張 乾， 龐 瑋， 于洪文， 嚴(yán) 輝， 宋興斌， 宋興貞

（1.北京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 北京 100124； 2.山東桑樂太陽能有限公司， 山東 濟(jì)南 250100）

0 引言

晶硅組件作為國際市場上應(yīng)用最為廣泛的光伏組件，具有生產(chǎn)工藝成熟、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。 然而， 晶硅光伏組件的光電轉(zhuǎn)化效率會隨著自身溫度的升高而下降，組件溫度每升高1 ℃，輸出功率下降0.4%～0.5%[1]。 在光伏組件的工作過程中，由于材料自身原因，光伏電池只能將大約20%的太陽輻射轉(zhuǎn)化為電能，其余能量大部分轉(zhuǎn)化為熱能[2]。 因此，有研究人員提出了光伏/光熱一體化（PV/T）技術(shù)[3]。 該技術(shù)通過光伏組件背面附加的集熱器對光伏組件進(jìn)行冷卻， 并進(jìn)一步將熱能收集利用，實(shí)現(xiàn)熱能、電能綜合輸出。

對于PV/T 系統(tǒng)來說，PV/T 組件的集熱器結(jié)構(gòu)是影響系統(tǒng)綜合性能的關(guān)鍵因素之一。 常見的平板式PV/T 組件的集熱器多采用板管式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能量效率低、熱能損失較大[4]，[5]。 Touafek K 設(shè)計(jì)了一種采用鍍鋅鋼制成的板管式PV/T 組件， 經(jīng)過模擬和實(shí)驗(yàn)研究， 該組件的熱效率僅為50%左右[6]。 Herrando M 通過COMSOL 軟件對多種不同集熱器結(jié)構(gòu)的PV/T 組件進(jìn)行了傳熱模擬分析，分析結(jié)果表明，扁盒式PV/T 組件比板管式PV/T 組件具有更好的光電、光熱性能[7]。Aste N 等提出了新型吹脹式集熱器結(jié)構(gòu)的PV/T 組件，這種吹脹式集熱器具有流道設(shè)計(jì)方便、 換熱面積大等優(yōu)點(diǎn)[8]，[9]。 Bombarda P 通過對比實(shí)驗(yàn)，對吹脹式和板管式結(jié)構(gòu)的PV/T 組件進(jìn)行了性能評估，評估結(jié)果表明， 吹脹式PV/T 組件的熱效率比板管式PV/T 組件提高了約10%， 同時(shí)電效率提高了0.6%[10]。

除了集熱器結(jié)構(gòu)的影響外， 是否在PV/T 組件頂部加裝玻璃蓋板對PV/T 系統(tǒng)的綜合輸出特性影響也非常明顯。Pang W 基于HIT 光伏組件分別設(shè)計(jì)了有無玻璃蓋板兩種PV/T 系統(tǒng)， 通過戶外測試結(jié)果表明，無蓋板PV/T 系統(tǒng)和有蓋板PV/T 系統(tǒng)的平均電效率分別為12.19% 和11.37%，平均熱效率分別為30.31%和40.62%[11]。Aste N 利用TRNSYS 軟件對有無蓋板PV/T 系統(tǒng)全年的產(chǎn)能情況進(jìn)行了仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示，無蓋板PV/T 系統(tǒng)和有蓋板PV/T 系統(tǒng)的年平均電效率分別為14.2%和6.0%，年平均熱效率分別為20.8%和29.4%[12]。由此可見，在PV/T 組件頂部增加一層玻璃蓋板有助于提升PV/T 系統(tǒng)的熱效率，但是由于玻璃蓋板減少了部分太陽入射光，因此組件的電效率下降[13]。就綜合能效而言，加裝玻璃蓋板的PV/T 系統(tǒng)比無蓋板PV/T 系統(tǒng)更具優(yōu)勢[14]。

目前， 太陽能領(lǐng)域采用的玻璃為具有高透光率的低鐵玻璃，俗稱“超白”玻璃，主要包括超白浮法和超白壓延兩種[15]。近年來，這兩種玻璃的可見光透射率均能達(dá)到91.5%以上[16]。 本文基于吹脹式集熱器設(shè)計(jì)了分別采用超白浮法玻璃和超白壓延玻璃作為蓋板的多晶硅PV/T 組件， 并對基于這兩種組件的PV/T 系統(tǒng)的光電和光熱性能進(jìn)行了戶外對比實(shí)驗(yàn)。

1 PV/T 組件結(jié)構(gòu)及測試原理

1.1 PV/T 組件的結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的兩種不同玻璃蓋板的PV/T 組件結(jié)構(gòu)如圖1 所示： 組件的主體部分由多晶硅光伏組件和單面吹脹式集熱器通過環(huán)氧導(dǎo)熱膠粘合在一起；玻璃蓋板位于組件最上層，與光伏組件之間保留15 mm 空氣間隙；保溫層位于吹脹式集熱器下面，以減少組件的熱損失；組件通過鋁合金邊框進(jìn)行封裝。 PV/T 組件的具體參數(shù)如表1 所示。

圖1 PV/T 組件的截面圖Fig.1 Cross-sectional diagrams of the PV/T modules

表1 PV/T 組件參數(shù)Table 1 The parameters of PV/T modules

1.2 PV/T 系統(tǒng)原理及測試方案

圖2 PV/T 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 The schematic diagram of PV/T system

PV/T 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖2 所示。 PV/T系統(tǒng)主要包括PV/T 組件、微逆變器、配電箱、循環(huán)水泵、蓄熱水箱和循環(huán)管路。 其中：丙二醇防凍液作為循環(huán)介質(zhì)對PV/T 組件進(jìn)行冷卻， 并吸收組件產(chǎn)生的熱量來對水箱內(nèi)的水進(jìn)行加熱； 系統(tǒng)采用強(qiáng)迫式循環(huán)方式，循環(huán)水泵為單相管道屏蔽電泵（GPD15-6SK-220 V-70 W），通過溫差控制器控制啟停（當(dāng)PV/T 組件出口溫度與水箱溫度大于8 ℃時(shí)啟動，小于4 ℃時(shí)停止，循環(huán)流量保持1.0 m3/h）； 集熱水箱是容積為100 L 的搪瓷盤管水箱，內(nèi)部有保溫夾層；管道為DN15 不銹鋼波紋管且包覆有保溫材料，以減少系統(tǒng)的熱損失。實(shí)驗(yàn)中，PV/T 組件產(chǎn)生的電能通過微逆變器 （WVC-300 W） 轉(zhuǎn)換為220 V 的交流電并實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)傳輸至公共電網(wǎng)， 實(shí)時(shí)電量數(shù)據(jù)由調(diào)制解調(diào)器接收微逆變器信號并變送顯示至計(jì)算機(jī)中；周圍環(huán)境、組件以及水箱的溫度均由鉑電阻PT100 溫度傳感器測量，測量溫度為-200～500 ℃，精度為0.15 ℃；太陽輻射強(qiáng)度通過太陽輻射計(jì)（JYTBQ-2）進(jìn)行測量，測量的太陽輻射強(qiáng)度為0～2 000 W/m2；風(fēng)速由風(fēng)速計(jì)（EC-9S）測量，精度為0.1 m/s。所有環(huán)境參數(shù)和溫度參數(shù)均由太陽能測試系統(tǒng)（TRM-PC-1）收集。

實(shí)驗(yàn)中， 對分別采用超白浮法玻璃和超白壓延玻璃作為蓋板的PV/T 熱水系統(tǒng)進(jìn)行了對比測試，測試現(xiàn)場情況如圖3 所示。 兩種PV/T 組件的安裝傾角均為45°，基于兩組件搭建的PV/T 系統(tǒng)均采用相同構(gòu)件及測試設(shè)備。 本次測試選擇濟(jì)南地區(qū)某個(gè)晴天作為典型氣象日，測試時(shí)間為2019年9 月8 日8：00-16：00。

圖3 PV/T 系統(tǒng)的測試圖Fig.3 Photograph of PV/T system for testing

2 PV/T 組件性能評價(jià)方法

PV/T 組件的電能EPV/T由太陽能測試系統(tǒng)測得。

式中：PPV/T為PV/T 組件輸出功率的測量值， 由微逆變器轉(zhuǎn)換得到，W；Δt 為功率采集的時(shí)間間隔，s。

PV/T 組件的瞬時(shí)電效率ηPV/T為

式中：A 為組件的有效面積，m2；G 為太陽輻照度，W/m2。

PV/T 組件的總電效率ηe，PV/T 系統(tǒng)的熱效率ηth分別為

式中：Cw為比熱容，J/（kg·℃）；mw為水箱中水的質(zhì)量，kg；T0，T∞分別為水的初始和最終溫度，℃。

3 結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)如圖4 所示， 最高太陽輻照度約為850 W/m2，累計(jì)輻照量為18.994 MJ/m2，環(huán)境溫度保持在31～36 ℃，風(fēng)速為0.2～1.6 m/s。

圖4 太陽輻照度、風(fēng)速及環(huán)境溫度隨時(shí)間變化情況Fig.4 Solar irradiance, wind speed and ambient temperature with the time

圖5 PV/T 組件功率隨時(shí)間變化曲線Fig.5 Output powers of PV/T modules with the time

圖5 為兩種不同玻璃蓋板PV/T 組件的功率輸出隨時(shí)間變化曲線。從圖中可以看出：兩種組件輸出功率的整體變化趨勢與太陽輻照度一致；從8：00-14：00， 超白壓延玻璃蓋板PV/T 組件的功率輸出高于超白浮法玻璃蓋板PV/T 組件， 兩者功率差值隨太陽輻照度增高而增大， 在10：00-12：00 功率差值達(dá)到15 W；從12：00-16：00，兩種組件的功率差值隨太陽輻照度的減少而下降，到14：00 左右兩者功率趨于一致。 這種現(xiàn)象主要是由超白壓延玻璃表面的布紋結(jié)構(gòu)造成的， 如圖6（a）所示，本文采用的超白壓延玻璃表面為三角錐花型結(jié)構(gòu)。 從圖6（b）可以看出，入射至玻璃的光線在玻璃內(nèi)部形成了連續(xù)反射， 這說明玻璃表面的布紋面可以減少定向反射，增加內(nèi)反射效應(yīng)，從而降低反射比， 促進(jìn)光的透過。 從圖中還可以看出： 當(dāng)相對水平面入射角較大的入射光①照射到玻璃表面時(shí)， 一次反射光直接反射出玻璃表面之外； 當(dāng)垂直于水平面的入射光②照射到玻璃表面時(shí)， 一次反射光線反射至相鄰斜面從而形成二次入射光。 因此，當(dāng)太陽入射角較小時(shí)，這種玻璃結(jié)構(gòu)的減反作用更加明顯， 這也是在中午時(shí)段超白壓延玻璃蓋板PV/T 組件具有更高的功率輸出的原因。

圖6 超白壓延玻璃表面結(jié)構(gòu)及光線路徑圖Fig.6 Surface structure and light path of ultra-clear rolling glass

兩種組件的溫度隨時(shí)間變化曲線如圖7 所示。 從圖中可以看出，兩者的初始溫度基本一致，隨著時(shí)間的增長， 超白壓延玻璃蓋板PV/T 組件的溫度逐漸高于超白浮法玻璃蓋板PV/T 組件，并從11：00 左右開始保持1.5 ℃的溫差。 產(chǎn)生這種情況的原因也是由于前文所述的超白壓延玻璃減反作用， 減少了包括紅外光在內(nèi)的入射光的損失， 因而采用這種玻璃作為蓋板的PV/T 組件的溫度也高于超白浮法玻璃組件。 到13：30，兩種組件溫度進(jìn)入波動階段， 這是由于當(dāng)溫差控制器檢測到PV/T 組件出口與水箱的溫度差值低于4 ℃時(shí)，關(guān)閉了循環(huán)水泵，而水泵的停止循環(huán)又導(dǎo)致組件溫度劇烈上升，PV/T 組件出口與水箱溫差達(dá)到8 ℃時(shí)，溫差控制器重新啟動循環(huán)水泵，組件溫度下降，如此往復(fù)循環(huán)形成組件溫度波動階段。在這個(gè)階段，兩種組件的最高溫度分別達(dá)到63.3 ℃和60.7 ℃。

圖7 PV/T 組件溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.7 Temperatures of PV/T modules with time

圖8 為組件的瞬時(shí)電效率隨時(shí)間變化曲線。

圖8 PV/T 組件瞬時(shí)電效率隨時(shí)間變化曲線Fig.8 Instantaneous electrical efficiencies of PV/T modules with the time

從圖中可以看出： 兩種PV/T 組件的瞬時(shí)電效率整體呈逐漸下降趨勢， 這是由于組件溫度整體呈上升趨勢，組件的光電轉(zhuǎn)化效率衰減逐步增多；從8：00-14：30，超白浮法玻璃蓋板PV/T 組件的電效率逐漸從13.6%左右降低至12.7%左右，之后，組件溫度達(dá)到最高，其電效率無明顯下降趨勢；對于超白壓延玻璃蓋板PV/T 組件， 其初始電效率約為14%， 到11：00 左右， 逐漸增長并穩(wěn)定至14.5%， 這是由于超白壓延玻璃的減反特性隨著太陽入射角的減小而變得明顯； 隨著組件溫度的上升，在14：30 左右電效率降至12.6%左右，而后保持基本穩(wěn)定；在最終0.5 h，兩組件的電效率均隨溫度下降有輕微回升趨勢。 根據(jù)式（3）可以得出， 超白壓延玻璃蓋板PV/T 組件的電效率為13.83%， 超白浮法玻璃蓋板PV/T 組件的電效率為13.15%。

如圖9 所示， 兩種PV/T 系統(tǒng)的水箱初始溫度均為18.3 ℃， 超白壓延玻璃蓋板PV/T 組件可以加熱到53 ℃， 超白浮法玻璃蓋板PV/T 組件可以加熱到52.5 ℃，兩者溫升分別為34.7 ℃和34.2℃。 根據(jù)式（4）得出，前者的熱效率為48.56%，后者的熱效率為47.99%，后者略低于前者。

圖9 PV/T 系統(tǒng)水箱溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.9 Tank temperatures of PV/T systems with the time

圖10 顯示了在太陽總輻照度為18.994 MJ/m2的條件下兩種PV/T 系統(tǒng)的電能和熱能產(chǎn)量。 其中，超白壓延玻璃蓋板PV/T 系統(tǒng)的電能和熱能分別為1.153 kW·h 和14 573 kJ，超白浮法玻璃蓋板PV/T 系統(tǒng)的電能和熱能降至1.096 kW·h和14 364 kJ，即發(fā)電量和產(chǎn)熱量分別降低了4.9%和1.4%，說明采用超白壓延玻璃作為蓋板的PV/T 組件具有更好的性能。

圖10 PV/T 系統(tǒng)發(fā)電量與得熱量Fig.10 Electrical and thermal energy of PV/T systems

4 結(jié)論

本文通過對比實(shí)驗(yàn)分別研究了采用超白浮法玻璃和超白壓延玻璃作為蓋板的PV/T 組件的系統(tǒng)性能。 結(jié)果表明：在太陽總輻照度為18.994 MJ/m2的戶外條件下，超白壓延玻璃蓋板PV/T 系統(tǒng)的電效率為13.83%，熱效率為48.56%；超白浮法玻璃蓋板PV/T 系統(tǒng)的電效率和熱效率均低于前者，分別為13.15%和47.99%。 采用超白壓延玻璃作為PV/T 組件的蓋板可以有效提升PV/T 組件的性能。