太阳能光电/光热组件串联供热系统试验研究与分析

童维维 方 浩 陶文祥

（1．南京市第二建筑设计院有限公司，江苏 南京 210000；2．安徽建筑大学，安徽 合肥 230601）

0 引言

中国政府提出在2060年前，实现碳中和目标，在该背景下，提高太阳能、风能等清洁能源的利用率对节能减排意义重大。目前，市场中太阳能空气、水集热器存在光热转换效率低、功能单一以及无法实现能源高效率利用等问题。太阳能光电/光热组件（Photovoltaic/Thermal，PV/T）在通过循环工质吸取热量并冷却光伏电池提高发电效率的同时，还可以获取热能，可以实现高效利用太阳能的目标。PV/T集热组件与其他系统结合灵活方便，冬季可为暖通设备提供热源，全年可以提供电能。

目前，有关PV/T集热组件的研究多为单个模块，有关组件的串联研究较少，考虑光伏组件对太阳辐照的阻碍作用，PV/T组件的热效率往往偏低，使热水收集温度不能满足用热需求，系统的实用性较低。

因此，该文针对存在的问题提出一种由太阳能光电/光热组件构成的串联供热系统，以改善热能的收集效果。通过搭建串联系统试验平台，探究串联系统在试验中单个组件的电热特性以及流量因素对串联系统热效率的影响，为光电/光热串联供热系统的实际应用工程提供一定的理论分析和参考价值。

1 试验平台

串联供热系统由3块完全相同的光电/光热组件从左至右顺次连接而成，以下进上出的方式共同加热水箱中的循环水，系统的试验平台位于合肥市。光电/光热组件由玻璃盖板、光伏电池单元、吸热板、铜管、集热水箱和隔热层等构成。单块组件的玻璃盖板采用3.2 mm的减反射镀膜钢化玻璃，吸热板与光伏背板通过EVA进行粘合，吸热板背面衔接7根外直径为10 mm的支铜管。光伏面板背部的竖排换热铜管用于吸收光伏电池热量，维持组件处于较低的工作环境温度，利于展现更高的电性能。太阳能光伏电池由72 个单元组成，每个15单元发电容量为4.58 W。光伏面板的总面积为1.759 m，其外形尺寸长1 950 mm，宽990 mm，高40 mm。为提高系统光热效率，得到更高的供热水温度，采用玻璃纤维作为隔热保温层对组件背部及四周进行保温，保温层厚度分别为45 mm、30 mm。系统整体表面积为5.79 m。其中，光伏电池的总面积约为5.27 m，峰值功率可以达到990 W。串联系统采用主动式循环，各水流进出口以及光伏组件均设有热电偶用于实时监测温度的变化，温度测点均采用铜-康铜热电偶（其精度为±0.5 ℃）。环境温度、太阳辐照强度以及集热器安装等均符合《太阳能集热器热性能试验方法》（ GB/T 4271—2007 ）标准。太阳能辐照仪与集热器处于同一平面安装，环境温度测试点离地1.1 m，集热器安装角度正南方向与地面夹角35°。利用辐照仪（TBQ-2）测量太阳辐照强度，借助电流传感器、控制器、逆变器以及蓄电池等设备收集光伏板产生的电能，通过数据采集仪接收并储存各项数据，系统的流程与构造如图1所示。

图1 串联系统结构示意图

2 系统性能评价

2.1 光热性能评价

光热效率可以评价系统的集热性能表，将其定义为集热水箱内水全天增加的热量与串联系统表面所获得的太阳辐照总量的比值，如公式（1）所示。

式中：为水箱内水的质量，kg；为水的比热容，J/（kg·K）；Δ为保温水箱全天最高水温与最低水温的差值，K；为太阳辐照量，W/m；为系统的有效采光面积，m。

2.2 光电性能评价

光电效率能够反映系统的电性能，将其定义为系统光伏组件产生的总电量与照射到系统光伏面板上辐照总量的比值，如公式（2）所示。

式中：为太阳能电池组件的输出电压，V；为太阳能电池组件的输出电流，A；A为光伏组件总面积，m。

光电/光热系统能够同时获得热能和电能，而电能是高品位能源，结合综合效率更适合评估系统的工作性能，如公式（3）所示。

式中：η 为太阳能综合利用效率；为光伏板的填充系数；η为电厂中热能与电能的换算系数，η=0.38。

3 试验结果及分析

3.1 串联系统试验

在晴朗天气条件下进行试验，试验日期为10月30日，8：00开始，16：00结束，选取流量为0.10 m、循环水体积为270 L的试验工况分析串联系统各组件的光电/光热特性。测试当天辐照强度和环境温度的变化趋势如图2所示，组件单位面积的全天辐照量为17.18 MJ，环境温度平均温度为22.99 ℃。

图2 辐照强度与环境温度全天变化趋势（0.10 m3/h）

系统中各组件电功率与水流出口温度随时间变化的曲线如图3所示。由图3可知，对串联系统来说，不同组件对应的电功率及出口水温存在差异，在试验中，组件1的平均电功率最高，为193.47 W，组件3的平均电功率最低，为180.69 W。组件3的全天出口平均水温最高，达到30.53 ℃，而组件1的全天出口平均水温仅有27.44 ℃。其原因是水流从组件1至组件3不断被加热，换热铜管内循环水温度不断被加热，温度逐渐升高，出口温度也随之升高，而较高的水流温度会降低光伏电池的转换效率，因此出现沿水流加热方向组件电功率逐渐降低，而出口水温逐渐升高的情况。

图3 系统各组件电功率与水流出口温度变化趋势

电效率和水箱温度数据如图4所示，组件1、组件2和组件3的全天平均电效率分别为18.21%、17.41%和17.10%，在同等环境工况下，组件的高电功率表明对应更高的电效率，系统的全天平均电效率为17.57%。不仅如此，系统运行期间内水箱温度从最低的18.14 ℃升至最高的36.75 ℃，全天温升达到18.61 ℃，系统整体热效率为24.64%，综合效率可以达到70.88%。可见，与单个组件相比，光电光热组件的串联系统不仅增加了电能输出量，而且水温也会升高。

图4 系统电效率与水箱温度变化曲线

综上所述，在由光电/光热组件构成的串联系统中，各组件电性能和热性能的变化趋势是不同的，随着水流不断被加热，后置的组件具有更高的水流出口温度，而光伏电池受较高的水温影响，沿水流方向组件的电效率和平均电功率均会出现下降的现象，不利于后置组件输出更高的电能。串联组件的电能和热能输出量虽然比单个组件有大幅提升，但j考虑后置组件的综合性能会受较大的影响，因此串联数量不宜过多，以免导致整体性能偏低。

3.2 流量对系统影响分析

为探究流量因素对光电/光热组件串联系统工作性能的影响，该文对不同流量（0.15 m/h、0.30 m/h和0.45 m/h）工况开展了相关试验。在不同流量工况下电池与水箱温度变化曲线如图5所示，结合曲线可以发现，提高运行流量，光伏电池的平均温度显著降低。流量0.15 m/h、0.30 m/h和0.45 m/h对应的光伏电池表面平均温度分别为46.54 ℃、43.50 ℃和41.79 ℃，增大流量能够使光伏电池的更多热量被吸收转换，增加热能收益。然而，在增大流量的同时，水箱温升会逐渐降低，其原因是增大循环流量缩短了水流与铜管间的换热时间，水流温度比低流量运行低。因此，综合考虑系统的电效率以及水温，系统的循环流量不宜过大也不应过小，中间流量值较为合适。

图5 不同流量工况电池与水箱温度变化曲线

不同流量工况所对应的试验数据对比结果见表1。由表1可知，流量的大小影响系统的电热性能，增加运行流量能够提高系统的电效率，但热效率会随之下降，电热效率存在相互制约的现象。整体来看，流量越低，系统的综合性能表现更好，流量为0.15 m/h的系统的综合效率为68.52%。因此流量大小的取值需要考虑系统整体运行的经济性，使系统的综合效率处于较高的水平。

表1 不同流量工况试验数据统计

4 结语

对太阳能光电/光热组件串联供热系统进行试验，并结合数据分析的结果可得到以下4个结论：1）在光电/光热组件的串联供热系统中，不同组件的工作性能存在差异，前置组件的电效率较高，而后置组件受水流温度的影响，电性能有所降低，综合效率下降。2） 组件构成的串联系统的电能、热能输出量比单个组件高，但串联数量不宜过多，否则将影响系统整体运行的经济性。3） 流量是影响串联系统工作的重要因素，提高运行流量，组件光伏电池的表面温度降低，电性能更优异，但热效率随流量的增加逐渐降低。4）对串联系统来说，流量设置不宜过大，降低流量有利于获得更高的综合效率。