太阳能光电光热一体化系统试验实训装置设计与实践

徐鑫 赵维

摘 要：结合“太阳能利用技术”课程教学内容，设计了基于模块式光电光热系统的太阳能光电光热一体化（PVT）相关实训，并进行了拓展试验。采用本套系统，可尽可能地为教师授课、学生学习和教师科研提供更多种类的PV组件、光热组件及聚光组件，以及不同组件相互组合所形成的不同形式的PVT系统；可尽可能实现各模块间的快速组合、形成不同形式的PVT系统、以便进行不同的系统性能测试或多系统对比试验，降低试验成本。通过实训试验，本套系统激发了学生课程学习的兴趣，增强了学生对PVT系统的感性认识，对提高太阳能能源利用率的方法进行理解，取得了较好的实训教学效果并获得了相关试验数据。

关键词：太阳能光电光热一体化；模块式装置；实训设计；教学

1 太阳能光电模块

国内外现有商业化光伏组件种类较多，其中，如表1所示，不同光伏组件有着不同的特点。本试验实训装置采用单晶硅、多晶硅、薄膜电池及砷化镓作为光电模块，每个模块包括光伏组件及引出线，且模块可以通过延伸板与装置相连。

2 太阳能光热模块

按照不同冷却介质，不同流道形式及聚光光学特性对太阳能光热模块进行分析。常用冷却介质包括空气、水和纳米流体等。空气流动方便且使用方便，但由于比热容较大，空气占地面积较大；水的热效率高占地面积小，但是冬季寒冷地区会冻结；纳米流体热效率高，但是价格较高，制备工艺要求高，必须设置二次换热。所以本试验实训装置采用水和空气作为冷却介质。

由于冷却介质流道会对传热效果产生影响，所以在设计本试验实训装置时，首先对不同液体流道及空气流道进行了对比分析，由于流道特征尺寸对传热过程有影响，流道越长，电效率越高，热效率越低，达到一定值后趋于稳定；流道越深，电效率越高，热效率变化较小，达到一定值后趋于稳定；所以利用FLUENT模拟，对流道形式进行确定，如图1所示。本试验实训装置采用DN20铜管及DN20软管作为液体流道，管间距可从50～80mm之间调整；流道形式包括直管式、蛇形管式和微热管式。采用亚克力作为空气流道材质，通过FLUENT模拟得到扁盒宽度为50mm。

一般的，聚光性能越好，集热效果越佳。平板式集热器价格较便宜，占地面积小，但聚光效果较弱，综合效率较低；槽式集热器聚光效果较强，工质制得温度较高，但占地空间较大；菲涅尔聚光和塔式聚光的聚光效果强，但是价格昂贵，一般用于中高温光热发电系统。所以，本试验实训装置选用平板式及聚光式聚光模块。其中，平板型集热器多使用玻璃盖板覆盖集热管以提升集热效率，但若用于PVT系统，电效率会有降低；若无玻璃盖板，PVT系统电效率会提升，但PV组件长时间暴露在空气中会缩短组件使用寿命。所以，本试验实训装置的玻璃盖板可选择性放置。

不同的流体状态会影响PVT系统性能。通过实验及模拟发现，流体流速越快，PV组件表面温度越低，流体温升越小，得热量越大，综合效率越高。说明当流体设定较低的初始温度和适宜的流速时，可使综合效率得到提升。所以，本试验实训装置可通过阀门和水箱电加热器调整系统初始温度及流体流速。

3 模块组合方式

如表2及表3所示，不同的流道形式进行组合，可以形成不同的系统，并在相同太阳辐射值下得到不同的综合效率。所以，本试验实训装置利用模块化的光热组件搭建出不同系统，进而获得不同的试验及实训工况。

4 环境因素设置

由于本系统通过太阳能进行驱动，系统综合效率会随着太阳辐射值的变化而变化。当天空的云或周围物体对PVT板进行遮挡时，综合效率随即下降。即在中国北方地区，雾霾天气是不适宜在室外使用PVT进行实验研究的，所以本试验实训装置需要设置模拟光源，设置灯架及可调整模拟辐射值。

对于PV组件而言，环境风速增大时，PV组件表面的温度逐渐下降，可提升发电效率。但是风会带来沙尘，造成PV组件的有效面积减小，进而降低发电效率。所以本试验实训装置在室内进行操作，并定期进行光电模块、光热模块的清洁工作。

5 PVT模块式试验实训装置

根据上述分析，装置包括灯源、可更换光电模块、可更换光热模块、水泵、风机、可调整流量阀，测试装置包括太阳能辐射仪、热电偶、热量表、风速仪及数据采集器等，如图 2所示。

本试验实训装置通过对不同光电光热一体化模式进行对比试验，可为太阳能光电光热一体化系统性能研究提供基础试验数据；利用本装置进行实训，指导学生进行模块搭建操作及现场测试试验，整合PV组件和太阳能集热器的实体及概念，使学生增进对PVT系统的直观认识。

6 结论

本试验实训装置具有以下优点：

1）在太阳能利用实训课上或学生科技活動中，可利用本套装置指导学生进行模块搭建操作及现场测试试验，整合PV组件和太阳能集热器的实体及概念，使学生增进对PVT系统的直观认识；

2）本套装置通过多种组合可以实现多种类型PVT系统，可供本校师生、相关院校及科研单位在相同设计条件下进行PVT系统性能实验；

3）测试的结果可为太阳能光电光热一体化系统性能研究提供基础试验数据，为系统优化提供试验方法并降低正交试验成本。

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