱.换水试验时,储热水箱内温升快速降低,随后温度升高.在20:00至次日08:00之间,储热水箱与外界热交换,储热水箱内水温降低.在闷晒试验过程中,水箱内温升逐渐升高,在16:00之后,储热水箱进入散热循环.换水试验的平均温升为4.79 ℃,闷晒试验的平均温升为10.91 ℃.

在闷晒试验过程中,黑陶瓷集热器的温升大于管板集热器.当辐照强度降为0,流体介质与外界进行热交换,黑陶瓷集热器的温降小于管板集热器的温降.黑陶瓷水箱内温升变化如图19所示.

6.8 黑陶瓷热效率

与管板集热器热效率分析类似,对08:00—16:00之间的黑陶瓷热效率变化进行分析.换水试验和闷晒试验过程中,虽然闷晒试验期间的辐照强度高于换水试验期间辐照强度,但在08:00—16:00之间,换水试验热效率高于闷晒试验热效率.由于黑陶瓷集热器采用陶瓷涂层技术,因此吸收率增加，从而使集热器热效率升高.换水试验平均热效率为50.11%,闷晒试验平均热效率为30.29%,黑陶瓷集热器总平均热效率为40.21%.黑陶瓷集热器热效率变化如图20所示.

图19 黑陶瓷水箱内温升变化

图20 黑陶瓷集热器热效率变化

7 结语

本文通过太阳能光电/光热试验研究,验证太阳能耦合燃料电池热电联供系统的可行性.试验研究结果表明,太阳能气象观测站可为太阳能耦合燃料电池热电联供系统提供准确的效益分析数据.100 W太阳能光伏板电解水产生的氢气可为PEMFC模拟器提供充足的燃料,并产生稳定的直流电压和电流.40～45 ℃的低温太阳能集热器/空气源热泵热水系统,可连续不断地吸收PEMFC循环冷却水热量,确保热电联供系统正常运行.