双玻光伏组件HP-PV/T一体化系统实验研究*

陈厚仁， 马进伟， 罗成龙， 方浩， 陈秉章， 欧阳林皓

(1.安徽建筑大学 环境与能源工程学院，安徽 合肥 230601；2.南京理工大学 能源与动力工程学院，江苏 南京 210094)

PV/T系统[1]的发展进程中，学者们利用不同的换热工质(空气[2]、水[3]或制冷剂[4])对系统展开了各项研究，其中热管式PV/T(HP-PV/T)结合制冷剂相变原理有效解决了水冷式PV/T的冬季防冻问题，因而受到了国内外学者的广泛关注[5-12].目前HP-PV/T系统中吸热板偏向与单玻光伏组件结合，而双玻光伏组件具有更高的透光率[13]，有关双玻电池组件结构的HP-PV/T系统还少有涉及；此外，学者们研究的热管大多与吸热板单个连接，热管内制冷剂的替换存在一定的难度.为解决上述问题，本文首先基于双玻光伏组件设计一种HP-PV/T一体化系统，无玻璃盖板结构以及单晶硅电池的使用能够提高系统的电效率和热传输；其次，对热管的连接和排列方式进行优化设计，便于热管中制冷剂的添加和更换.最后，研究并分析了系统的工作效率、能量损失，以期为双玻光伏组件的HP-PV/T系统高效运行提供理论和实验依据.

1 系统结构与实验平台

1.1 HP-PV/T系统结构

HP-PV/T系统结构如图1所示，主要由双玻光伏电池、吸热板、重力热管、联箱和保温材料等构成.其中，组件表面尺寸2 000 mm×1 000 mm，透光率为10%的双玻光伏板通过导热硅胶与面积为1.95 m2吸热板(表面电镀选择性黑铬吸热涂层)紧密黏合，重力热管的蒸发段(Φ 7 mm×0.7 mm×925 mm)焊接在吸热板背部，冷凝段(Φ 22 mm×1 mm×150 mm)嵌入到联箱中，热管底端依次焊接至内径22 mm的紫铜管(制冷剂进口)，构成一体化的重力热管.联箱内部、组件背面与边框的保温通过填充30 mm的玻璃纤维实现.

图1 HP-PV/T组件示意图

1.2 实验平台

实验于合肥地区开展，组件朝南以35°倾角安装，水箱内部沿高度方向等距布置4个K型温度传感器传输水温数据，运行水量为160 L，流量计和循环水泵安装在水箱出口处，以监测与调节循环流量.电池模块将太阳能转化为电能后储存至电池内，另一方面太阳能透过双玻光伏组件以辐射换热的形式传递，而大部分热能以接触导热的形式传递给吸热板至热管蒸发段，蒸发段内制冷剂吸热蒸发，汽化后上升至热管冷凝段，与水泵驱动的循环水在联箱换热器中换热液化，再由重力作用回到蒸发段.

表1 实验仪器型号与精度

太阳辐照度、环境温度、联箱出入口端循环水温度和吸热板温度等参数数据利用相应的仪器设备进行测量.光电系统则由负载、蓄电池、电流传感器和MPPT控制器等构成.上述各项仪器精度型号、具体尺寸如表1所示，测量数据均由安捷伦数据采集仪进行收集，数据采集仪设定采样时间间隔为1 min.

2 系统评价

HP-PV/T系统评价标准为组件的热效率、电效率、综合效率[1]和能量损失率[14].

3 实验结果与分析

3.1 环境参数

实验在2022年4-5月开展，时间为当天的8∶00-16∶00.为验证循环水流量对HP-PV/T系统工作性能的影响，实验中水流量从0.03 kg/s变化到0.08 kg/s.图2为典型晴朗天气下某天的太阳辐照度变化情况，当天太阳辐照度的变化幅度明显，平均值和最大值分别为775.7 W/m2和974.2 W/m2.

图2 太阳辐照度变化曲线

3.2 性能对比分析

对比发现，流量0.03 kg/s系统电效率最大值为18.90%，最大电功率显示290.96 W，而流量增加到0.08 kg/s，系统最大电效率提高了0.4%，达到19.30%，电功率最大值提高了5.6%，达到307.33 W.结合上述，增加循环水流量是提升组件的光电转换性能的有效途径.通过图3中的实验数据还可以看出，随着循环水流量增加，在循环水流量及辐照强度的共同作用下，电效率发生两次转折时刻对应的太阳能辐照度增大.

图3 HP-PV/T组件光电性能变化曲线

表2列出了变流量工况下实验的测试结果.由表可知，增大循环水流量，HP-PV/T组件热效率显著提高，由19.81%上升至28.83%，原因在于循环水流量的增大强化了冷却水与热管蒸发段的换热效果.对比0.05、0.08 kg/s两组流量数据显示，由于高流速对应的循环水流温升较快，导致光伏电池处于较高的工作温度，系统电效率反而降低了0.35%.

另一方面，HP-PV/T组件能量损失率随循环水流量的增加呈现出相同的变化趋势，即逐渐降低，系统能量损失率由62.98%降至53.51%，鉴于能量损失降低，系统综合效率由65.84%提高至76.36%.总的来看，随着流量的增大，系统的综合效率逐渐提高，说明能量的转换程度得到加强，更多的太阳能被收集利用.

表2 变流量工况下HP-PV/T组件的实验结果

4 结语

针对双玻光伏组件结构的HP-PV/T系统开展实验，结合实验数据分析太阳辐照度和循环水流量对系统性能的影响，得到以下结论：

1)双玻光伏组件具有更好的透光率，结合热管优良的导热性，实现HP-PV/T系统的更高效利用.

2)测试条件下，系统的电、热、综合效率最大值分别为18.41%、28.83%、76.36%.由于双玻光伏组件的电池覆盖率高，因此系统热效率偏低.

3)太阳辐照度和循环水流量的不同对系统的电性能影响明显，一定范围内增大太阳辐照度和循环水流量，系统电效率和电功率均得到有效提升.循环水流量的大小是组件全天保持较高电效率的重要因素.

4)随着循环水流量的增大，系统能量损失和能量损失率逐渐下降，综合效率上升，能够实现能量的更高效利用.