太阳辐照强度对PVT太阳能光伏光热效率的影响

太阳辐照强度对PVT太阳能光伏光热效率的影响王彦龙;蒋绿林;刘净净;孙誉桐;操乐成【期刊名称】《《工业安全与环保》》【年(卷)，期】2019(045)010【总页数】5页(P98-102)【关键词】辐照强度;板芯温度;光伏效率;光热效率;热泵【作者】王彦龙;蒋绿林;刘净净;孙'誉桐;操乐成【作者单位】常州大学石油工程学院江苏常州213016【正文语种】中文0引言当今世界的主要能源依然以煤、石油、天然气等一次能源为主。同时，煤、石油、天然气等这些一次能源的储量正在急剧下降，我国是世界能源生产和消费大国，且能源储量不容乐观［1］，因此，为解决世界能源危机，探索新能源和开发可再生能源在未来一段时间都将具有重要的意义。太阳能作为一种新能源，有着普遍、无害、长久、巨大的优点［1］；每年到达地球表面的辐射大约有5.57x1018MJ,相当于190万t标准煤；我国是亚洲面积第一大国，主要气候以温带和亚热带为主，因此具有较为丰富的太阳能资源。根据统计数据表明，中国年太阳辐照总量大约为3.35x103MJ［2］。现阶段对于太阳能的利用主要集中在太阳能集热和太阳能光伏发电，将太阳能光热和光伏与热泵结合为一体的技术也逐渐走向人们的视野。Kern和Russell［3］最早于1978年提出太阳能光伏光热一体化应用（简称PVT）技术，该技术是在光伏板的背面铺设流体管道，由流体带走光伏发电所产生的热量，并将这部分热能回收利用，同时产生热和电两种效益。Huang等［4］以光电光热综合效率作为PVT热水系统的性能指标进行，实验结果表明该系统的日平均热效率达38%，光热光电综合效率达60%。Chaturvedi等［5-8］大多国内夕卜研究者相继对这种太阳能热泵热水系统进行研究，并且取得了大量的成果。本文将对结合热泵运行的光伏光热系统进行试验及理论研究，讨论太阳辐照强度对光伏光热效率的影响，以达到优化系统运行效果的目的。1试验原理及主要装置该系统将太阳能PVT光伏集热器与水源热泵进行结合运行，系统主要分为两个部分，第一部分为太阳能PVT光伏光热部分，PVT作为水源热泵的低温热源，并且为热泵压缩机输出一定的电能；系统有两个循环，第一个循环为太阳能PVT端的循环，以非直膨式太阳能集热器为原型，PVT太阳能集热器为液冷式集热器，流体通过PVT集热器将温度提升至20^左右，再流经热泵蒸发器进行热量交换将热量传递至热泵端，流出蒸发器的低温流体将再次流经PVT集热器进行集热形成—个循环；第二个循环为热泵端循环，得到低温热源的制冷剂经过压缩机压缩之后成为高温高压的制冷剂气体，再流经热泵冷凝器进行冷凝放热，最后流过节流阀再次流至蒸发器进行吸热。本文主要将PVT太阳能作为热泵的低温热源装置进行初级热量的吸收并产生电能；本文实验系统装置主要由PVT太阳能光伏光热板、压缩机、板式换热器、电子膨胀阀、循环水泵等组成（图1）。采用常州海卡太阳能热泵有限公司生产的PVT太阳能板，尺寸为2000x1000x350mm,该PVT太阳能集热板额定发电量为320W，额定制热量为760W，循环水流量最大为393kg/h，设计出水温度20C1-PVT太阳能光伏集热器；2-循环水泵;3-蒸发器;4-压缩机;5-冷凝器;6-节流阀;7-末端；8-板芯温度测试点;9-电流电压测试点;10-进口温度测试点;11-出口温度测试点;I-太阳能PVT光伏光热系统;口-二级热源热泵系统图1系统原理及装置图2实验方法及测试点介绍本文选取常州地区2018年11月份晴天和多云天气两个典型气象日进行试验，试验时间为8:00-17:00，根据当地纬度与太阳角，设置PVT板安装倾角为52°;试验测试装置包括JK-16U多路巡检仪、SWP-ASR200无纸记录仪、测量太阳辐照强度的辐射量采集仪、水流量测量用涡轮流量计、电流表、电压表等，太阳辐照测量仪放置在与PVT板相同斜度的斜面上。本实验分晴天工况与多云天气两个工况进行，分别选取晴天和多云天的太阳辐照情况进行对比，探究太阳辐照的变化对PVT集热器进出口流体温度、板芯温度、输出电功率的影响，从而得出辐照强度的变化对光伏光热效率的影响，用来评价系统的稳定性及可靠性。本实验测试点主要为PVT太阳能集热板流体进出口温度、PVT板输出电功率、实验时段水平面太阳能辐照强度以及集热板板芯温度等。3理论计算3.1太阳角太阳辐照强度一般是指太阳投射到水平面上的辐照强度，而通常太阳能板的放置与水平面形成一定的倾角，斜面上太阳辐照强度的变化受太阳角变化的影响，下面通过半经验公式计算太阳角及斜面上的太阳辐照强度：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，。为太阳天顶角，°；中为纬度，°；8为太阳赤纬角，°；w为时角，°；Ts为24h下的真太阳时，h；Tis为当地的标准时间，时和分；E为时差，分；Lsm为当地时区的标准子午线精度，°；Li为当地经度，°。3.2斜面上的太阳辐照强度太阳集热器一般是朝南一定角度(在北半球)放置，为了计算在给定的时间内落在集热器上的太阳辐照量，必须把水平面上的太阳辐照量换算到任意方向上，下面将通过公式计算斜面上的太阳辐照强度。受照斜面上的总辐照强度为：Iz=ID+IS+IF(5)ID=IHD[sin8sin(^-P)+cos(^-P)cos^cos0](6)(7)(8)式中，IS为斜面太阳散射辐照强度，W/m2；IF为斜面太阳反射强度，W/m2；ID为斜面太阳直射辐照强度，W/m2;IHD为水平面太阳直射辐射强度，W/m2;IHS为水平面太阳散射辐照强度，W/m2；B为集热器安装角，取60°;p为地面反射率。4实验及结果分析试验内容主要包括两个工况，晴天及多云天气工况下太阳辐照强度对PVT运行时光伏集热板温度、进出水温度、输出电流电压等的影响。测试日的气象数据由下图2可知，辐照强度的峰值出现在13:30左右，多云天气辐照强度比晴天较为缓和，晴天辐照峰值1056W/m2，多云天气辐照峰值可达到876W/m2。由图3可知PVT太阳能光伏集热版的进出口水温的变化，8:00左右出口温度较低是由于早晨太阳辐照强度较弱且测试设备初始运行的缘故；出口温度峰值出在13:00左右,此时进出口温差达到最大值。图2晴天与多云天气辐照强度变化曲线4.1实验数据处理PVT太阳能集热器光热效率：nt=[qwcp(Tout-Tin)]/AcIZ⑼式中，qw为PVT太阳能集热器循环水流量，kg/h;cp为水的定压比热，J/(kg%);Tout为集热器出水口温度，°C;Tin为集热器进水口温度，°C;Ac为PVT集热板的面积，m2。图3PVT光伏集热板进出口水温PVT太阳能瞬时光电效率：r|e=UI/AeIZ(10)式中，U、I分别为PVT太阳能集热器的输出电压和电流值，V、A;Ae为光伏电池板的面积，m2。光伏光热总效率：q0=qt+qe(11)光伏光热综合效率：(12)式中,np为常规活力发电厂的发电效率，取0.38。4.2理论计算太阳辐照强度与实际测量对比太阳辐照强度受天气、云层等不稳定因素的影响变化较大，从而直接影响太阳能集热蒸发器工作的稳定性［9］。如图4所示，为太阳辐照强度在测试时间段内的变化幅度，由两个工况下的太阳辐照强度实测曲线可看出，辐照强度在正午时刻逐渐到达峰值；由图可以看出理论计算下的太阳辐照在12:00左右到达峰值为641.08W/m2，而理论计算之下的辐照强度虽然在正午时刻也到达峰值，但比实测辐照强度较为缓和，是因为理论计算时大气透明指数、地面反射率等参数都以年平均值作为参考值，失去了太阳辐照的波动性，所以在分析辐照强度对光伏光热效率的影响时，以实测为主，理论计算为辅。4.3辐照强度与板芯温度光伏板板芯温度受太阳辐照强度影响较大，但是板芯温度的升高又是导致光电转换效率下降的主要原因，电池板芯温度每上升1°C,光电转换效率下降0.3%~0.5%［10］；由图5和图6可以看出在辐照强度出现峰值之前，板芯温度随着辐照强度的增强而上升，在辐照强度到达峰值之后趋于平缓；这是因为初始时由于早晨太阳辐照强度较低，光伏电池组接收到的太阳光照较少，所以板芯温度较低；在达到峰值之后板芯温度没有再持续上升而是趋于平缓是由于光伏集热器设计出水温度为20°C,在光伏电池组件下面铺设的流体管道通过换热带走这部分热量，即达到给板芯降温，带走热量进行下一级利用，又解决了由于板芯温度过高而导致光电转化效率下降的问题，这也说明光热转化效率较高且稳定；板芯温度峰值出现在13:30，晴天工况下可达到23C,多云天气工况下峰值可达到22C。图4太阳辐照强度理论计算与实测对比图图5晴天工况下辐照强度与板芯温度的变化曲线图6多云工况下辐照强度与板芯温度的变化曲线4.4辐照强度对光热效率与光电效率的影响图7是晴天工况下取自8:00~13:30的光电效率和光热效率随辐照强度变化曲线图，由图可以看出，晴天工况下光热效率随着辐照强度的增加逐渐降低，而光电效率随着辐照强度的增加逐渐升高，光电效率和光热效率最小值分别为0.36%、71.67%，平均值分别为4.17%、129.93%；光热效率之所以随着辐照强度的增强而降低是因为到正午辐照强度较高时环境温度也较高，此时板芯温度也较高，集热器出口水温增加，集热器带走大部分热量的同时对外散失的热量也增加，由此导致光热效率出现偏低的现象；而光电效率随着辐照强度的增强逐渐增大，在经过峰值之后下降趋势比较缓慢，是由于实验开始时，辐照强度较弱，板芯太阳能电池板输出的电流电压较低，此时无法直接供二级系统压缩机正常使用，因此此时压缩机用电网供电。图7晴天工况下光电效率和光热效率随辐照强度的变化曲线图8是多云天气工况下取自8:00~13:00时段的光电效率与光热效率曲线的变化曲线图，由图9可以看出，光热效率和光电效率的最小值分别为79.76%、0.017%，平均值分别为123.01%、2.76%，光电效率与光热效率的变化趋势与晴天工况相似，但平均水平低于晴天工况，由于云层等不稳定因素对辐照强度的影响，辐照强度变化波动较大，引起光热转化效率与光电转化效率也随之产生波动。图8多云天气工况下光电效率和光热效率随辐照强度的变化曲线由图7和图8可以得出，光热效率与光电效率都随着辐照强度变化而变化，除极端天气(阴、雨、雪天气)外，太阳能集热器都能够独立的作为热泵的低温热源进行运行，太阳光热效率较高且稳定；在设计集热器出水温度为20°C时，PVT太阳能光伏也具有较高的电收益，较好的解决了光电效率因温度升高而降低的问题；纵观辐照强度对光伏光热效率的影响，系统光伏效率远大于光电效率，在极端天气情况下，系统在水源热泵压缩机的工作下仍然可以正常运行，但PVT太阳能无法持续产生足够供压缩机正常运行的电能；因此在系统实际投入时主要收益以光热为主。4.5PVT系统总效率与综合效率热能和电能是两种不同品位的能源，电能的品位高于热能，因此HuangB.J等学者提出光电热综合效率和总效率来评价PVT太阳能集热器的综合性能［1］。由图9和图10晴天与多云天气系统总效率与综合效率可以看到，光伏光热总效率与综合效率变化趋势基本一致，在机器启动运行初期光伏光热总效率与综合效率曲线基本重合，总效率与综合效率相同，是因为机器运行初期光电效率较低，结合式(11)和式(12)可以得出当光电效率较低时，光热总效率与综合效率大致相同。由图9和图10还可以看出引入总效率与综合效率来评价系统性能时，综合效率略大于总效率，这是由于电能热能是两种不同品位的能量，在做效率分析引入综合效率是考虑了电能是高品位能的因素；整个系统受辐照强度影响较为明显。图9晴天工况下PVT系统效率曲线5结论本文主要针对不同工况下PVT太阳能光伏光热效率进行试验研究，研究表明：太阳辐照强度的变化会影响太阳能PVT光伏光热板的板芯，继而影响光伏光热效率，辐照强度越大，板芯温度越高。辐照强度引起的板芯温度变化，从而使光伏光热效率发生变化，辐照强度越大，光热效率反而逐渐降低，光电效率逐渐升高。图10多云天气工况下PVT系统效率曲线⑶PVT系统光热效率远大于光伏效率，当辐照强度较低时，太阳能光伏产生的电能无法独立供系统使用。(4)系统综合效率大于总效率，由于电能与热能的品位不同，系统效率以光热效率为主，系统总效率和综合效率与辐照强度呈现逆变化趋势。参考文献【相关文献】王岗.新型PV/T-空气双热源复合热泵热水系统性能研究[D].北京:北京工业大学,2014.刘伟锋.太阳能一空气复合热泵系统的应用技术研究[D].济南：山东建筑大学,2011.KernEC,RussellMC.Combinedphotovoltaicandthermalhybridcollectorsystems[C].IEEEPhotovoltaicSpecialistsConference，1978，13:1153-1157.BJHuang,THLin,WCHung,etal.Performanceevaluationofsolarphotovoltaic/thermalsystems[J].So