雙玻光伏組件HP-PV/T一體化系統實驗研究*

陳厚仁， 馬進偉， 羅成龍， 方浩， 陳秉章， 歐陽林皓

(1.安徽建筑大學 環境與能源工程學院，安徽 合肥 230601；2.南京理工大學 能源與動力工程學院，江蘇 南京 210094)

PV/T系統[1]的發展進程中，學者們利用不同的換熱工質(空氣[2]、水[3]或制冷劑[4])對系統展開了各項研究，其中熱管式PV/T(HP-PV/T)結合制冷劑相變原理有效解決了水冷式PV/T的冬季防凍問題，因而受到了國內外學者的廣泛關注[5-12].目前HP-PV/T系統中吸熱板偏向與單玻光伏組件結合，而雙玻光伏組件具有更高的透光率[13]，有關雙玻電池組件結構的HP-PV/T系統還少有涉及；此外，學者們研究的熱管大多與吸熱板單個連接，熱管內制冷劑的替換存在一定的難度.為解決上述問題，本文首先基于雙玻光伏組件設計一種HP-PV/T一體化系統，無玻璃蓋板結構以及單晶硅電池的使用能夠提高系統的電效率和熱傳輸；其次，對熱管的連接和排列方式進行優化設計，便于熱管中制冷劑的添加和更換.最后，研究并分析了系統的工作效率、能量損失，以期為雙玻光伏組件的HP-PV/T系統高效運行提供理論和實驗依據.

1 系統結構與實驗平臺

1.1 HP-PV/T系統結構

HP-PV/T系統結構如圖1所示，主要由雙玻光伏電池、吸熱板、重力熱管、聯箱和保溫材料等構成.其中，組件表面尺寸2 000 mm×1 000 mm，透光率為10%的雙玻光伏板通過導熱硅膠與面積為1.95 m2吸熱板(表面電鍍選擇性黑鉻吸熱涂層)緊密黏合，重力熱管的蒸發段(Φ 7 mm×0.7 mm×925 mm)焊接在吸熱板背部，冷凝段(Φ 22 mm×1 mm×150 mm)嵌入到聯箱中，熱管底端依次焊接至內徑22 mm的紫銅管(制冷劑進口)，構成一體化的重力熱管.聯箱內部、組件背面與邊框的保溫通過填充30 mm的玻璃纖維實現.

圖1 HP-PV/T組件示意圖

1.2 實驗平臺

實驗于合肥地區開展，組件朝南以35°傾角安裝，水箱內部沿高度方向等距布置4個K型溫度傳感器傳輸水溫數據，運行水量為160 L，流量計和循環水泵安裝在水箱出口處，以監測與調節循環流量.電池模塊將太陽能轉化為電能后儲存至電池內，另一方面太陽能透過雙玻光伏組件以輻射換熱的形式傳遞，而大部分熱能以接觸導熱的形式傳遞給吸熱板至熱管蒸發段，蒸發段內制冷劑吸熱蒸發，汽化后上升至熱管冷凝段，與水泵驅動的循環水在聯箱換熱器中換熱液化，再由重力作用回到蒸發段.

表1 實驗儀器型號與精度

太陽輻照度、環境溫度、聯箱出入口端循環水溫度和吸熱板溫度等參數數據利用相應的儀器設備進行測量.光電系統則由負載、蓄電池、電流傳感器和MPPT控制器等構成.上述各項儀器精度型號、具體尺寸如表1所示，測量數據均由安捷倫數據采集儀進行收集，數據采集儀設定采樣時間間隔為1 min.

2 系統評價

HP-PV/T系統評價標準為組件的熱效率、電效率、綜合效率[1]和能量損失率[14].

3 實驗結果與分析

3.1 環境參數

實驗在2022年4-5月開展，時間為當天的8∶00-16∶00.為驗證循環水流量對HP-PV/T系統工作性能的影響，實驗中水流量從0.03 kg/s變化到0.08 kg/s.圖2為典型晴朗天氣下某天的太陽輻照度變化情況，當天太陽輻照度的變化幅度明顯，平均值和最大值分別為775.7 W/m2和974.2 W/m2.

圖2 太陽輻照度變化曲線

3.2 性能對比分析

對比發現，流量0.03 kg/s系統電效率最大值為18.90%，最大電功率顯示290.96 W，而流量增加到0.08 kg/s，系統最大電效率提高了0.4%，達到19.30%，電功率最大值提高了5.6%，達到307.33 W.結合上述，增加循環水流量是提升組件的光電轉換性能的有效途徑.通過圖3中的實驗數據還可以看出，隨著循環水流量增加，在循環水流量及輻照強度的共同作用下，電效率發生兩次轉折時刻對應的太陽能輻照度增大.

圖3 HP-PV/T組件光電性能變化曲線

表2列出了變流量工況下實驗的測試結果.由表可知，增大循環水流量，HP-PV/T組件熱效率顯著提高，由19.81%上升至28.83%，原因在于循環水流量的增大強化了冷卻水與熱管蒸發段的換熱效果.對比0.05、0.08 kg/s兩組流量數據顯示，由于高流速對應的循環水流溫升較快，導致光伏電池處于較高的工作溫度，系統電效率反而降低了0.35%.

另一方面，HP-PV/T組件能量損失率隨循環水流量的增加呈現出相同的變化趨勢，即逐漸降低，系統能量損失率由62.98%降至53.51%，鑒于能量損失降低，系統綜合效率由65.84%提高至76.36%.總的來看，隨著流量的增大，系統的綜合效率逐漸提高，說明能量的轉換程度得到加強，更多的太陽能被收集利用.

表2 變流量工況下HP-PV/T組件的實驗結果

4 結語

針對雙玻光伏組件結構的HP-PV/T系統開展實驗，結合實驗數據分析太陽輻照度和循環水流量對系統性能的影響，得到以下結論：

1)雙玻光伏組件具有更好的透光率，結合熱管優良的導熱性，實現HP-PV/T系統的更高效利用.

2)測試條件下，系統的電、熱、綜合效率最大值分別為18.41%、28.83%、76.36%.由于雙玻光伏組件的電池覆蓋率高，因此系統熱效率偏低.

3)太陽輻照度和循環水流量的不同對系統的電性能影響明顯，一定范圍內增大太陽輻照度和循環水流量，系統電效率和電功率均得到有效提升.循環水流量的大小是組件全天保持較高電效率的重要因素.

4)隨著循環水流量的增大，系統能量損失和能量損失率逐漸下降，綜合效率上升，能夠實現能量的更高效利用.