常澤輝，田瑞，侯靜

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010051；2.內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010070）

隨著節(jié)能減排觀念的日益深入，利用太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源成為了解決目前嚴(yán)重的化石能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題的有效途徑。其中太陽(yáng)能光伏技術(shù)日趨成熟，光伏電站已經(jīng)并網(wǎng)發(fā)電，但在太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用上還存在著光電轉(zhuǎn)換效率低、發(fā)電成本高、評(píng)價(jià)體系不夠完善等問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)研究表明，在太陽(yáng)輻照度一定的條件下，當(dāng)太陽(yáng)光照射到太陽(yáng)能光伏電池上時(shí)，只有能量大于其半導(dǎo)體材料的禁帶寬度的部分光子能量能夠轉(zhuǎn)化為電能，此外的能量不僅不能轉(zhuǎn)化為電能輸出，還會(huì)變?yōu)閺U熱造成光電轉(zhuǎn)換效率下降[1]。為了解決這個(gè)問(wèn)題，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始關(guān)注太陽(yáng)能光伏光熱（PV/T）一體化系統(tǒng)，該系統(tǒng)由太陽(yáng)電池和熱收集單元共同組成，可以同時(shí)獲得電能和熱能。一般認(rèn)為，太陽(yáng)能光伏光熱集熱器概念于20世紀(jì)70年代提出[2]，但是，近十幾年，隨著太陽(yáng)電池效率和太陽(yáng)能熱水器效率的提高，以及國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)PV/T集熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得太陽(yáng)能光伏光熱一體化系統(tǒng)整體效率得到了提高。

1 太陽(yáng)電池光伏光熱測(cè)試實(shí)驗(yàn)

1.1 測(cè)試方法

本文所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)測(cè)試區(qū)域位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市（東經(jīng)111°40'，北緯40°30'，海拔1 088米），實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間從2010年6月至9月。選用的太陽(yáng)電池是由美國(guó)西門子公司生產(chǎn)的SM 55型電池板，實(shí)驗(yàn)中，電池板正南放置在離地25米空曠的平臺(tái)上。實(shí)驗(yàn)區(qū)域年均日照時(shí)數(shù)為3 000多小時(shí)，年均太陽(yáng)輻照度在1 000W/m2左右，屬太陽(yáng)輻射二類地區(qū)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程分兩部分：第一部分是在相同的太陽(yáng)輻照度下，相同負(fù)載條件下，對(duì)選用的規(guī)格相同的兩塊太陽(yáng)電池的輸出功率進(jìn)行對(duì)比校核。在校核實(shí)驗(yàn)中電池板的傾角變化范圍從30°到55°，調(diào)整傾角間隔為5°。第二部分是在固定式太陽(yáng)電池板以當(dāng)?shù)鼐暥茸罴褍A角放置時(shí)，對(duì)所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能光伏光熱一體化系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖1所示，本文研究的銅管式太陽(yáng)能光伏光熱一體化系統(tǒng)由一塊普通太陽(yáng)電池、一塊裝有銅管換熱器太陽(yáng)電池、太陽(yáng)能光伏發(fā)電測(cè)試系統(tǒng)、太陽(yáng)能熱水測(cè)試系統(tǒng)、太陽(yáng)能輻射量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、連接管路、負(fù)載和支撐框架組成。實(shí)驗(yàn)中的銅管式太陽(yáng)能光伏光熱模塊的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)選用的測(cè)試儀器是錦州陽(yáng)光生產(chǎn)的PC-2型太陽(yáng)輻射記錄儀和TRM-FD1型太陽(yáng)能發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。TRM-FD1型太陽(yáng)能發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電壓傳感器精度：小于0.5%，顯示分辨率為0.1 V；電流傳感器精度：小于0.5%，顯示分辨率為0.1 A；溫度傳感器測(cè)溫范圍：－50～100℃，精度：±0.2℃，顯示分辨率：0.1℃。PC-2太陽(yáng)輻射記錄儀的準(zhǔn)確度：0.5%，儀器內(nèi)分辨率：±1μV，顯示精度：1W。

1.3 實(shí)驗(yàn)板件

實(shí)驗(yàn)中所采用的實(shí)驗(yàn)板件是由美國(guó)西門子公司生產(chǎn)的SM 55型電池板，具體參數(shù)如表1中所示。

表1 實(shí)驗(yàn)板件參數(shù)

2 太陽(yáng)電池光伏光熱一體化系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)中，把銅管換熱器安裝在太陽(yáng)電池2板背后，用壓條將銅管換熱器與太陽(yáng)電池板背緊密結(jié)合，外面敷設(shè)保溫材料。太陽(yáng)能光伏光熱測(cè)試系統(tǒng)中工質(zhì)循環(huán)方式為自然循環(huán)，裝置正南向放置，太陽(yáng)電池陣列安裝傾角為47°[3]。實(shí)驗(yàn)采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)電池板傾角相同，負(fù)載相同，實(shí)驗(yàn)地相同。實(shí)驗(yàn)步驟如下：首先對(duì)TRM—FD1型太陽(yáng)能發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的測(cè)量管路和水箱溫度的溫度傳感器進(jìn)行溫度校正；然后在相同太陽(yáng)輻照度條件下，對(duì)銅管式太陽(yáng)能光伏光熱一體化系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)量的參數(shù)包括：太陽(yáng)輻射量R、工作電壓UW、工作電流IW、水箱溫度TW、環(huán)境溫度TS，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為5m in。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以得出，在測(cè)量的時(shí)間單元里，太陽(yáng)電池工作時(shí)產(chǎn)生的熱量能夠?qū)⑺疁赜沙跏嫉?2℃最高升至33℃，使得裝有銅管換熱器的太陽(yáng)電池2板的板背溫度控制在45℃以下，比1板的板背溫度最多可以降低8℃。水箱溫度TW、環(huán)境溫度TS、1板板背溫度T1、2板板背溫度T2變化的趨勢(shì)曲線如圖3、圖4、圖5所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：裝有銅管束換熱裝置的2板工作溫度曲線要比1板工作溫度曲線平緩。

實(shí)驗(yàn)中，沒(méi)有安裝換熱裝置的太陽(yáng)電池溫度在晴天或多云的天氣里電池組件的工作溫度最高可達(dá)到65℃，高溫導(dǎo)致太陽(yáng)電池光電裝換效率明顯下降。本文所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)電池光伏光熱一體化系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)比較如圖6、圖7、圖8所示。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，帶有銅管換熱器的2板的輸出功率比沒(méi)有換熱裝置的1板的輸出功率要大。在測(cè)試時(shí)間為8：00～15：30之間時(shí)，對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，2板的輸出功率分別比1板大7.1、6.8、9.3W，相對(duì)于太陽(yáng)電池額定輸出功率分別增加了12.90%、12.36%、16.90%。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)太陽(yáng)輻照度在1 000W/m2左右的時(shí)候，設(shè)計(jì)加工的銅管集熱器能夠保證太陽(yáng)電池的工作溫度低于45℃，使太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率有所提高。

（2）固定式光伏方陣以最佳傾角安裝時(shí)，在相同的太陽(yáng)輻照度和環(huán)境溫度條件下，相對(duì)于太陽(yáng)電池額定輸出功率，裝有銅管集熱器的單塊太陽(yáng)電池的輸出功率比普通單塊太陽(yáng)電池輸出功率提高近17%。

（3）裝有銅管集熱器的太陽(yáng)電池的工作溫度曲線較普通太陽(yáng)電池的工作溫度曲線平緩，這對(duì)于提高太陽(yáng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中的鉛酸蓄電池的使用壽命是有利的。

[1] 魏葳,駱仲泱,趙佳飛,等.太陽(yáng)能光電-光熱綜合利用系統(tǒng)[J].上海節(jié)能,2010,5:12-13.

[2] KERN E C,RUSSELL M C.Combined photovoltaic and thermal hybrid collector system[C]//Proceedings of 13thIEEE Photovoltaic Specialists Conference.Washington:13thIEEE Photovoltaic SpecialistsConference,1978:1153-1157.

[3] 常澤輝,田瑞.固定式太陽(yáng)電池方陣最佳傾角的實(shí)驗(yàn)研究[J].電源技術(shù),2007,31(4):312-314.