严寒地区热管式太阳能PV/T系统性能的试验研究

李美萱，郭春梅，李勇刚，胡 凯

（天津城建大学，天津 300384；2.天津市建筑设计院，天津 300074）

0 引言

光伏光热系统的概念最早由KERN等［1］提出，并搭建了PV/T试验装置。AKBARZADEH等［2］研究发现，没有冷却系统的光伏电池板温度高达84 ℃，电池效率降低了50%。HUANG 等［3］的研究结果表明，系统的光电光热总效率在60%以上，高于单一的太阳能热水系统或光伏发电系统。SAITOH等［4］将太阳能PV/T集热器的效率与PV和太阳能集热器的效率进行比较，证明了PV/T太阳能集热器具有很高的可行性。LIANG等［5］建立了一种新型的石墨填充绝热的PV/T集热器，研究结果表明石墨填充的PV/T收集器最高电效率为 7.2%，最高节能效率为 48%。FARAHAT等［6］经过研究，认为热管冷却技术是更好的冷却方法，可以使光伏电池板在较低的温度下工作，保持较高的发电效率。李宁军等［7］设计了一种新型的基于平板微热管阵列的太阳能光伏光热（PV/T）系统，研究结果表明，该系统夏季的热效率可达到54.5%，光效率可达到13.3%，综合性能效率达到67.8%。吴双应等［8］设计了一种采用热管冷却光伏电池板的太阳能光伏电热一体化系统，结果显示，热管式PV/T系统的光伏电池板温度的变化幅度小于2.5 ℃，系统的发电效率和热效率分别在6.99%～7.46%和51.0%～63.2%之间。陈红兵等［9-10］对热管式PV/T系统进行了研究，发现太阳辐射强度和室外空气的温度对于系统的电效率影响显著，联箱入口水温和循环水量对热性能影响较大，对电效率影响不大。同时他还研究了基于相变流体的热管式PV/T系统，研究发现，相较于水的热管式PV/T系统，该系统的日均电效率提高了0.8%，日均热效率提高7%，日均综合效率提高了10.2%，试验结果为相变流体在光伏光热领域的应用提供了参考。马斌［11］设计了一种新型环路热管式光伏热水系统，并对该系统在四季典型工况下进行了测试研究，结果表明，该系统在夏季工况下平均光热效率和总太阳能利用效率最高；冬季工况下平均光电效率和光伏光热综合效率最高，为该系统在寒冷地区的推广应用提供了理论基础。近年来，也有一些学者［12-19］将PV/T组件与热泵结合进行研究，结果表明，将光伏组件与热泵系统结合不但可以提高光伏系统的光电效率，同时也可以改善热泵机组的性能。

以上分析表明，热管式太阳能光伏光热（PV/T）系统是一项高效、节能、环保的新型能源应用技术。本文主要是以严寒地区典型城市天津市为例，研究了热管式PV/T系统在严寒地区的工作性能，测试了系统的瞬时发电效率、日电效率、日热效率以及光伏电池温度随太阳辐射和冷却水流量的变化，为今后热管式太阳能PV/T系统的在严寒地区的应用提供了参考。

1 天津地区太阳能资源

按照中国太阳能资源的划区标准，天津属于二类地区，全年日照时数大于3 000 h。在天津的典型气象年中，一年之中全部的太阳总辐射为5 977.6 MJ/m²，365天中共有199天可利用太阳辐射能源，占全年的比例为54.5%，全年可利用的太阳辐射为3 880 MJ/m²，占总辐射能量的比例为65%。本次计算中采用文献［20］中的天津市典型年气象数据。图1示出了天津典型气象年月总辐射的年变化。

图1 天津市太阳能月总辐射的年变化Fig.1 Annual variation of monthly total solar radiation in Tianjin

由图1可看出，天津地区太阳能辐射量最大的月份是5月份，4～9月份的月总辐射都超过了500 MJ/m2，有较丰富的太阳能资源，适合使用光伏光热（PV/T）系统对太阳能进行利用，而且天津地区夏季炎热，空调制冷用电量逐年增加，社会总用电量十分巨大，采用光伏光热（PV/T）系统可以不仅可以缓解城市用电紧张，满足用电高峰，还可以为用户提供生活热水。因此，太阳能光伏光热（PV/T）系统在天津具有很好的应用前景。

2 热管式光伏光热试验研究

2.1 热管式光伏光热集热器

本次试验采用的是平板热管，相较于普通的圆型热管，增加了热管与光伏组件的接触面积，加强了组件与热管之间的换热，能更好地降低组件的温度，强化PV/T系统的性能。热管PV/T集热器由玻璃罩、PV电池层、电池基板、热管层、绝缘层、黑色TPT、背板和热管蒸发部分组成（见图2），封装在铝框架内。

图2 热管式PV/T集热器截面Fig.2 Section of heat pipe PV/T collector

2.2 试验系统的建立

试验设计了一套热管式光伏光热系统，如图3所示。试验由2个系统组成：单晶光伏（PV）和单晶光伏/热（PV/T）系统。这2个系统中的光伏板以相同的倾斜角上下放置，以确保两个光伏板接收的太阳辐射量相同。热管收集器放置在系统中光伏板的后面，冷却水在收集器和水箱之间机械循环，水箱的出水口和集热器进水口之间依次置有水泵、流量计，测量冷却水的流量。试验中测量的参数有：光伏电池板的温度、集热器进出口温度、水箱的温度、冷却水流量以及2块光伏电池板的开路电压和短路电流。通过比较2种系统的运行参数，利用试验数据定量评价PV/T系统相对于传统PV系统的优势，并通过实测数据计算发电效率和集热效率，对系统性能进行分析。

图3 热管式PV/T试验系统Fig.3 Picture of heat pipe PV/T experimental system

试验系统中使用的循环水泵的额定流量大于冷却水系统需要的流量，因此采用了旁通管分流的方法来降低系统中的水流量。通过对水泵出口处和旁通管上阀门开度的控制可以改变系统中水流量的大小。

2.3 试验设备及仪器

试验采用的蓄热水箱是容量为50L的普通家用热水器，自带保温与加热功能，水箱水泵的型号为格兰富的UPA90，额定流量为0.5 m3/h，扬程为7.5 m。太阳辐射强度采用日照强度计MS-802来测量，光伏板的表面温度通过数字温湿度记录仪CENTER314获得，Pt100热电阻与XMT604显示仪配合测量冷却水的入口和出口温度，玻璃转子流量计（LZB-15）通过法兰连接安装在管道上，用于测量冷却水的流量。Fluke319钳形表用于测量光伏板的瞬时电压、电流、电阻等，这些参数的测试精度见表1。

表1 热管太阳能PV/T系统试验仪器参数Tab.1 Experimental instrument parameters of heat pipe solar PV/T system

2.4 系统评价指标

为了更好地分析系统的热性能和光学性能，以光电效率、光热效率作为评价标准进行系统的研究与分析。

2.4.1 热效率ηth

PV/T组件实际获得的热量与组件表面接收的太阳辐射量之比为PV/T组件的瞬时光热效率ηth，定义为：

式中 Qu——系统的热量输出，W；

Ac——组件的照明面积，m2；

G ——太阳辐射强度，W/m2；

m ——水箱内水的质量，kg；

Cp——水的热容，kJ/（kg·K）；

tf,o——收集器出口的水温，K；

tf,i——收集器入口处的水温，K。

2.4.2 光电效率ηε

PV/T组件在稳态条件下运行时实际获得的电量输出与组件表面接的太阳辐射量之比为PV/T 组件的瞬时光电效率ηε：

式中 Qε——光伏电池层的输出功率，W；

Lm——最大功率点的实时电流，A；

Vm——最大功率点的实时电压值，V。

3 试验结果及分析

3.1 PV/T系统的优势

试验测试比较了有无集热装置的光伏电池板的温度和发电效率，从图4中可以看出，带有集热装置的光伏板的温度低于单一光伏电池板的温度，二者最大温度差可达8 ℃，研究表明光伏电池温度每升高1 ℃，其光电转换效率相对下降0.5%［21-22］。如图5所示，PV/T系统的电效率高于PV系统，二者瞬时电效率的差最大可达5.8%，2个系统全天的发电量分别为3.69 MJ和3.78 MJ，日发电效率分别为13.3%和13.7%，相较于PV系统，PV/T系统的发电效率提高了2.65%。因此，PV/T系统具有更好的发电性能。

图4 有无集热装置的光伏电池板温度变化趋势Fig.4 Temperature variation trend of PV panel with/without heat collector

图5 有无集热装置的光伏电池板发电效率变化趋势Fig.5 Variation trend of power generation efficiency of photovoltaic panels with/ without heat collectors

3.2 PV/T系统的全天运行状况分析

9月29日的试验结果被用来分析热管PV/T系统的日常性能，试验期间，11：57时太阳辐射峰值最高，为 1 051.064 W/m2，9：00～16：00 时平均太阳辐射约为868.4 W/m2。图6示出了测试期间的光伏电池板温度、收集器进出口水的温度，当天光伏电池板最高温度大约出现在13：30，达到57 ℃，集热器的出口水温最高达到46.4 ℃，出现在14：00～15：00之间。集热器的进出口温差约为2 ℃，最大温差在大约12：30达到3 ℃，通过集热器进出口水的温差可以反映系统的传热性能。

图6 光伏电池板温度、集热器进出口水温变化趋势Fig.6 Variation trend of PV panel temperature and inlet and outlet water temperature of PV collector

测试结果表明，集热器进出口温度较为稳定，光伏电池板的温度存在一定的波动。这是由于光伏电池板的温度分布不均匀，虽然在试验中在光伏电池板表面呈V字形布置了多个温度测点取平均值，但只是减少了测量误差，并不能消除误差。但是总体来说，光伏电池板温度变化的趋势同集热器进出口温度一样，都是先升后降，这也和当天太阳辐射照度的变化趋势一致。

图7示出了光伏电池板发电效率与光伏电池板温度的关系。

图7 系统发电效率与光伏电池板温度变化趋势Fig.7 Variation trend of system power generation efficiency and photovoltaic panel temperature

从图中可以看出，光伏电池板的发电效率随光伏电池板温度的上升而降低。当天光伏电池瞬时发电效率最大值为15.2%，最小值为12.6%，二者之间相差了20%左右。可见，发电效率与光伏电池板温度成反比，且板温度对发电效率影响较大。通过试验数据计算得，热管式PV/T试验系统这一天的热效率为19.3%，蓄热水箱的最高温度达到了46.4 ℃，可以满足人们洗浴的要求。全天的发电量为3.8 MJ，发电效率为13.7%。试验数据显示系统热效率偏低，这是因为试验时已时值9月末，气温偏低，通过系统光伏电池板表面的散热较多，且连接蓄热水箱和集热器的管路未做保温，在当时的天气情况下，散热量较大，这在一定程度上影响了系统的集热效率。

3.3 冷却水流量对光电效率的影响

选择不同流量运行的试验数据进行比较，分析流量对系统效率的影响。由于在室外进行的试验，两天的气象参数无法做到一致，只能通过系统的集热效率和发电效率来分析流量的影响。

选取了9月29日和9月30日的试验数据，这两天系统运行时的流量分别为250，200 L/h，系统发电效率变化如图8所示。从图8中可以看出，在2天的初始时刻，光伏电池板的发电效率几乎一样，随着系统的运行，发电效率逐渐下降，流量大的系统的光伏电池板发电效率略高于流量小的系统。29日和30日的全天发电效率分别为13.7%和13.5%，集热效率分别为19.3%和18.6%，由此可见，冷却水的流量对系统热效率影响更加显著，对电效率影响不大，但是增加水的流量也会增加泵的耗电量，这相当于降低了系统的发电效率。因此，系统应该存在一个使效率达到最大的合理流量，这可作为优化系统的一个方向进行后续研究。

图8 流量不同时光伏电池板的发电效率变化趋势Fig.8 Variation trend of generation efficiency of photovoltaic panels with different flow rates

3.4 储水装置对系统热效率的影响

对系统一天的运行状况进行分析，发现系统的集热效率偏低，当水箱温度达到40 ℃左右的时候上升的趋势就会变慢，对光伏电池板的冷却效果明显变弱。因此，提出在系统中增设一个储水箱的措施以提高系统热效率。当蓄热水箱中的水达到一定温度时，将热水转移至储水箱内，重新用自来水将蓄热水箱充满，用来继续集热。

图9示出了蓄热水箱中的水温一天之内的变化。可以看出，蓄热水箱中的水温在12：30左右超过了40 ℃，此时将水箱中的水放空，注入自来水，测得蓄热水箱中的水温为28.8 ℃。经过将近4 h的循环后，蓄热水箱的水温达到了39.5 ℃左右。图10显示了在安装储水箱后，有无集热装置的发电效率在一天之中的变化。经计算，有无集热装置的光伏电池板全天的发电量分别为2.39 MJ和2.5 MJ，日发电效率分别为12.5%和13%，PV/T系统的日集热效率为32.3%。

图9 蓄热水箱温度变化趋势Fig.9 Temperature variation trend of heat storage tank

图10 有无集热装置的光伏电池板的发电效率变化趋势（增设储水箱）Fig.10 Variation trend of power generation efficiency of photovoltaic panels with or without heat collecting device（added water storage tank）

由试验结果可知，增设储水箱可大幅提高光伏光热系统的集热效率。尤其对于全年运行的系统，若蓄热水箱体积过大，在太阳辐射照度较小的季节里，蓄热水箱中的水温就会达不到用户对于水温的要求；若蓄热水箱的体积过小，在太阳辐照照度比较大的季节里就会造成系统集热效率偏低的现象。增设储水箱的系统，减小了蓄热水箱的体积，在太阳辐射照度不理想的季节也可使水温达到一定的温度。而在太阳辐射照度大的季节，可及时将蓄热水箱中达到一定温度的水转移至储水箱，而用水温较低的自来水在系统中循环集热，能有效降低光伏电池板的温度，提高发电效率。

4 结论

（1）在平均太阳辐射照度约为868.4 W/m2情况下，带有集热装置的光伏电池板的温度低于单一光伏电池板的温度，两者最大温差达到了8 ℃左右，两者的瞬时发电效率最大相差了5.8%，全天的发电量分别为3.69，3.78 MJ，日发电效率分别为13.3%，13.7%，带有集热装置的光伏光热系统较单一的光伏系统，发电效率提高了2.65%。

（2）对系统一天的运行参数处理后，热管式系统光伏电池板全天的发电效率约为13.7%，集热效率为19.3%，全天的发电量为3.8 MJ，蓄热水箱的最高温度达到了46.4 ℃，可以满足人们洗浴的要求。

（3）通过2天的试验发现，冷却水的流量对系统热效率影响更加显著，对电效率影响不大，但是增加水量也会增加水泵的耗电量，相当于降低了系统的发电效率，因此，存在合理的流量值，使系统的总效率达到最大

（4）针对热管式光伏光热试验系统热效率偏低的现象，并结合实际应用的需要，提出了增设储水水箱的建议，增设储水水箱后，热管式光伏光热系统的热效率可达到32.3%。