李美萱，郭春梅，李勇剛，胡 凱

（天津城建大學(xué)，天津 300384；2.天津市建筑設(shè)計(jì)院，天津 300074）

0 引言

光伏光熱系統(tǒng)的概念最早由KERN等［1］提出，并搭建了PV/T試驗(yàn)裝置。AKBARZADEH等［2］研究發(fā)現(xiàn)，沒(méi)有冷卻系統(tǒng)的光伏電池板溫度高達(dá)84 ℃，電池效率降低了50%。HUANG 等［3］的研究結(jié)果表明，系統(tǒng)的光電光熱總效率在60%以上，高于單一的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)或光伏發(fā)電系統(tǒng)。SAITOH等［4］將太陽(yáng)能PV/T集熱器的效率與PV和太陽(yáng)能集熱器的效率進(jìn)行比較，證明了PV/T太陽(yáng)能集熱器具有很高的可行性。LIANG等［5］建立了一種新型的石墨填充絕熱的PV/T集熱器，研究結(jié)果表明石墨填充的PV/T收集器最高電效率為 7.2%，最高節(jié)能效率為 48%。FARAHAT等［6］經(jīng)過(guò)研究，認(rèn)為熱管冷卻技術(shù)是更好的冷卻方法，可以使光伏電池板在較低的溫度下工作，保持較高的發(fā)電效率。李寧軍等［7］設(shè)計(jì)了一種新型的基于平板微熱管陣列的太陽(yáng)能光伏光熱（PV/T）系統(tǒng)，研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)夏季的熱效率可達(dá)到54.5%，光效率可達(dá)到13.3%，綜合性能效率達(dá)到67.8%。吳雙應(yīng)等［8］設(shè)計(jì)了一種采用熱管冷卻光伏電池板的太陽(yáng)能光伏電熱一體化系統(tǒng)，結(jié)果顯示，熱管式PV/T系統(tǒng)的光伏電池板溫度的變化幅度小于2.5 ℃，系統(tǒng)的發(fā)電效率和熱效率分別在6.99%～7.46%和51.0%～63.2%之間。陳紅兵等［9-10］對(duì)熱管式PV/T系統(tǒng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和室外空氣的溫度對(duì)于系統(tǒng)的電效率影響顯著，聯(lián)箱入口水溫和循環(huán)水量對(duì)熱性能影響較大，對(duì)電效率影響不大。同時(shí)他還研究了基于相變流體的熱管式PV/T系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)，相較于水的熱管式PV/T系統(tǒng)，該系統(tǒng)的日均電效率提高了0.8%，日均熱效率提高7%，日均綜合效率提高了10.2%，試驗(yàn)結(jié)果為相變流體在光伏光熱領(lǐng)域的應(yīng)用提供了參考。馬斌［11］設(shè)計(jì)了一種新型環(huán)路熱管式光伏熱水系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)在四季典型工況下進(jìn)行了測(cè)試研究，結(jié)果表明，該系統(tǒng)在夏季工況下平均光熱效率和總太陽(yáng)能利用效率最高；冬季工況下平均光電效率和光伏光熱綜合效率最高，為該系統(tǒng)在寒冷地區(qū)的推廣應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。近年來(lái)，也有一些學(xué)者［12-19］將PV/T組件與熱泵結(jié)合進(jìn)行研究，結(jié)果表明，將光伏組件與熱泵系統(tǒng)結(jié)合不但可以提高光伏系統(tǒng)的光電效率，同時(shí)也可以改善熱泵機(jī)組的性能。

以上分析表明，熱管式太陽(yáng)能光伏光熱（PV/T）系統(tǒng)是一項(xiàng)高效、節(jié)能、環(huán)保的新型能源應(yīng)用技術(shù)。本文主要是以嚴(yán)寒地區(qū)典型城市天津市為例，研究了熱管式PV/T系統(tǒng)在嚴(yán)寒地區(qū)的工作性能，測(cè)試了系統(tǒng)的瞬時(shí)發(fā)電效率、日電效率、日熱效率以及光伏電池溫度隨太陽(yáng)輻射和冷卻水流量的變化，為今后熱管式太陽(yáng)能PV/T系統(tǒng)的在嚴(yán)寒地區(qū)的應(yīng)用提供了參考。

1 天津地區(qū)太陽(yáng)能資源

按照中國(guó)太陽(yáng)能資源的劃區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，天津?qū)儆诙惖貐^(qū)，全年日照時(shí)數(shù)大于3 000 h。在天津的典型氣象年中，一年之中全部的太陽(yáng)總輻射為5 977.6 MJ/m2，365天中共有199天可利用太陽(yáng)輻射能源，占全年的比例為54.5%，全年可利用的太陽(yáng)輻射為3 880 MJ/m2，占總輻射能量的比例為65%。本次計(jì)算中采用文獻(xiàn)［20］中的天津市典型年氣象數(shù)據(jù)。圖1示出了天津典型氣象年月總輻射的年變化。

圖1 天津市太陽(yáng)能月總輻射的年變化Fig.1 Annual variation of monthly total solar radiation in Tianjin

由圖1可看出，天津地區(qū)太陽(yáng)能輻射量最大的月份是5月份，4～9月份的月總輻射都超過(guò)了500 MJ/m2，有較豐富的太陽(yáng)能資源，適合使用光伏光熱（PV/T）系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行利用，而且天津地區(qū)夏季炎熱，空調(diào)制冷用電量逐年增加，社會(huì)總用電量十分巨大，采用光伏光熱（PV/T）系統(tǒng)可以不僅可以緩解城市用電緊張，滿足用電高峰，還可以為用戶提供生活熱水。因此，太陽(yáng)能光伏光熱（PV/T）系統(tǒng)在天津具有很好的應(yīng)用前景。

2 熱管式光伏光熱試驗(yàn)研究

2.1 熱管式光伏光熱集熱器

本次試驗(yàn)采用的是平板熱管，相較于普通的圓型熱管，增加了熱管與光伏組件的接觸面積，加強(qiáng)了組件與熱管之間的換熱，能更好地降低組件的溫度，強(qiáng)化PV/T系統(tǒng)的性能。熱管PV/T集熱器由玻璃罩、PV電池層、電池基板、熱管層、絕緣層、黑色TPT、背板和熱管蒸發(fā)部分組成（見(jiàn)圖2），封裝在鋁框架內(nèi)。

圖2 熱管式PV/T集熱器截面Fig.2 Section of heat pipe PV/T collector

2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)的建立

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一套熱管式光伏光熱系統(tǒng)，如圖3所示。試驗(yàn)由2個(gè)系統(tǒng)組成：?jiǎn)尉Ч夥≒V）和單晶光伏/熱（PV/T）系統(tǒng)。這2個(gè)系統(tǒng)中的光伏板以相同的傾斜角上下放置，以確保兩個(gè)光伏板接收的太陽(yáng)輻射量相同。熱管收集器放置在系統(tǒng)中光伏板的后面，冷卻水在收集器和水箱之間機(jī)械循環(huán)，水箱的出水口和集熱器進(jìn)水口之間依次置有水泵、流量計(jì)，測(cè)量冷卻水的流量。試驗(yàn)中測(cè)量的參數(shù)有：光伏電池板的溫度、集熱器進(jìn)出口溫度、水箱的溫度、冷卻水流量以及2塊光伏電池板的開(kāi)路電壓和短路電流。通過(guò)比較2種系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)定量評(píng)價(jià)PV/T系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)PV系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，并通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算發(fā)電效率和集熱效率，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行分析。

圖3 熱管式PV/T試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 Picture of heat pipe PV/T experimental system

試驗(yàn)系統(tǒng)中使用的循環(huán)水泵的額定流量大于冷卻水系統(tǒng)需要的流量，因此采用了旁通管分流的方法來(lái)降低系統(tǒng)中的水流量。通過(guò)對(duì)水泵出口處和旁通管上閥門開(kāi)度的控制可以改變系統(tǒng)中水流量的大小。

2.3 試驗(yàn)設(shè)備及儀器

試驗(yàn)采用的蓄熱水箱是容量為50L的普通家用熱水器，自帶保溫與加熱功能，水箱水泵的型號(hào)為格蘭富的UPA90，額定流量為0.5 m3/h，揚(yáng)程為7.5 m。太陽(yáng)輻射強(qiáng)度采用日照強(qiáng)度計(jì)MS-802來(lái)測(cè)量，光伏板的表面溫度通過(guò)數(shù)字溫濕度記錄儀CENTER314獲得，Pt100熱電阻與XMT604顯示儀配合測(cè)量冷卻水的入口和出口溫度，玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)（LZB-15）通過(guò)法蘭連接安裝在管道上，用于測(cè)量冷卻水的流量。Fluke319鉗形表用于測(cè)量光伏板的瞬時(shí)電壓、電流、電阻等，這些參數(shù)的測(cè)試精度見(jiàn)表1。

表1 熱管太陽(yáng)能PV/T系統(tǒng)試驗(yàn)儀器參數(shù)Tab.1 Experimental instrument parameters of heat pipe solar PV/T system

2.4 系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了更好地分析系統(tǒng)的熱性能和光學(xué)性能，以光電效率、光熱效率作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)的研究與分析。

2.4.1 熱效率ηth

PV/T組件實(shí)際獲得的熱量與組件表面接收的太陽(yáng)輻射量之比為PV/T組件的瞬時(shí)光熱效率ηth，定義為：

式中 Qu——系統(tǒng)的熱量輸出，W；

Ac——組件的照明面積，m2；

G ——太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，W/m2；

m ——水箱內(nèi)水的質(zhì)量，kg；

Cp——水的熱容，kJ/（kg·K）；

tf,o——收集器出口的水溫，K；

tf,i——收集器入口處的水溫，K。

2.4.2 光電效率ηε

PV/T組件在穩(wěn)態(tài)條件下運(yùn)行時(shí)實(shí)際獲得的電量輸出與組件表面接的太陽(yáng)輻射量之比為PV/T 組件的瞬時(shí)光電效率ηε：

式中 Qε——光伏電池層的輸出功率，W；

Lm——最大功率點(diǎn)的實(shí)時(shí)電流，A；

Vm——最大功率點(diǎn)的實(shí)時(shí)電壓值，V。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 PV/T系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

試驗(yàn)測(cè)試比較了有無(wú)集熱裝置的光伏電池板的溫度和發(fā)電效率，從圖4中可以看出，帶有集熱裝置的光伏板的溫度低于單一光伏電池板的溫度，二者最大溫度差可達(dá)8 ℃，研究表明光伏電池溫度每升高1 ℃，其光電轉(zhuǎn)換效率相對(duì)下降0.5%［21-22］。如圖5所示，PV/T系統(tǒng)的電效率高于PV系統(tǒng)，二者瞬時(shí)電效率的差最大可達(dá)5.8%，2個(gè)系統(tǒng)全天的發(fā)電量分別為3.69 MJ和3.78 MJ，日發(fā)電效率分別為13.3%和13.7%，相較于PV系統(tǒng)，PV/T系統(tǒng)的發(fā)電效率提高了2.65%。因此，PV/T系統(tǒng)具有更好的發(fā)電性能。

圖4 有無(wú)集熱裝置的光伏電池板溫度變化趨勢(shì)Fig.4 Temperature variation trend of PV panel with/without heat collector

圖5 有無(wú)集熱裝置的光伏電池板發(fā)電效率變化趨勢(shì)Fig.5 Variation trend of power generation efficiency of photovoltaic panels with/ without heat collectors

3.2 PV/T系統(tǒng)的全天運(yùn)行狀況分析

9月29日的試驗(yàn)結(jié)果被用來(lái)分析熱管PV/T系統(tǒng)的日常性能，試驗(yàn)期間，11：57時(shí)太陽(yáng)輻射峰值最高，為 1 051.064 W/m2，9：00～16：00 時(shí)平均太陽(yáng)輻射約為868.4 W/m2。圖6示出了測(cè)試期間的光伏電池板溫度、收集器進(jìn)出口水的溫度，當(dāng)天光伏電池板最高溫度大約出現(xiàn)在13：30，達(dá)到57 ℃，集熱器的出口水溫最高達(dá)到46.4 ℃，出現(xiàn)在14：00～15：00之間。集熱器的進(jìn)出口溫差約為2 ℃，最大溫差在大約12：30達(dá)到3 ℃，通過(guò)集熱器進(jìn)出口水的溫差可以反映系統(tǒng)的傳熱性能。

圖6 光伏電池板溫度、集熱器進(jìn)出口水溫變化趨勢(shì)Fig.6 Variation trend of PV panel temperature and inlet and outlet water temperature of PV collector

測(cè)試結(jié)果表明，集熱器進(jìn)出口溫度較為穩(wěn)定，光伏電池板的溫度存在一定的波動(dòng)。這是由于光伏電池板的溫度分布不均勻，雖然在試驗(yàn)中在光伏電池板表面呈V字形布置了多個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)取平均值，但只是減少了測(cè)量誤差，并不能消除誤差。但是總體來(lái)說(shuō)，光伏電池板溫度變化的趨勢(shì)同集熱器進(jìn)出口溫度一樣，都是先升后降，這也和當(dāng)天太陽(yáng)輻射照度的變化趨勢(shì)一致。

圖7示出了光伏電池板發(fā)電效率與光伏電池板溫度的關(guān)系。

圖7 系統(tǒng)發(fā)電效率與光伏電池板溫度變化趨勢(shì)Fig.7 Variation trend of system power generation efficiency and photovoltaic panel temperature

從圖中可以看出，光伏電池板的發(fā)電效率隨光伏電池板溫度的上升而降低。當(dāng)天光伏電池瞬時(shí)發(fā)電效率最大值為15.2%，最小值為12.6%，二者之間相差了20%左右?？梢?jiàn)，發(fā)電效率與光伏電池板溫度成反比，且板溫度對(duì)發(fā)電效率影響較大。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得，熱管式PV/T試驗(yàn)系統(tǒng)這一天的熱效率為19.3%，蓄熱水箱的最高溫度達(dá)到了46.4 ℃，可以滿足人們洗浴的要求。全天的發(fā)電量為3.8 MJ，發(fā)電效率為13.7%。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)熱效率偏低，這是因?yàn)樵囼?yàn)時(shí)已時(shí)值9月末，氣溫偏低，通過(guò)系統(tǒng)光伏電池板表面的散熱較多，且連接蓄熱水箱和集熱器的管路未做保溫，在當(dāng)時(shí)的天氣情況下，散熱量較大，這在一定程度上影響了系統(tǒng)的集熱效率。

3.3 冷卻水流量對(duì)光電效率的影響

選擇不同流量運(yùn)行的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析流量對(duì)系統(tǒng)效率的影響。由于在室外進(jìn)行的試驗(yàn)，兩天的氣象參數(shù)無(wú)法做到一致，只能通過(guò)系統(tǒng)的集熱效率和發(fā)電效率來(lái)分析流量的影響。

選取了9月29日和9月30日的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，這兩天系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的流量分別為250，200 L/h，系統(tǒng)發(fā)電效率變化如圖8所示。從圖8中可以看出，在2天的初始時(shí)刻，光伏電池板的發(fā)電效率幾乎一樣，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，發(fā)電效率逐漸下降，流量大的系統(tǒng)的光伏電池板發(fā)電效率略高于流量小的系統(tǒng)。29日和30日的全天發(fā)電效率分別為13.7%和13.5%，集熱效率分別為19.3%和18.6%，由此可見(jiàn)，冷卻水的流量對(duì)系統(tǒng)熱效率影響更加顯著，對(duì)電效率影響不大，但是增加水的流量也會(huì)增加泵的耗電量，這相當(dāng)于降低了系統(tǒng)的發(fā)電效率。因此，系統(tǒng)應(yīng)該存在一個(gè)使效率達(dá)到最大的合理流量，這可作為優(yōu)化系統(tǒng)的一個(gè)方向進(jìn)行后續(xù)研究。

圖8 流量不同時(shí)光伏電池板的發(fā)電效率變化趨勢(shì)Fig.8 Variation trend of generation efficiency of photovoltaic panels with different flow rates

3.4 儲(chǔ)水裝置對(duì)系統(tǒng)熱效率的影響

對(duì)系統(tǒng)一天的運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的集熱效率偏低，當(dāng)水箱溫度達(dá)到40 ℃左右的時(shí)候上升的趨勢(shì)就會(huì)變慢，對(duì)光伏電池板的冷卻效果明顯變?nèi)?。因此，提出在系統(tǒng)中增設(shè)一個(gè)儲(chǔ)水箱的措施以提高系統(tǒng)熱效率。當(dāng)蓄熱水箱中的水達(dá)到一定溫度時(shí)，將熱水轉(zhuǎn)移至儲(chǔ)水箱內(nèi)，重新用自來(lái)水將蓄熱水箱充滿，用來(lái)繼續(xù)集熱。

圖9示出了蓄熱水箱中的水溫一天之內(nèi)的變化?？梢钥闯?，蓄熱水箱中的水溫在12：30左右超過(guò)了40 ℃，此時(shí)將水箱中的水放空，注入自來(lái)水，測(cè)得蓄熱水箱中的水溫為28.8 ℃。經(jīng)過(guò)將近4 h的循環(huán)后，蓄熱水箱的水溫達(dá)到了39.5 ℃左右。圖10顯示了在安裝儲(chǔ)水箱后，有無(wú)集熱裝置的發(fā)電效率在一天之中的變化。經(jīng)計(jì)算，有無(wú)集熱裝置的光伏電池板全天的發(fā)電量分別為2.39 MJ和2.5 MJ，日發(fā)電效率分別為12.5%和13%，PV/T系統(tǒng)的日集熱效率為32.3%。

圖9 蓄熱水箱溫度變化趨勢(shì)Fig.9 Temperature variation trend of heat storage tank

圖10 有無(wú)集熱裝置的光伏電池板的發(fā)電效率變化趨勢(shì)（增設(shè)儲(chǔ)水箱）Fig.10 Variation trend of power generation efficiency of photovoltaic panels with or without heat collecting device（added water storage tank）

由試驗(yàn)結(jié)果可知，增設(shè)儲(chǔ)水箱可大幅提高光伏光熱系統(tǒng)的集熱效率。尤其對(duì)于全年運(yùn)行的系統(tǒng)，若蓄熱水箱體積過(guò)大，在太陽(yáng)輻射照度較小的季節(jié)里，蓄熱水箱中的水溫就會(huì)達(dá)不到用戶對(duì)于水溫的要求；若蓄熱水箱的體積過(guò)小，在太陽(yáng)輻照照度比較大的季節(jié)里就會(huì)造成系統(tǒng)集熱效率偏低的現(xiàn)象。增設(shè)儲(chǔ)水箱的系統(tǒng)，減小了蓄熱水箱的體積，在太陽(yáng)輻射照度不理想的季節(jié)也可使水溫達(dá)到一定的溫度。而在太陽(yáng)輻射照度大的季節(jié)，可及時(shí)將蓄熱水箱中達(dá)到一定溫度的水轉(zhuǎn)移至儲(chǔ)水箱，而用水溫較低的自來(lái)水在系統(tǒng)中循環(huán)集熱，能有效降低光伏電池板的溫度，提高發(fā)電效率。

4 結(jié)論

（1）在平均太陽(yáng)輻射照度約為868.4 W/m2情況下，帶有集熱裝置的光伏電池板的溫度低于單一光伏電池板的溫度，兩者最大溫差達(dá)到了8 ℃左右，兩者的瞬時(shí)發(fā)電效率最大相差了5.8%，全天的發(fā)電量分別為3.69，3.78 MJ，日發(fā)電效率分別為13.3%，13.7%，帶有集熱裝置的光伏光熱系統(tǒng)較單一的光伏系統(tǒng)，發(fā)電效率提高了2.65%。

（2）對(duì)系統(tǒng)一天的運(yùn)行參數(shù)處理后，熱管式系統(tǒng)光伏電池板全天的發(fā)電效率約為13.7%，集熱效率為19.3%，全天的發(fā)電量為3.8 MJ，蓄熱水箱的最高溫度達(dá)到了46.4 ℃，可以滿足人們洗浴的要求。

（3）通過(guò)2天的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，冷卻水的流量對(duì)系統(tǒng)熱效率影響更加顯著，對(duì)電效率影響不大，但是增加水量也會(huì)增加水泵的耗電量，相當(dāng)于降低了系統(tǒng)的發(fā)電效率，因此，存在合理的流量值，使系統(tǒng)的總效率達(dá)到最大

（4）針對(duì)熱管式光伏光熱試驗(yàn)系統(tǒng)熱效率偏低的現(xiàn)象，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的需要，提出了增設(shè)儲(chǔ)水水箱的建議，增設(shè)儲(chǔ)水水箱后，熱管式光伏光熱系統(tǒng)的熱效率可達(dá)到32.3%。