張 濤 韓吉田 趙紅霞 段 煉

(1山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,濟(jì)南 250061)(2泰安市中心醫(yī)院,泰安 271000)

太陽能是一種可再生能源,利用太陽能對于節(jié)約常規(guī)能源、保護(hù)環(huán)境具有極其重大的意義[1].燃料電池是等溫地將儲(chǔ)存在燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)單元,具有高效、不依賴環(huán)境變化的特點(diǎn)[2].作為一種具有良好發(fā)展前景的低溫燃料電池,質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)具有工作溫度低、無污染、無腐蝕、比功率大、啟動(dòng)迅速等優(yōu)點(diǎn)[3].太陽能耦合燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)具有能源利用率高、能源循環(huán)利用的特點(diǎn),對于解決能源短缺和環(huán)境污染兩大難題具有重要意義.

太陽能耦合燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)分為太陽能光電/燃料電池的發(fā)電系統(tǒng)、太陽能光熱/燃料電池的余熱回收系統(tǒng).太陽能光電/燃料電池系統(tǒng)是一種有效的復(fù)合電能系統(tǒng),聯(lián)供系統(tǒng)主要包括太陽能光伏電池、水電解槽、氫氣儲(chǔ)罐、燃料電池[4],水電解槽接受光伏直流電生成氧氣及氫氣,電解水生成的氫氣儲(chǔ)存在儲(chǔ)氫罐中,燃料電池消耗儲(chǔ)存的氫氣產(chǎn)生電能[5].電能輸出的可靠性以及增加的利潤,是太陽能光電/燃料電池系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)[6-9].全玻璃真空管集熱器、單效溴化鋰吸收制冷系統(tǒng)、PEMFC和板式換熱器可組成冷熱電聯(lián)供系統(tǒng),其中PEMFC為住宅內(nèi)的照明和家電提供電力,在沒有太陽輻照的條件下,也可為住宅提供限量的熱水[10-13].太陽能光熱/PEMFC的仿真研究表明,當(dāng)燃料電池的電流密度為900 mA/cm2時(shí),電池的最大輸出功率為7.19 kW,最大輸出熱能為13.20 kW.當(dāng)燃料電池運(yùn)行溫度由75 ℃升高至95 ℃時(shí),燃料電池最大輸出功率由7.30 kW下降為6.90 kW,但最大輸出熱能由7.70 kW上升為8.10 kW[14-16].在太陽能光熱/PEMFC聯(lián)供系統(tǒng)中,氫氣的反應(yīng)速率、燃料電池運(yùn)行溫度、電堆循環(huán)冷卻水進(jìn)出口溫度、電堆的輸出電壓與電流是主要影響因素,電堆循環(huán)冷卻水輸出功率決定水冷系統(tǒng)參數(shù)及太陽能熱水系統(tǒng)參數(shù)[17].

在太陽能耦合燃料電池冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的相關(guān)文獻(xiàn)中,主要給出數(shù)值模擬仿真數(shù)據(jù),極少提供相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù).本文在全玻璃真空管太陽能集熱器研究的基礎(chǔ)上,參照太陽能光熱/光電和PEMFC聯(lián)供系統(tǒng)的相關(guān)試驗(yàn)研究,搭建太陽能氣象站、太陽能光電/PEMFC模擬器以及低溫太陽能集熱器/空氣源熱泵熱水系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái),研究太陽能光電/光熱和PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)基礎(chǔ)參數(shù),驗(yàn)證太陽能耦合燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)的可行性.

1 聯(lián)供系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示,太陽能和PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)由太陽能氣象站、太陽能光電/PEMFC、低溫太陽能集熱器/空氣源熱泵熱水系統(tǒng)及PEMFC/板式換熱器構(gòu)成.

圖1 太陽能和PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)簡圖

在太陽輻照充足的條件下,太陽能光伏板產(chǎn)生電能,這些電能首先通過直流控制器供給電用戶，同時(shí)產(chǎn)生的多余電能輸送給電解槽,在電解槽中電解水產(chǎn)生氫氣和氧氣.將電解水產(chǎn)生的氫氣和氧氣分別儲(chǔ)存在氫氣儲(chǔ)罐和氧氣儲(chǔ)罐中;當(dāng)太陽輻照強(qiáng)度較低或輻照強(qiáng)度為零時(shí),氫氣和氧氣經(jīng)過PEMFC發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生直流電能,直流電能經(jīng)過功率轉(zhuǎn)換裝置供給電用戶直接使用,由此構(gòu)成太陽能光電/PEMFC聯(lián)供系統(tǒng).

空氣源熱泵控制溫度設(shè)定為40～45 ℃,維持儲(chǔ)熱水箱內(nèi)溫度為40～45 ℃.當(dāng)儲(chǔ)熱水箱水位低于40%時(shí),軟化水補(bǔ)水經(jīng)電磁閥進(jìn)入儲(chǔ)熱水箱,與儲(chǔ)熱水箱內(nèi)的熱水混合;在太陽輻照充足的條件下,啟動(dòng)太陽能熱水循環(huán)泵,儲(chǔ)熱水箱內(nèi)熱水流經(jīng)低溫太陽能集熱器并吸收太陽輻射能,吸收太陽輻射能的熱水溫度升高并儲(chǔ)存在水箱內(nèi);當(dāng)儲(chǔ)熱水箱內(nèi)熱水溫度低于40 ℃時(shí),啟動(dòng)空氣源熱水循環(huán)機(jī)組,儲(chǔ)熱水箱內(nèi)熱水流經(jīng)空氣源熱泵并吸收空氣熱能,吸收空氣熱能的熱水溫度升高并儲(chǔ)存在水箱內(nèi),當(dāng)儲(chǔ)熱水箱內(nèi)熱水溫度高于45 ℃時(shí),空氣源熱水機(jī)組停止運(yùn)行.低溫太陽能集熱器、空氣源熱水循環(huán)機(jī)組、儲(chǔ)熱水箱和自動(dòng)控制系統(tǒng),組成完整的低溫太陽能集熱器/空氣源熱泵熱水系統(tǒng).

當(dāng)水溫為55 ℃的燃料電池電堆去離子循環(huán)冷卻水流經(jīng)板式換熱器時(shí),釋放熱量后水溫下降為50 ℃,水溫為50 ℃的去離子循環(huán)冷卻水流經(jīng)PEMFC電堆,吸收運(yùn)行溫度為80 ℃左右的電堆熱量,溫度升高為55 ℃的循環(huán)冷卻水;當(dāng)儲(chǔ)熱水箱內(nèi)40 ℃的太陽能熱水流經(jīng)板式換熱器時(shí),吸收熱量后水溫上升為45 ℃,水溫為45 ℃的太陽能熱水流經(jīng)儲(chǔ)熱水箱,并儲(chǔ)存在水箱內(nèi)部供給用戶使用.PEMFC電堆、板式換熱器和太陽能儲(chǔ)熱水箱構(gòu)成PEMFC電堆/太陽能光熱熱電聯(lián)供系統(tǒng).

2 試驗(yàn)裝置

根據(jù)太陽能耦合燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)的構(gòu)成,太陽能光電/光熱的試驗(yàn)裝置主要包括太陽能氣象站、太陽能光電/PEMFC模擬器、低溫太陽能集熱器/空氣源熱泵熱水系統(tǒng).

2.1 太陽能氣象站

如圖2所示,太陽能氣象觀測站的室外儀器包括風(fēng)速風(fēng)向儀、溫度濕度儀、數(shù)據(jù)采集器、太陽輻射表、數(shù)據(jù)采集線、儀器支架等設(shè)備;太陽能氣象觀測站的室內(nèi)儀器包括太陽能熱水系統(tǒng)測試儀、測試軟件、測試主機(jī)、數(shù)據(jù)采集線等設(shè)備.

2.2 太陽能光電/PEMFC

如圖3所示,太陽能光電/PEMFC模擬器試驗(yàn)系統(tǒng)主要分為2部分:① 充電.當(dāng)日照充足時(shí),太陽能光伏板產(chǎn)生直流電為蓄電池充電,所需儀器主要為100 W太陽能光伏板、光伏控制柜、蓄電池等.② 放電.當(dāng)太陽輻照強(qiáng)度為零,光伏板電壓及電流降為零時(shí),啟動(dòng)蓄電池放電開關(guān),電解水槽產(chǎn)生氫氣和氧氣,氫氣驅(qū)動(dòng)PEMFC模擬器產(chǎn)生直流電流,所需儀器主要為蓄電池、光伏控制開關(guān)、電解水槽、PEMFC模擬器等.

(a) 室外設(shè)備

(b) 室內(nèi)設(shè)備

(a) 室外設(shè)備

(b) 室內(nèi)設(shè)備

2.3 低溫太陽能集熱器/空氣源熱泵熱水系統(tǒng)

如圖4所示,太陽能光熱/PEMFC試驗(yàn)系統(tǒng)主要分為4部分:① 太陽能集熱器加熱系統(tǒng).當(dāng)日光充足時(shí),生活用水經(jīng)太陽能集熱器加熱溫度升高,試驗(yàn)裝置為太陽能循環(huán)泵、橫雙排全玻璃真空管太陽能集熱器.② 空氣源熱泵系統(tǒng).當(dāng)水箱內(nèi)水溫低于設(shè)定值時(shí),空氣源系統(tǒng)啟動(dòng),生活熱水吸收空氣熱能后溫度升高,試驗(yàn)裝置為空氣源熱水機(jī)組、循環(huán)水泵等輔助設(shè)備.③ 儲(chǔ)熱水箱.所有生活熱水均儲(chǔ)存在水箱內(nèi)部,儲(chǔ)熱和保溫是水箱的2個(gè)主要功能.④板式太陽能集熱器測試平臺(tái).主要包括板式太陽能集熱器、儲(chǔ)熱水箱、便攜式氣象站、支架、熱水循環(huán)泵、測溫?zé)犭娮璧仍O(shè)備.為與全玻璃真空管集熱器進(jìn)行對比,本文還采用了管板式集熱器以及強(qiáng)化傳熱的黑陶瓷集熱器.在水箱內(nèi)部高、中、低不同位置,測量水溫變化并計(jì)算儲(chǔ)熱水箱平均溫度,集熱器進(jìn)出口均安裝Pt100熱電阻,以便測量集熱器溫度變化.

(a) 室外設(shè)備

(b) 室內(nèi)設(shè)備

3 效率性能

根據(jù)太陽能光電/光熱試驗(yàn)研究要求,本文主要研究PEMFC轉(zhuǎn)化效率、太陽能集熱器熱效率的變化,試驗(yàn)驗(yàn)證太陽能耦合燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)的可行性.

PEMFC運(yùn)行時(shí),氫氧發(fā)生反應(yīng)生成水,若生成水為液態(tài)則為高熱值效率(HHV),若生成水為氣態(tài),則為低熱值效率(LHV).本文應(yīng)用循環(huán)水冷卻,故采用HHV.電能轉(zhuǎn)化效率計(jì)算公式為

(1)

式中,ηeHHV為高熱值效率;Vc為質(zhì)子交換膜燃料電池電壓,V.

集熱器效率可定義為集熱器輸出的有用功率與投射到集熱器上的太陽輻射功率之比,集熱器效率與選擇的集熱器面積有直接的關(guān)系.本文根據(jù)試驗(yàn)要求,選擇以總面積為參考的集熱器效率,集熱器效率計(jì)算公式為

(2)

4 單日氣象參數(shù)

本文以2015年春分、夏至、秋分及冬至4個(gè)節(jié)氣日為基礎(chǔ),分析單日氣象參數(shù)變化.

4.1 單日氣象分析

通過觀測氣象參數(shù)變化,以2015年夏至當(dāng)日氣象參數(shù)為基礎(chǔ),以全天時(shí)刻變化為基準(zhǔn),分析環(huán)境溫度、輻照強(qiáng)度、環(huán)境濕度、露點(diǎn)溫度、瞬時(shí)風(fēng)速和平均風(fēng)速24 h變化趨勢.夏至當(dāng)日氣象參數(shù)分析如圖5所示.

當(dāng)日00:00—05:00及19:00—00:00,太陽輻照強(qiáng)度為0,由于沒有太陽輻照熱量,環(huán)境溫度在凌晨05:00降至最低;當(dāng)日05:00—12:00,輻照強(qiáng)度逐漸升至最高,由于吸收太陽輻照熱量,環(huán)境溫度逐漸升高,當(dāng)日12:00—16:00,環(huán)境溫度最高;輻照強(qiáng)度自12:00—19:00,逐漸降至最低,環(huán)境溫度自16:00逐漸下降,完成當(dāng)日循環(huán).

當(dāng)日00:00—09:00及16:00—00:00,環(huán)境濕度逐漸升至最高,露點(diǎn)溫度在經(jīng)過一段時(shí)間波動(dòng)后,當(dāng)日00:00—09:00及18:00—00:00,露點(diǎn)溫度也升至最高;當(dāng)日09:00—15:00,環(huán)境濕度和露點(diǎn)溫度均下降至最低值.由圖5中數(shù)據(jù)分析可知,夏至當(dāng)日環(huán)境濕度和露點(diǎn)溫度變化相一致.

當(dāng)日00:00—07:00及20:00—00:00,由于夜間環(huán)境溫度穩(wěn)定,因此瞬時(shí)風(fēng)速和平均風(fēng)速變化平穩(wěn),風(fēng)速數(shù)值趨近于0;當(dāng)日07:00—20:00,隨著環(huán)境溫度的變化,瞬時(shí)風(fēng)速和平均風(fēng)速劇烈波動(dòng);由于瞬時(shí)風(fēng)速只測取具體時(shí)間點(diǎn)數(shù)值,平均風(fēng)速的數(shù)值更趨近于測試時(shí)間段內(nèi)的風(fēng)速數(shù)值.

4.2 單日數(shù)據(jù)擬合

以單日氣象數(shù)據(jù)為基準(zhǔn),00:00—24:00時(shí)刻氣象變化為變量,擬合多項(xiàng)式.輻照強(qiáng)度擬合曲線協(xié)方差最高;風(fēng)速測量數(shù)據(jù)波動(dòng)較為明顯,數(shù)據(jù)參差不齊,風(fēng)速擬合曲線協(xié)方差最低.氣象參數(shù)擬合多項(xiàng)式如下所示:

(a) 環(huán)境溫度和輻照強(qiáng)度

(b) 環(huán)境濕度和露點(diǎn)溫度

(c) 瞬時(shí)風(fēng)速和平均風(fēng)速

y=Ax6+Bx5+Cx4+Dx3+Ex2+Fx+G

(3)

式中,y為各節(jié)氣測量參數(shù)(環(huán)境溫度、輻照強(qiáng)度、環(huán)境濕度、露點(diǎn)溫度、瞬時(shí)風(fēng)速和平均風(fēng)速);x=T/24,T為測試時(shí)刻.系數(shù)及擬合曲線協(xié)方差如表1所示.

5 太陽能光電/PEMFC模擬器

由于受到100 W太陽能光伏板容量的限制,試驗(yàn)采用PEMFC模擬器,研究太陽能光伏發(fā)電、電解水制氫、PEMFC模擬器發(fā)電的可行性.

5.1 輻照強(qiáng)度與充電電壓

試驗(yàn)當(dāng)日為晴天,10:00—13:00輻照強(qiáng)度最佳,全天輻照強(qiáng)度平均值為336.94 W/m2.隨著充電時(shí)間的延續(xù),光伏板充電電壓逐漸降低,在試驗(yàn)時(shí)間段內(nèi),充電電壓平均值為11.73 V.試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,充電電壓與輻照強(qiáng)度之間不存在某種關(guān)聯(lián),輻照強(qiáng)度與充電電壓隨時(shí)間變化情況如圖6所示.

圖6 輻照強(qiáng)度與充電電壓隨時(shí)間的變化

光伏充電電壓與蓄電池容量相關(guān)聯(lián),太陽能蓄電池的容量是定值,隨著充電時(shí)間的延續(xù),蓄電池的容量趨向最大,充電電壓逐漸下降,最終與蓄電池電壓相同.充電電壓與充電時(shí)間關(guān)系式如下:

12.12

R2=9.97×10-2

(4)

式中,y3為充電電壓,V;t為充電時(shí)間,min;R2為協(xié)方差.

5.2 輻照強(qiáng)度與充電功率

測試當(dāng)日10:00—14:00,輻照強(qiáng)度和充電功率均處于穩(wěn)定區(qū)間,即隨著太陽輻照強(qiáng)度的穩(wěn)定,太陽能充電功率也趨于穩(wěn)定.當(dāng)輻照強(qiáng)度大幅波動(dòng),即輻照強(qiáng)度上升或下降時(shí),太陽能充電功率也開始躍動(dòng),在測試時(shí)間段內(nèi),充電功率平均值為18.29 W.

通過數(shù)據(jù)分析,在測試時(shí)間段內(nèi),充電功率與輻照強(qiáng)度均出現(xiàn)波動(dòng)區(qū)間和穩(wěn)定區(qū)間,而且二者時(shí)間區(qū)間吻合,充電功率與輻照強(qiáng)度存在聯(lián)系.但由于低輻照強(qiáng)度時(shí),蓄電池充電功率劇烈波動(dòng),很難擬合函數(shù)公式.輻照強(qiáng)度與充電功率隨時(shí)間變化情況如圖7所示.

5.3 輻照強(qiáng)度與充電效率

測試當(dāng)日08:00—10:00,隨輻照強(qiáng)度升高,光伏板充電效率下降.10:00—14:00,當(dāng)輻照強(qiáng)度處于最高區(qū)間時(shí),光伏板充電效率處于最小區(qū)間.14:00—16:00,輻照強(qiáng)度降低,光伏充電效率升高.

表1 單日數(shù)據(jù)擬合多項(xiàng)式系數(shù)及擬合曲線協(xié)方差

圖7 輻照強(qiáng)度與充電功率隨時(shí)間的變化

在測試時(shí)間段內(nèi),充電效率平均值為14.22%.

在測試時(shí)間段內(nèi),充電效率與輻照強(qiáng)度雖然出現(xiàn)波動(dòng)區(qū)間和穩(wěn)定區(qū)間,受太陽能蓄電池容量的限制,二者的區(qū)間恰恰相反.為解決高輻照量、低充電功率的現(xiàn)象,可采用多個(gè)蓄電池并聯(lián)充電,但實(shí)際效果有待試驗(yàn)驗(yàn)證.輻照強(qiáng)度與充電功率隨時(shí)間變化情況如圖8所示.

5.4 輻照強(qiáng)度與光伏溫度

光伏溫度為光伏板背面的試驗(yàn)測量數(shù)據(jù).測試當(dāng)日8:00—12:00,隨輻照強(qiáng)度升高,光伏板溫度逐漸增大.測試當(dāng)日12:00—16:00,當(dāng)輻照強(qiáng)度逐漸降低時(shí),光伏溫度并未迅速下降,而是保持較高溫度.在測試時(shí)間段內(nèi),光伏溫度平均值為39.95 ℃.

圖8 輻照強(qiáng)度與充電效率隨時(shí)間的變化

通過數(shù)據(jù)分析,在10:00—12:00之間,當(dāng)輻照強(qiáng)度穩(wěn)定變化時(shí),可以確定光伏溫度與輻照強(qiáng)度的溫度系數(shù).當(dāng)輻照強(qiáng)度降低時(shí),受環(huán)境溫度、風(fēng)速等散熱因素的影響,無法確定光伏溫度與輻照強(qiáng)度關(guān)聯(lián)式,光伏板平均溫度系數(shù)為0.076 3.輻照強(qiáng)度與光伏溫度隨時(shí)間變化情況如圖9所示.

5.5 氫氣氣泡和氧氣氣泡

由于試驗(yàn)采用水電解槽模擬器,因此試驗(yàn)過程中的電解電壓不大于14 V.在電解水過程中,氫氣氣泡和氧氣氣泡并非同時(shí)產(chǎn)生,氫氣氣泡產(chǎn)生的時(shí)間間隔為8～12 s,氧氣氣泡產(chǎn)生的時(shí)間間隔為15～20 s,氫氣氣泡數(shù)量大于氧氣氣泡數(shù)量.在試驗(yàn)過程中,未同時(shí)發(fā)現(xiàn)氫氣氣泡和氧氣氣泡.氫氣氣泡和氧氣氣泡的產(chǎn)生如圖10所示.

圖9 輻照強(qiáng)度與光伏溫度隨時(shí)間的變化

(a) 氫氣

(b) 氧氣

5.6 蓄電池放電

蓄電池測試時(shí)間為12 min,在測試初期,蓄電池放電電壓和放電電流均有瞬間升高;隨后蓄電池放電電壓趨向平穩(wěn),蓄電池放電電壓沒有大的波動(dòng),但蓄電池放電電流波動(dòng)較大.在整個(gè)測試過程中,蓄電池的平均放電電壓為10.83 V,蓄電池的平均放電電流為0.83 A.

當(dāng)蓄電池開始放電時(shí),在0～2 min內(nèi),電壓和電流均升至最大值,此時(shí)會(huì)對電解水槽造成沖擊,因此在設(shè)計(jì)太陽能光電/PEMFC系統(tǒng)時(shí),電解水槽最大容量需匹配蓄電池最大放電電壓和最大放電電流.蓄電池放電變化趨勢如圖11所示.

圖11 蓄電池放電變化趨勢

5.7 模擬器電流和電壓

試驗(yàn)測試時(shí)間為12 min,在測試開始0～2 min內(nèi),PEMFC電流升至最大值,在隨后4～12 min內(nèi),PEMFC電流數(shù)值穩(wěn)定,平均電流為10.29 mA,電流密度為1.79 mA/cm2.PEMFC電壓在0～6 min內(nèi)逐漸升高至最大值,當(dāng)直流電機(jī)啟動(dòng)后,PEMFC電壓下降,形成穩(wěn)定輸出,平均電壓為0.28 V,電能轉(zhuǎn)化效率為22.06%.

由于受到氫氣供應(yīng)量的影響,在測試過程中,PEMFC電流和電壓并未同時(shí)到達(dá)最大值且存在2～4 min間隔,此時(shí)段恰為PEMFC啟動(dòng)時(shí)間.PEMFC模擬器電壓和電流變化趨勢如圖12所示.

圖12 PEMFC模擬器電流和電壓變化趨勢

6 低溫太陽能集熱器/空氣源熱泵熱水系統(tǒng)

根據(jù)PEMFC余熱回收利用中循環(huán)冷卻水溫度較低的特點(diǎn),搭建低溫太陽能集熱器/空氣源熱泵熱水系統(tǒng),試驗(yàn)研究低溫太陽能集熱器及空氣源熱泵的運(yùn)行參數(shù).

6.1 集熱管溫度

在試驗(yàn)時(shí)間段內(nèi),晴天全玻璃真空集熱管溫度先下降后升高,當(dāng)日10:00—13:00溫度最高,在13:00之后溫度逐漸下降,全天平均溫度為36.00 ℃.在陰天和雪天,集熱管溫度變化一致,當(dāng)日08:00—16:00集熱管溫度逐漸降低,陰天全天的平均溫度為25.65 ℃,雪天全天的平均溫度為17.82 ℃.晴天、陰天和雪天集熱管溫度變化如圖13所示.

圖13 集熱管溫度變化

6.2 集熱器溫度

在晴天08:00—10:00之間,全玻璃真空管集熱器溫度逐漸升高,在晴天10:00—13:00之間,全玻璃真空管集熱器溫度最高,在13:00之后溫度逐漸下降,全天的平均溫度為43.88 ℃.在陰天08:00—12:00之間,全玻璃真空管集熱器溫度逐漸下降,在12:00—16:00之間,集熱器溫度升高并維持恒定溫度,全天的平均溫度為32.88 ℃.在雪天08:00—14:00之間,全玻璃真空管集熱器溫度逐漸下降,并在最低溫度維持4 h,隨后溫度升高,但僅維持1 h,最后溫度降低,全天的平均溫度為29.53 ℃.晴天、陰天和雪天集熱器溫度變化如圖14所示.

圖14 集熱器溫度變化

6.3 儲(chǔ)熱水箱溫度

在試驗(yàn)時(shí)間段內(nèi),水箱溫度雖然有波動(dòng),但水箱內(nèi)部處于恒溫狀態(tài).雪天水箱內(nèi)部溫度最高,平均溫度為46.94 ℃；晴天水箱溫度最低,平均溫度為44.24 ℃；陰天的全天平均溫度為45.47 ℃.晴天、陰天和雪天儲(chǔ)熱水箱溫度變化如圖15所示.

6.4 熱泵出口溫度

空氣源熱泵出口溫度呈階梯狀分布,陰天和雪天最為明顯,陰天熱泵出口平均溫度為43.53 ℃,雪天熱泵出口平均溫度為43.76 ℃.晴天熱泵出口溫度最低,出口最低溫度為41 ℃,空氣源熱泵運(yùn)行時(shí)間最長,晴天熱泵出口平均溫度為43.65 ℃.晴天、陰天和雪天熱泵出口溫度變化如圖16所示.

圖15 儲(chǔ)熱水箱溫度變化

圖16 熱泵出口溫度變化

6.5 管板水箱內(nèi)溫升

換水試驗(yàn)時(shí),排空儲(chǔ)熱水箱、管道、集熱器熱水,在換水當(dāng)日10:00—11:00之間,水箱內(nèi)溫升直線下降.換水過程結(jié)束后,在11:00—18:00之間,儲(chǔ)熱水箱溫升逐漸升高.隨著輻照強(qiáng)度下降為0,熱水循環(huán)介質(zhì)對外放熱,在18:00—24:00之間,儲(chǔ)熱水箱內(nèi)溫升逐漸降低.換水試驗(yàn)的最大溫升為4.33 ℃,平均溫升為1.32 ℃.

悶曬試驗(yàn)時(shí),保持儲(chǔ)熱水箱、管道、集熱器內(nèi)熱水連續(xù)運(yùn)行,在悶曬當(dāng)日00:00—8:00之間,儲(chǔ)熱水箱內(nèi)溫升逐漸下降.隨著輻照強(qiáng)度和環(huán)境溫度升高,在08:00—18:00之間,循環(huán)熱水吸收輻照熱量溫升逐漸升高.隨著輻照強(qiáng)度下降為0 以及環(huán)境溫度的降低,在18:00—24:00之間,儲(chǔ)熱水箱內(nèi)溫升逐漸降低.悶曬試驗(yàn)的最大溫升為3.17 ℃,平均溫升為1.98 ℃.管板水箱內(nèi)溫升變化如圖17所示.

6.6 管板熱效率

如式(2)所示,當(dāng)輻照強(qiáng)度為0時(shí),計(jì)算公式?jīng)]有實(shí)際意義,因此選取當(dāng)日08:00—16:00 為熱效率的分析區(qū)間.在08:00—16:00之間,管板式平板型熱水器熱效率隨輻照強(qiáng)度和環(huán)境溫度的改變而波動(dòng).在08:00—10:00之間,悶曬試驗(yàn)熱效率大于換水試驗(yàn)熱效率.在11:00—16:00之間,換水完畢后,換水試驗(yàn)熱效率高于悶曬試驗(yàn)熱效率.換水試驗(yàn)平均熱效率為37.99%,悶曬試驗(yàn)平均熱效率為32.88%,管板集熱器總平均熱效率為35.43%.管板集熱器熱效率變化如圖18所示.

圖17 管板水箱內(nèi)溫升變化

圖18 管板集熱器熱效率變化

6.7 黑陶瓷水箱內(nèi)溫升

黑陶瓷集熱器與管板集熱器共用同一個(gè)儲(chǔ)熱水箱.換水試驗(yàn)時(shí),儲(chǔ)熱水箱內(nèi)溫升快速降低,隨后溫度升高.在20:00至次日08:00之間,儲(chǔ)熱水箱與外界熱交換,儲(chǔ)熱水箱內(nèi)水溫降低.在悶曬試驗(yàn)過程中,水箱內(nèi)溫升逐漸升高,在16:00之后,儲(chǔ)熱水箱進(jìn)入散熱循環(huán).換水試驗(yàn)的平均溫升為4.79 ℃,悶曬試驗(yàn)的平均溫升為10.91 ℃.

在悶曬試驗(yàn)過程中,黑陶瓷集熱器的溫升大于管板集熱器.當(dāng)輻照強(qiáng)度降為0,流體介質(zhì)與外界進(jìn)行熱交換,黑陶瓷集熱器的溫降小于管板集熱器的溫降.黑陶瓷水箱內(nèi)溫升變化如圖19所示.

6.8 黑陶瓷熱效率

與管板集熱器熱效率分析類似,對08:00—16:00之間的黑陶瓷熱效率變化進(jìn)行分析.換水試驗(yàn)和悶曬試驗(yàn)過程中,雖然悶曬試驗(yàn)期間的輻照強(qiáng)度高于換水試驗(yàn)期間輻照強(qiáng)度,但在08:00—16:00之間,換水試驗(yàn)熱效率高于悶曬試驗(yàn)熱效率.由于黑陶瓷集熱器采用陶瓷涂層技術(shù),因此吸收率增加，從而使集熱器熱效率升高.換水試驗(yàn)平均熱效率為50.11%,悶曬試驗(yàn)平均熱效率為30.29%,黑陶瓷集熱器總平均熱效率為40.21%.黑陶瓷集熱器熱效率變化如圖20所示.

圖19 黑陶瓷水箱內(nèi)溫升變化

圖20 黑陶瓷集熱器熱效率變化

7 結(jié)語

本文通過太陽能光電/光熱試驗(yàn)研究,驗(yàn)證太陽能耦合燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)的可行性.試驗(yàn)研究結(jié)果表明,太陽能氣象觀測站可為太陽能耦合燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的效益分析數(shù)據(jù).100 W太陽能光伏板電解水產(chǎn)生的氫氣可為PEMFC模擬器提供充足的燃料,并產(chǎn)生穩(wěn)定的直流電壓和電流.40～45 ℃的低溫太陽能集熱器/空氣源熱泵熱水系統(tǒng),可連續(xù)不斷地吸收PEMFC循環(huán)冷卻水熱量,確保熱電聯(lián)供系統(tǒng)正常運(yùn)行.