光伏光熱一體化系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)探究
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摘要：針對太陽能電池冷卻方式的優(yōu)缺點(diǎn)，對新型的光伏太陽能熱泵系統(tǒng)（PV-SAHP）進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。搭建了光伏太陽能熱泵系統(tǒng)（PV-SAHP），該系統(tǒng)可以有效降低太陽能電池的工作溫度，溫度平均下降10℃，最高降溫可達(dá)18℃，光伏發(fā)電效率提升約5%，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)可以有效降低太陽能電池的溫度，提高太陽能的綜合利用率。
關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；PV-SAHP系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)研究；光伏電池冷卻
隨著光伏發(fā)電技術(shù)的日益成熟，光伏發(fā)電在全世界取得了迅速發(fā)展，太陽能電池是光伏發(fā)電的核心，晶體硅太陽能電池的發(fā)電效率依賴其工作溫度，研究表明，太陽能電池工作溫度上升1℃，電池輸出功率隨之降低0.5%[1]。大部分太陽輻射能在電池表面轉(zhuǎn)化成了熱量，特定條件下時(shí)，其工作溫度甚至將達(dá)到80℃[2]，過高的工作溫度不僅會(huì)降低太陽能電池的工作效率，也會(huì)存在安全隱患。因此，有必要采取措施對太陽能電池進(jìn)行降溫處理，提高光伏發(fā)電效率。
在降低太陽能電池溫度的同時(shí)，將流體帶走的熱量加以利用，這種系統(tǒng)在提高發(fā)電效率的同時(shí)還可以提供熱能，可稱之為光伏光熱一體化(PV/T)系統(tǒng)。同樣外部條件下，PV/T系統(tǒng)可以更有效地降低太陽能電池工作溫度。而實(shí)際情況中為了盡可能有效降低太陽能電池溫度，PV/T集熱器進(jìn)口冷卻水溫度較低，這種情況下使得PV/T集熱器出口水溫也較低，PV/T集熱器收集的太陽輻射能量不能得到高效利用[3]。PV-SAHP系統(tǒng)將太陽能電池和熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器結(jié)合在一起，形成PV蒸發(fā)器。PV蒸發(fā)器接收到的太陽輻照中，一部分用于光伏發(fā)電，另一部分的能量由PV蒸發(fā)器吸收，經(jīng)熱泵系統(tǒng)循環(huán)提升后得到可供利用的熱量。PV-SAHP系統(tǒng)不僅可以有效降低太陽能電池溫度，還可以提高熱泵的效率[4]。
2實(shí)驗(yàn)原理及裝置PV-SAHP
系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理是在太陽能電池背面設(shè)置冷卻盤管，冷卻盤管也作為蒸汽壓縮式熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器，制冷劑在冷卻盤管中通過相變吸收太陽能電池散發(fā)的熱量，從而達(dá)到對太陽能電池降溫的目的，同時(shí)熱泵系統(tǒng)將蒸發(fā)器吸收的熱量循環(huán)后通過冷凝器放出，可以用于生活供熱。實(shí)驗(yàn)裝置及測點(diǎn)示意圖如圖1所示。
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
3.1太陽能電池工作溫度的變化
圖2和圖3為無冷卻和有冷卻條件下，連續(xù)兩天太陽能電池的工作溫度變化曲線。可以看出在熱泵系統(tǒng)工作階段，太陽能電池工作溫度明顯下降。08-29溫度最高時(shí)刻為14：00，兩組太陽能電池工作溫度均為最高，有冷卻組最高溫度為45℃，無冷卻組最高溫度為55℃。溫差在14：00也為一天中最大，溫差為10℃。08-30溫度最高時(shí)刻為15：00，兩組太陽能電池工作溫度均為最高，有冷卻組最高溫度為45℃，無冷卻組最高溫度為63℃。溫差在15：00也為一天中最大，溫差為18℃。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在系統(tǒng)工作時(shí)間內(nèi)，08-29太陽能電池溫度平均下降8℃，08-30太陽能電池溫度平均下降12℃。這顯示了熱泵蒸發(fā)器對太陽能電池有良好的降溫作用，這對于太陽能電池發(fā)電是十分重要的。
3.2太陽能電池發(fā)電功率的變化
圖4和圖5為無冷卻和有冷卻條件下，連續(xù)兩日太陽能電池的發(fā)電功率曲線。在相同的環(huán)境條件下，可以看出在制冷裝置工作階段，有冷卻的太陽能電池發(fā)電功率明顯高于無冷卻的太陽能電池組的發(fā)電功率。08-29發(fā)電功率最高時(shí)刻為14：00，兩組太陽能電池發(fā)電功率均為最高，有冷卻組最高發(fā)電功率為181.1W，無冷卻組最高發(fā)電功率為172.2W。功率提升的幅度在14：00也為一天中最大，功率提升最大為8.9W。08-30溫度最高時(shí)刻為15：00，兩組太陽能電池發(fā)電功率均為最高，有冷卻組最高發(fā)電功率為176.1W，無冷卻組最高發(fā)電功率為165.5W。功率提升的幅度在15：00也為一天中最大，功率提升最大為11.1W。通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到，在熱泵蒸發(fā)器將太陽能電池降溫幅度最大的時(shí)刻（08-29T14：00、08-30T15：00），也是太陽能電池發(fā)電功率最高的時(shí)刻，這再一次證明了熱泵系統(tǒng)對太陽能電池發(fā)電功率有著積極的正面作用。在系統(tǒng)工作時(shí)間內(nèi)，08-29太陽能電池發(fā)電功率平均提升6.9W，提升幅度約為4%；08-30太陽能電池發(fā)電功率平均提升8.2W，提升幅度約為5%。
4結(jié)論
PV-SAHP系統(tǒng)可以有效降低太陽能電池的工作溫度，提高光伏發(fā)電功率，并且將太陽能電池余熱高效利用，實(shí)現(xiàn)了太陽能的雙重使用，提高系統(tǒng)的節(jié)能效果。本文對PV-SAHP系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和混合預(yù)測，得到如下結(jié)論：①PV-SAHP系統(tǒng)將太陽能電池和太陽能熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器結(jié)合在一起，形成PV蒸發(fā)器。PV-SAHP系統(tǒng)不僅可以有效降低太陽能電池溫度，還可以提高熱泵的效率。②搭建了光伏太陽能熱泵系統(tǒng)，PV蒸發(fā)器可以有效降低太陽能電池的工作溫度，最高降溫可達(dá)18℃，平均下降10℃，光伏發(fā)電效率平均提升約5%。
作者:宮冠軍 單位:中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司