一种光伏光热（PV/T）一体化系统热电性能研究

周玲 ZHOU Ling；周思思 ZHOU Si-si

（广西电力职业技术学院，南宁 530007）

0 引言

硅太阳能电池的最大理论光电转换效率为30%左右，在一定的光照强度条件下，随着组件自身温度的升高，电池的输出功率会随之下降，温度每升高1℃，发电效率约降低0.3%[1]。针对这个情况，很多研究[2-5]将光伏电池与太阳能集热技术结合起来，在太阳能转化为电能的同时，通过冷却介质，如空气、水或其它制冷剂，将光伏电池的热量加以利用，实现组件工作温度降低的同时，将热量加以利用，从而提高太阳能的综合利用效率。本文主要对水循环式单晶光伏组件的PV/T 系统进行了发电效率和热效率测试分析，为PV/T 一体化系统研究提供一定的理论和实验依据。

1 研究平台

1.1 PV/T 系统结构

光伏光热一体化系统由光热利用和光伏利用两个部分组成，如图1 所示。上面虚线框是光伏发电系统，下面虚线内的是热水系统，两个系统的能源都来自最左边的光伏光热一体化组件，组件的组成结构在图中标明：1—机架；2—上钢化玻璃板；3—太阳能电池板；4—温度检测装置；5—保温层。

图1 PV/T 系统结构图

PV/T 系统降温的关键技术在于太阳能电池板背面的流体通道，其结构层次如图2 所示。通过吸热铜板更高效地吸收大量的热能，流体管道为半圆形蛇形管道，增加导热面积，减少流体流动过程的阻力。

图2 PV/T 系统剖面图

1.2 系统平台

系统测试平台为图1 所示PV/T 的系统、同型号光伏组件及数据采集平台，光伏组件的主要参数见表1，数据采集平台的型号参数见表2。

表1 光伏组件性能参数

表2 测试平台的型号和测量范围参数

2 性能评价方法

PV/T 系统的热效率和电效率是评价系统性能的两个重要参数。热效率定义为系统的热量与PV/T 组件表面入射的太阳辐射的比值，公式如下：

式中，ηt为PV/T 热效率；G 为太阳辐照度，A 为组件的采光面积；Cw为水的比热容；m 为水箱水的质量；ΔT 为水箱的测试始末的温差。

电效率公式为：

考虑到电能与热能的数量和品位，本评价标准采用光电光热综合效率Ef[6]作为评价指标能够反映PV/T 系统将太阳能转化为电能、热能的能力。

式中ηpower为火电厂的发电效率，我国常规燃煤火力发电厂发电效率一般为35%-42%，本文采用38%。

3 实验结果与分析

3.1 实验条件

本系统实验测试在南宁（东经108°22'，北纬22°48'），PV/T 组件、常规组件安装方向朝正南，倾角为18°；通过IV 测试仪测定，PV/T 组件与选取的常规组件性能相近，误差不超过5%。测试分为两部分，第一部分，选取某一天，测试时间为10：00-16：00，对PV/T 组件和常规组件进行发电功率监测。第二部分，选取某15 天，对PV/T 系统和常规组件系统进行一整天的平均热效率和电效率测试。图3 为测试当天太阳辐照度和环境温度变化。全天太阳辐照度为15MJ/m2，最大辐照度为930W/m2。环境温度为27-35℃之间，平均气温30℃。环境风速小于2m/s。测试过程中控制循环水泵水的流速为0.05kg/s。

图3 太阳辐照度及环境温度随时间的变化

3.2 实验结果

3.2.1 PV/T 组件与常规组件发电功率对比

图4为一天中不同时刻PV/T 组件、常规组件温度的变化情况，从曲线看PV/T 组件表面温度变化比较平稳，温度处于34-41℃之间，最高温度为15 时左右。常规组件温度升高明显，温度处于42-65℃之间，最高温度也出现在太阳辐照度好的15 时左右，16 时组件温度有明显的下降，同一时刻常规组件温度高于PV/T 组件8-23℃之间。

图4 不同时刻PV/T 组件、常规组件温度大小对比

图5为同一天中PV/T 组件、常规组件发电实时功率的变化情况，从曲线看PV/T 组件的发电功率高于常规组件5%左右。

图5 不同时刻PV/T 组件、常规组件发电功率大小对比

3.2.2 PV/T 组件与常规组件太阳能利用效率对比

通过选取不同的15 天进行系统一天的电效率和热效率测试，PV/T 系统的组件发电效率为11.6%-13.2%，常规组件的发电效率为10.9%-12.78%。PV/T系统的热效率为24.8%-30.0%，平均热效率为26.7%。从数据分析，PV/T 系统发电效率高于常规组件，特别是系统热效率高的第7、10、14 天，PV/T 系统组件电效率提升约6.7%，最低情况电效率提升2.5%，15 天平均提升4.7%。具体变化见图6 不同15 天PV/T 系统及常规组件的热效率和电效率对比。

图6 不同15 天PV/T 系统及常规组件的热效率和电效率对比

根据公式（3）计算出系统的光电光热综合效率，由图7 可见，PV/T 系统综合效率远高于常规组件，平均综合效率达59.3%。

4 结论

针对常规的单晶硅循环水PV/T 系统进行发电效率和热效率测试，结合实验数据分析，得到如下结论：

①PV/T 系统通过循环水能有效降低光伏组件的工作温度，有效地提升了光伏组件的发电功率和发电效率，电效率提升约5%。

②因为循环水充分吸收了组件的热量，水的温度得到了提升，太阳能的综合利用效率较高，达到近60%。

③PV/T 在不增加占用空间的情况下，提升了组件发电效率和太阳能综合利用效率，具有很好的应用价值。