太陽輻照強(qiáng)度對(duì)PVT太陽能光伏光熱效率的影響

太陽輻照強(qiáng)度對(duì)PVT太陽能光伏光熱效率的影響王彥龍;蔣綠林;劉凈凈;孫譽(yù)桐;操樂成【期刊名稱】《《工業(yè)安全與環(huán)?！贰贰灸?卷)，期】2019(045)010【總頁數(shù)】5頁(P98-102)【關(guān)鍵詞】輻照強(qiáng)度;板芯溫度;光伏效率;光熱效率;熱泵【作者】王彥龍;蔣綠林;劉凈凈;孫'譽(yù)桐;操樂成【作者單位】常州大學(xué)石油工程學(xué)院江蘇常州213016【正文語種】中文0引言當(dāng)今世界的主要能源依然以煤、石油、天然氣等一次能源為主。同時(shí)，煤、石油、天然氣等這些一次能源的儲(chǔ)量正在急劇下降，我國是世界能源生產(chǎn)和消費(fèi)大國，且能源儲(chǔ)量不容樂觀［1］，因此，為解決世界能源危機(jī)，探索新能源和開發(fā)可再生能源在未來一段時(shí)間都將具有重要的意義。太陽能作為一種新能源，有著普遍、無害、長久、巨大的優(yōu)點(diǎn)［1］；每年到達(dá)地球表面的輻射大約有5.57x1018MJ,相當(dāng)于190萬t標(biāo)準(zhǔn)煤；我國是亞洲面積第一大國，主要?dú)夂蛞詼貛Ш蛠啛釒橹?，因此具有較為豐富的太陽能資源。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，中國年太陽輻照總量大約為3.35x103MJ［2］?，F(xiàn)階段對(duì)于太陽能的利用主要集中在太陽能集熱和太陽能光伏發(fā)電，將太陽能光熱和光伏與熱泵結(jié)合為一體的技術(shù)也逐漸走向人們的視野。Kern和Russell［3］最早于1978年提出太陽能光伏光熱一體化應(yīng)用（簡稱PVT）技術(shù)，該技術(shù)是在光伏板的背面鋪設(shè)流體管道，由流體帶走光伏發(fā)電所產(chǎn)生的熱量，并將這部分熱能回收利用，同時(shí)產(chǎn)生熱和電兩種效益。Huang等［4］以光電光熱綜合效率作為PVT熱水系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)的日平均熱效率達(dá)38%，光熱光電綜合效率達(dá)60%。Chaturvedi等［5-8］大多國內(nèi)夕卜研究者相繼對(duì)這種太陽能熱泵熱水系統(tǒng)進(jìn)行研究，并且取得了大量的成果。本文將對(duì)結(jié)合熱泵運(yùn)行的光伏光熱系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)及理論研究，討論太陽輻照強(qiáng)度對(duì)光伏光熱效率的影響，以達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行效果的目的。1試驗(yàn)原理及主要裝置該系統(tǒng)將太陽能PVT光伏集熱器與水源熱泵進(jìn)行結(jié)合運(yùn)行，系統(tǒng)主要分為兩個(gè)部分，第一部分為太陽能PVT光伏光熱部分，PVT作為水源熱泵的低溫?zé)嵩?，并且為熱泵壓縮機(jī)輸出一定的電能；系統(tǒng)有兩個(gè)循環(huán)，第一個(gè)循環(huán)為太陽能PVT端的循環(huán)，以非直膨式太陽能集熱器為原型，PVT太陽能集熱器為液冷式集熱器，流體通過PVT集熱器將溫度提升至20^左右，再流經(jīng)熱泵蒸發(fā)器進(jìn)行熱量交換將熱量傳遞至熱泵端，流出蒸發(fā)器的低溫流體將再次流經(jīng)PVT集熱器進(jìn)行集熱形成—個(gè)循環(huán)；第二個(gè)循環(huán)為熱泵端循環(huán)，得到低溫?zé)嵩吹闹评鋭┙?jīng)過壓縮機(jī)壓縮之后成為高溫高壓的制冷劑氣體，再流經(jīng)熱泵冷凝器進(jìn)行冷凝放熱，最后流過節(jié)流閥再次流至蒸發(fā)器進(jìn)行吸熱。本文主要將PVT太陽能作為熱泵的低溫?zé)嵩囱b置進(jìn)行初級(jí)熱量的吸收并產(chǎn)生電能；本文實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置主要由PVT太陽能光伏光熱板、壓縮機(jī)、板式換熱器、電子膨脹閥、循環(huán)水泵等組成（圖1）。采用常州?？ㄌ柲軣岜糜邢薰旧a(chǎn)的PVT太陽能板，尺寸為2000x1000x350mm,該P(yáng)VT太陽能集熱板額定發(fā)電量為320W，額定制熱量為760W，循環(huán)水流量最大為393kg/h，設(shè)計(jì)出水溫度20C1-PVT太陽能光伏集熱器；2-循環(huán)水泵;3-蒸發(fā)器;4-壓縮機(jī);5-冷凝器;6-節(jié)流閥;7-末端；8-板芯溫度測試點(diǎn);9-電流電壓測試點(diǎn);10-進(jìn)口溫度測試點(diǎn);11-出口溫度測試點(diǎn);I-太陽能PVT光伏光熱系統(tǒng);口-二級(jí)熱源熱泵系統(tǒng)圖1系統(tǒng)原理及裝置圖2實(shí)驗(yàn)方法及測試點(diǎn)介紹本文選取常州地區(qū)2018年11月份晴天和多云天氣兩個(gè)典型氣象日進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為8:00-17:00，根據(jù)當(dāng)?shù)鼐暥扰c太陽角，設(shè)置PVT板安裝傾角為52°;試驗(yàn)測試裝置包括JK-16U多路巡檢儀、SWP-ASR200無紙記錄儀、測量太陽輻照強(qiáng)度的輻射量采集儀、水流量測量用渦輪流量計(jì)、電流表、電壓表等，太陽輻照測量儀放置在與PVT板相同斜度的斜面上。本實(shí)驗(yàn)分晴天工況與多云天氣兩個(gè)工況進(jìn)行，分別選取晴天和多云天的太陽輻照情況進(jìn)行對(duì)比，探究太陽輻照的變化對(duì)PVT集熱器進(jìn)出口流體溫度、板芯溫度、輸出電功率的影響，從而得出輻照強(qiáng)度的變化對(duì)光伏光熱效率的影響，用來評(píng)價(jià)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。本實(shí)驗(yàn)測試點(diǎn)主要為PVT太陽能集熱板流體進(jìn)出口溫度、PVT板輸出電功率、實(shí)驗(yàn)時(shí)段水平面太陽能輻照強(qiáng)度以及集熱板板芯溫度等。3理論計(jì)算3.1太陽角太陽輻照強(qiáng)度一般是指太陽投射到水平面上的輻照強(qiáng)度，而通常太陽能板的放置與水平面形成一定的傾角，斜面上太陽輻照強(qiáng)度的變化受太陽角變化的影響，下面通過半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算太陽角及斜面上的太陽輻照強(qiáng)度：cos0=cos^cos8coww+sin^sin8(1)8=0.36-22.96cos(0.9856n)-0.37cos(2x0.9856n)-0.15cos(3x0.9856n)+4sin(0.9856n)(2)w=15x(12-Ts)(3)Ts=Tis+E+4x(Lsm-Li)(4)式中，。為太陽天頂角，°；中為緯度，°；8為太陽赤緯角，°；w為時(shí)角，°；Ts為24h下的真太陽時(shí)，h；Tis為當(dāng)?shù)氐臉?biāo)準(zhǔn)時(shí)間，時(shí)和分；E為時(shí)差，分；Lsm為當(dāng)?shù)貢r(shí)區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)子午線精度，°；Li為當(dāng)?shù)亟?jīng)度，°。3.2斜面上的太陽輻照強(qiáng)度太陽集熱器一般是朝南一定角度(在北半球)放置，為了計(jì)算在給定的時(shí)間內(nèi)落在集熱器上的太陽輻照量，必須把水平面上的太陽輻照量換算到任意方向上，下面將通過公式計(jì)算斜面上的太陽輻照強(qiáng)度。受照斜面上的總輻照強(qiáng)度為：Iz=ID+IS+IF(5)ID=IHD[sin8sin(^-P)+cos(^-P)cos^cos0](6)(7)(8)式中，IS為斜面太陽散射輻照強(qiáng)度，W/m2；IF為斜面太陽反射強(qiáng)度，W/m2；ID為斜面太陽直射輻照強(qiáng)度，W/m2;IHD為水平面太陽直射輻射強(qiáng)度，W/m2;IHS為水平面太陽散射輻照強(qiáng)度，W/m2；B為集熱器安裝角，取60°;p為地面反射率。4實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析試驗(yàn)內(nèi)容主要包括兩個(gè)工況，晴天及多云天氣工況下太陽輻照強(qiáng)度對(duì)PVT運(yùn)行時(shí)光伏集熱板溫度、進(jìn)出水溫度、輸出電流電壓等的影響。測試日的氣象數(shù)據(jù)由下圖2可知，輻照強(qiáng)度的峰值出現(xiàn)在13:30左右，多云天氣輻照強(qiáng)度比晴天較為緩和，晴天輻照峰值1056W/m2，多云天氣輻照峰值可達(dá)到876W/m2。由圖3可知PVT太陽能光伏集熱版的進(jìn)出口水溫的變化，8:00左右出口溫度較低是由于早晨太陽輻照強(qiáng)度較弱且測試設(shè)備初始運(yùn)行的緣故；出口溫度峰值出在13:00左右,此時(shí)進(jìn)出口溫差達(dá)到最大值。圖2晴天與多云天氣輻照強(qiáng)度變化曲線4.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理PVT太陽能集熱器光熱效率：nt=[qwcp(Tout-Tin)]/AcIZ⑼式中，qw為PVT太陽能集熱器循環(huán)水流量，kg/h;cp為水的定壓比熱，J/(kg%);Tout為集熱器出水口溫度，°C;Tin為集熱器進(jìn)水口溫度，°C;Ac為PVT集熱板的面積，m2。圖3PVT光伏集熱板進(jìn)出口水溫PVT太陽能瞬時(shí)光電效率：r|e=UI/AeIZ(10)式中，U、I分別為PVT太陽能集熱器的輸出電壓和電流值，V、A;Ae為光伏電池板的面積，m2。光伏光熱總效率：q0=qt+qe(11)光伏光熱綜合效率：(12)式中,np為常規(guī)活力發(fā)電廠的發(fā)電效率，取0.38。4.2理論計(jì)算太陽輻照強(qiáng)度與實(shí)際測量對(duì)比太陽輻照強(qiáng)度受天氣、云層等不穩(wěn)定因素的影響變化較大，從而直接影響太陽能集熱蒸發(fā)器工作的穩(wěn)定性［9］。如圖4所示，為太陽輻照強(qiáng)度在測試時(shí)間段內(nèi)的變化幅度，由兩個(gè)工況下的太陽輻照強(qiáng)度實(shí)測曲線可看出，輻照強(qiáng)度在正午時(shí)刻逐漸到達(dá)峰值；由圖可以看出理論計(jì)算下的太陽輻照在12:00左右到達(dá)峰值為641.08W/m2，而理論計(jì)算之下的輻照強(qiáng)度雖然在正午時(shí)刻也到達(dá)峰值，但比實(shí)測輻照強(qiáng)度較為緩和，是因?yàn)槔碚撚?jì)算時(shí)大氣透明指數(shù)、地面反射率等參數(shù)都以年平均值作為參考值，失去了太陽輻照的波動(dòng)性，所以在分析輻照強(qiáng)度對(duì)光伏光熱效率的影響時(shí)，以實(shí)測為主，理論計(jì)算為輔。4.3輻照強(qiáng)度與板芯溫度光伏板板芯溫度受太陽輻照強(qiáng)度影響較大，但是板芯溫度的升高又是導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率下降的主要原因，電池板芯溫度每上升1°C,光電轉(zhuǎn)換效率下降0.3%~0.5%［10］；由圖5和圖6可以看出在輻照強(qiáng)度出現(xiàn)峰值之前，板芯溫度隨著輻照強(qiáng)度的增強(qiáng)而上升，在輻照強(qiáng)度到達(dá)峰值之后趨于平緩；這是因?yàn)槌跏紩r(shí)由于早晨太陽輻照強(qiáng)度較低，光伏電池組接收到的太陽光照較少，所以板芯溫度較低；在達(dá)到峰值之后板芯溫度沒有再持續(xù)上升而是趨于平緩是由于光伏集熱器設(shè)計(jì)出水溫度為20°C,在光伏電池組件下面鋪設(shè)的流體管道通過換熱帶走這部分熱量，即達(dá)到給板芯降溫，帶走熱量進(jìn)行下一級(jí)利用，又解決了由于板芯溫度過高而導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)化效率下降的問題，這也說明光熱轉(zhuǎn)化效率較高且穩(wěn)定；板芯溫度峰值出現(xiàn)在13:30，晴天工況下可達(dá)到23C,多云天氣工況下峰值可達(dá)到22C。圖4太陽輻照強(qiáng)度理論計(jì)算與實(shí)測對(duì)比圖圖5晴天工況下輻照強(qiáng)度與板芯溫度的變化曲線圖6多云工況下輻照強(qiáng)度與板芯溫度的變化曲線4.4輻照強(qiáng)度對(duì)光熱效率與光電效率的影響圖7是晴天工況下取自8:00~13:30的光電效率和光熱效率隨輻照強(qiáng)度變化曲線圖，由圖可以看出，晴天工況下光熱效率隨著輻照強(qiáng)度的增加逐漸降低，而光電效率隨著輻照強(qiáng)度的增加逐漸升高，光電效率和光熱效率最小值分別為0.36%、71.67%，平均值分別為4.17%、129.93%；光熱效率之所以隨著輻照強(qiáng)度的增強(qiáng)而降低是因?yàn)榈秸巛椪諒?qiáng)度較高時(shí)環(huán)境溫度也較高，此時(shí)板芯溫度也較高，集熱器出口水溫增加，集熱器帶走大部分熱量的同時(shí)對(duì)外散失的熱量也增加，由此導(dǎo)致光熱效率出現(xiàn)偏低的現(xiàn)象；而光電效率隨著輻照強(qiáng)度的增強(qiáng)逐漸增大，在經(jīng)過峰值之后下降趨勢(shì)比較緩慢，是由于實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，輻照強(qiáng)度較弱，板芯太陽能電池板輸出的電流電壓較低，此時(shí)無法直接供二級(jí)系統(tǒng)壓縮機(jī)正常使用，因此此時(shí)壓縮機(jī)用電網(wǎng)供電。圖7晴天工況下光電效率和光熱效率隨輻照強(qiáng)度的變化曲線圖8是多云天氣工況下取自8:00~13:00時(shí)段的光電效率與光熱效率曲線的變化曲線圖，由圖9可以看出，光熱效率和光電效率的最小值分別為79.76%、0.017%，平均值分別為123.01%、2.76%，光電效率與光熱效率的變化趨勢(shì)與晴天工況相似，但平均水平低于晴天工況，由于云層等不穩(wěn)定因素對(duì)輻照強(qiáng)度的影響，輻照強(qiáng)度變化波動(dòng)較大，引起光熱轉(zhuǎn)化效率與光電轉(zhuǎn)化效率也隨之產(chǎn)生波動(dòng)。圖8多云天氣工況下光電效率和光熱效率隨輻照強(qiáng)度的變化曲線由圖7和圖8可以得出，光熱效率與光電效率都隨著輻照強(qiáng)度變化而變化，除極端天氣(陰、雨、雪天氣)外，太陽能集熱器都能夠獨(dú)立的作為熱泵的低溫?zé)嵩催M(jìn)行運(yùn)行，太陽光熱效率較高且穩(wěn)定；在設(shè)計(jì)集熱器出水溫度為20°C時(shí)，PVT太陽能光伏也具有較高的電收益，較好的解決了光電效率因溫度升高而降低的問題；縱觀輻照強(qiáng)度對(duì)光伏光熱效率的影響，系統(tǒng)光伏效率遠(yuǎn)大于光電效率，在極端天氣情況下，系統(tǒng)在水源熱泵壓縮機(jī)的工作下仍然可以正常運(yùn)行，但PVT太陽能無法持續(xù)產(chǎn)生足夠供壓縮機(jī)正常運(yùn)行的電能；因此在系統(tǒng)實(shí)際投入時(shí)主要收益以光熱為主。4.5PVT系統(tǒng)總效率與綜合效率熱能和電能是兩種不同品位的能源，電能的品位高于熱能，因此HuangB.J等學(xué)者提出光電熱綜合效率和總效率來評(píng)價(jià)PVT太陽能集熱器的綜合性能［1］。由圖9和圖10晴天與多云天氣系統(tǒng)總效率與綜合效率可以看到，光伏光熱總效率與綜合效率變化趨勢(shì)基本一致，在機(jī)器啟動(dòng)運(yùn)行初期光伏光熱總效率與綜合效率曲線基本重合，總效率與綜合效率相同，是因?yàn)闄C(jī)器運(yùn)行初期光電效率較低，結(jié)合式(11)和式(12)可以得出當(dāng)光電效率較低時(shí)，光熱總效率與綜合效率大致相同。由圖9和圖10還可以看出引入總效率與綜合效率來評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能時(shí)，綜合效率略大于總效率，這是由于電能熱能是兩種不同品位的能量，在做效率分析引入綜合效率是考慮了電能是高品位能的因素；整個(gè)系統(tǒng)受輻照強(qiáng)度影響較為明顯。圖9晴天工況下PVT系統(tǒng)效率曲線5結(jié)論本文主要針對(duì)不同工況下PVT太陽能光伏光熱效率進(jìn)行試驗(yàn)研究，研究表明：太陽輻照強(qiáng)度的變化會(huì)影響太陽能PVT光伏光熱板的板芯，繼而影響光伏光熱效率，輻照強(qiáng)度越大，板芯溫度越高。輻照強(qiáng)度引起的板芯溫度變化，從而使光伏光熱效率發(fā)生變化，輻照強(qiáng)度越大，光熱效率反而逐漸降低，光電效率逐漸升高。圖10多云天氣工況下PVT系統(tǒng)效率曲線⑶PVT系統(tǒng)光熱效率遠(yuǎn)大于光伏效率，當(dāng)輻照強(qiáng)度較低時(shí)，太陽能光伏產(chǎn)生的電能無法獨(dú)立供系統(tǒng)使用。(4)系統(tǒng)綜合效率大于總效率，由于電能與熱能的品位不同，系統(tǒng)效率以光熱效率為主，系統(tǒng)總效率和綜合效率與輻照強(qiáng)度呈現(xiàn)逆變化趨勢(shì)。參考文獻(xiàn)【相關(guān)文獻(xiàn)】王崗.新型PV/T-空氣雙熱源復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)性能研究[D].北京:北京工業(yè)大學(xué),2014.劉偉鋒.太陽能一空氣復(fù)合熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)研究[D].濟(jì)南：山東建筑大學(xué),2011.KernEC,RussellMC.Combinedphotovoltaicandthermalhybridcollectorsystems[C].IEEEPhotovoltaicSpecialistsConference，1978，13:1153-1157.BJHuang,THLin,WCHung,etal.Performanceevaluationofsolarphotovoltaic/thermalsystems[J].So