光伏热水系统在不同温度工况下的热性能研究

胡志鹏，高 钱，肖君彦，盛振猛

(1.山东省产品质量检验研究院，济南 250102；2.舜普新能源科技(山东)有限公司，济南 250100)

0 引言

太阳能作为一种绿色、可再生的清洁能源，现已得到广泛利用，而太阳能热水系统与光伏发电系统是太阳能的2种主要利用方式[1-2]。本文设计了一种将储热水箱与光伏发电相结合的热水系统(下文简称“光伏热水系统”)，利用光伏组件将太阳能转化为电能，通过电加热的方式为储热水箱中的水加热，以此实现热水供应。针对光伏组件的光电转换效率受环境温度与太阳辐照度影响这一特性，提出了不同环境温度工况下光伏热水系统的热性能测试方法，设计了一套模拟该光伏热水系统实际工作温度的实验平台，并对该系统进行了性能测试、分析与研究。

1 光伏热水系统的组成及实验平台搭建

1.1 光伏热水系统的组成

本文设计的光伏热水系统主要包括光伏组串、储热水箱、直流加热器及连接电缆等。光伏组串由安装于山东省产品质量检验研究院综合楼(36.66°N、117.23°E)楼顶的 3块功率为 275 W的多晶硅光伏组件串联而成；储热水箱中安装有直流加热器，光伏组串产生的电能通过电缆进入直流加热器，用于加热储热水箱中的水。

1.2 实验平台搭建

光伏组串放置在温度可调的环境箱内，同时在环境箱内安装1块与组件安装倾角(45°)相同角度的总辐照表。储热水箱安装在室内，室内温度设定为16±3 ℃；储热水箱中设置有温度传感器，用于监测储热水箱中的水温。

2 实验过程

1)称量储热水箱盛满水后的质量，以此判断储热箱的容水量。

2)设定环境箱内的温度。

3)储热水箱充满水后，记录储热水箱中的初始水温；实验结束后，记录储热水箱中的终止水温。

4)记录光伏组串表面接收的太阳辐照量。

5)通过功率分析仪监测直流加热器端的电压、电流、功率。

6)根据储热水箱中的水温变化计算得到水的得热量；根据水的得热量、光伏组串表面接收的太阳辐照量、光伏组串轮廓采光面积计算得到光伏热水系统的转换效率(系统的转换效率为水的得热量与光伏组串表面接收的太阳辐照量和光伏组串轮廓采光面积乘积的比值)[3-5]。

3 实验结果及分析

为了研究高温和低温环境温度对光伏热水系统热性能的影响，分别选取2020年的4月3日、4月24日及4月30日作为测试日进行测试。4月3日设定了较高的环境箱内温度；4月24日和4月30日设定了低于大气环境温度的环境箱内温度。不同温度工况下光伏热水系统的热性能测试数据如表1所示。

由表1可以看出，虽然2020年4月3日这天光伏组串表面接收的太阳辐照量最大，为14.08 MJ/m2，但该日的系统转换效率最低，仅为14.21%。这是因为在光伏组串轮廓采光面积一定的情况下，系统的转换效率只与光伏组串表面接收的太阳辐照量及水的得热量有关，而水的得热量又与光伏组串的发电量直接相关。由于4月3日环境箱内设置的温度过高，对光伏组件的工作温度造成了影响，降低了光伏组串的发电量，导致系统的转换效率较低。同理，4月24日与4月30日时，环境箱内的温度设置的较低，光伏组串的发电量也相对较好。但从表中也可以看出，4月24日，光伏组串的发电量为3天中最佳，但该日系统的转换效率仅排名第2，而4月30日时系统的转换效率反而最高。这也说明了虽然环境温度是影响光伏热水系统转换效率的因素，但并不是唯一的影响因素，具体原因将在今后的实验中继续探索。

表1 不同温度工况下光伏热水系统的热性能测试数据Table 1 Test data of thermal performance of PV hot water system under different temperature conditions

4月3日、4月24日及4月30日光伏组串表面接收的太阳辐照量与光伏组串的发电量随时间变化的曲线如图1所示。对比3张图可以发现，并非光伏组串表面接收的太阳辐照量越多，组串的发电量就越多，尤其是4月3日，光伏组串表面接收的太阳辐照量最多，但该日组串的发电量仅高于4月30日组串的发电量。

综合表1和图1可以发现， 4月3日光伏组串表面接收的太阳辐照量是4月24日的1.05倍，而组串的发电量只是4月24日的0.90倍；同样，4月3日组串表面接收的太阳辐照量是4月30日的1.26倍，而组串的发电量只是4月30日的1.08倍。也就是说，在单位太阳辐照量下，4月3日光伏组串的发电量是最少的，这也说明过高的环境温度对光伏组串的发电量有一定影响，但这可能不是唯一的影响因素，后续还需进行进一步研究。

4 结论

本文介绍了一种光伏热水系统，并搭建了可模拟该系统实际应用的实验平台，该平台可设定不同的环境温度条件，有助于对光伏热水系统整体性能进行长期研究与分析。

本文选取了3个不同环境温度工况进行实验，结果表明，光伏组串表面接收的太阳辐照量最大时，系统的转换效率未必最高；同时，环境温度会对系统的转换效率产生影响，但环境温度不是唯一的影响因素。