太陽能-汽車一體化太陽能熱水系統(tǒng)的研究

太陽能-汽車一體化太陽能熱水系統(tǒng)的研究

0光伏熱風一體化pv/t系統(tǒng)根據(jù)理論研究，單晶硅太陽電池在0c下的最大理論轉換效率僅為30%。在光強一定的條件下,當硅電池自身溫度升高時其輸出功率將下降,其它因素如光強的大小等對硅電池的能量轉換效率也有所影響。在實際應用中,標準條件下硅電池轉換效率約為12～17%?？梢钥闯稣丈涞诫姵乇砻嫔系奶柲艿?3%以上未能轉換為有用能量,相當一部分能量轉化成為熱能,并使電池溫度升高,導致電池效率下降。為盡可能使電池效率保持在較高水平,可以在電池背面敷設流體通道帶走熱量以降低電池溫度。如果用水做流體,用這些熱量可以制備熱水。由此很多研究者嘗試構造這樣一個太陽能發(fā)電同時制備熱水的一體化系統(tǒng)。(Bergene&Bjerke,1993;Fujisawa&Tani,1997;B.J.Huang等人,1999)這種光伏光熱一體化(PV/T)系統(tǒng)可以產(chǎn)生熱水和電力兩種有用收益,由于水流吸收了使硅電池轉換效率下降的余熱,成為可以利用的熱水,系統(tǒng)的整體有用收益效率將比單一的光伏或熱水系統(tǒng)高。Bergene在理論上指出PV/T系統(tǒng)的效率可達到60%～80%。Tani和臺灣大學的B.J.Huang分別做實驗研究了低進口水溫的強迫對流式PV/T系統(tǒng)的性能。B.J.Huang的實驗結果表明,相比較而言,無透明蓋板、較大Vt/Ac(水箱容積和集熱面積比)及較大肋片效率的PV/T系統(tǒng)具有更大的整體效率。但是從文獻也可以看出,這種系統(tǒng)沒有透明蓋板,且采用強迫對流模式,為了降低肋片溫度以提高系統(tǒng)效率,使該系統(tǒng)所得到的熱水溫度較低;其次,這種強迫對流式系統(tǒng)所必需的泵需要消耗電能,從而減少了系統(tǒng)的電力產(chǎn)量,降低了系統(tǒng)的有用收益。為此我們設計制作了一臺建立在家用扁盒式鋁合金平板型太陽熱水器基礎之上的自然循環(huán)式PV/T實驗系統(tǒng),希望該系統(tǒng)在具有較高的整體效率的同時還可以得到溫度較高的熱水。1太陽電池的結構設計在太陽電池背面敷設流體通道是這種PV/T系統(tǒng)的核心。為使實驗系統(tǒng)具有家庭應用性,實驗選用已商品化的太陽電池與家用平板型太陽熱水器組成一套完整的光伏光熱一體化系統(tǒng)。系統(tǒng)中電池為多晶硅太陽電池,太陽輻照度1000W/m2、溫度25℃的標準狀況下這種硅電池的轉換效率約為14.0%;熱水器的集熱板為一種目前市場上較為少見的新型扁盒式鋁合金集熱板,該集熱板是用多條厚1cm、有效寬度8.5cm、材質厚度1mm的扁盒式鋁合金型條并列拼裝而成,上下聯(lián)管材質相同。集熱板結構可見圖1。相比于管板式集熱板,扁盒式集熱板肋片效率可認為等于1,傳熱效果良好。相同的進水溫度,扁盒式集熱板上下溫差比管板式集熱板小,有利于提高光電池的效率和降低熱損,從而提高了系統(tǒng)的綜合效率。本實驗中,把太陽電池用導熱性能良好的膠分別貼附在各扁盒式鋁合金型條上半部表面上,其間用不透明PPT絕緣,表面覆蓋以透明的乙烯醋酸乙烯脂(EVA)材料,將各層連同鋁合金型條用真空層壓機(laminator)抽真空緊密壓制,以保證密封良好,各層接觸緊密。太陽電池貼附完成后將各型條并列榫接,拼裝成一塊完整的復合集電熱板。結構示意見圖2。層壓成形后扁盒式鋁合金集熱板表面以上的太陽電池組件(包括膠及不透明PPT)厚度2mm～3mm,整個集電熱板表面平整。集電熱板上蓋4mm厚低鐵玻璃蓋板,空氣夾層厚度約2cm。背面以聚氨酯發(fā)泡絕熱,最后玻璃蓋板、集電熱板和絕熱背板一起用鋁合金邊框密封。光伏系統(tǒng)中,硅電池標況下的能量轉換效率14.0%,電池陣列面積0.7875m2,陣列的轉換效率約11.6%。其余部分包括蓄電池和逆變控制器等,可將隨太陽輻射不斷變化的直流電貯存起來或轉變?yōu)?20V標準交流電供家用電器直接使用。復合熱水器為自然循環(huán)式,集熱鋁板面積為1.64m2,正南向放置,傾角38°,水箱橫置,水箱容積與集熱面積比Vt/Ac為61L/m2。整個光伏熱水一體化系統(tǒng)結構及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖3所示。2光伏電池效率按照家用太陽熱水器性能測試國家標準的要求,筆者在合肥地區(qū)進行了8h的全天室外實驗。測量參數(shù)包括:太陽輻照量R、水箱溫度Tw、環(huán)境溫度Ts、工作電壓Uw、工作電流Iw。數(shù)據(jù)采集儀每5min采集一次數(shù)據(jù),處理后結果見表1。許多研究者用熱效率ηth和電效率ηe之和η0來評價PV/T系統(tǒng)整體性能。為準確評價PV/T系統(tǒng)的能量利用特性,比較PV/T系統(tǒng)與傳統(tǒng)熱水器以及光伏系統(tǒng)性能的高低,本文采用文獻3所定義的系統(tǒng)光熱、光電綜合性能效率Ef=ηth+ηe/ηpowerEf=ηth+ηe/ηpower作為系統(tǒng)的性能評價指標。ηpower為常規(guī)電廠的發(fā)電效率,和文獻一樣,這里取ηpower=0.38。由表1可見,系統(tǒng)的綜合性能效率Ef在60%左右,比普通平板型熱水器熱效率有顯著提高,更高于單一光伏系統(tǒng)的效率。同時,經(jīng)1d日照后熱水終溫多在50℃以上,天氣晴朗或多云時可達60℃,可以較好地滿足洗浴需要。由表1可以看出,系統(tǒng)電效率ηe在9.03%～9.88%之間波動。ηe低于標況下的電池陣列效率11.6%,4個原因導致上述結果:玻璃蓋板遮蓋、電池組件溫度較高、最佳工作點偏離以及太陽輻照度低于1000W/m2。玻璃蓋板的透過率為0.85～0.90,透過玻璃直接照射到電池表面的太陽能減少,導致功率損失10%～15%;在晴天或多云的天氣里電池組件大部分時間內(nèi)的工作溫度高于50℃,由于電池溫度每升高1kWh輸出功率約減少0.3%,因此與標況25℃相比,輸出功率將減少8%以上;原陣列效率11.6%為最佳工作點值,實驗未進行最佳工作點跟蹤,實際工作點必定與最佳工作點有所偏移;光伏電池的轉換效率隨太陽輻照度的減少而略微降低。綜上,光伏電池效率將如實驗結果所示在9.5%波動。計算可知,當電池組件溫度較高時此溫度對電池效率的影響比其他可變因素(玻璃蓋板帶來的影響可視為不變,所以不考慮)更為顯著。因此在表1中,電效率ηe在熱水終溫較高(此時電池組件平均溫度較高)時較小;而在日平均太陽輻射度較小,熱水終溫較低時各因素作用效果相當,因此系統(tǒng)電效率并不完全按照熱水終溫的高低順序升降。但是總體來看,電效率仍近似隨終溫的升高而降低。表1顯示,系統(tǒng)熱效率ηth多在30%～50%之間。實驗系統(tǒng)所用原熱水器單一系統(tǒng)的效率約為45%～47%,實驗系統(tǒng)多數(shù)天數(shù)里的熱效率低于此值。這是因為,集熱板表面有約一半的面積層壓有光伏電池,到達光伏電池表面的太陽能有約10%轉化成了電能,從而穿過光伏電池到達吸熱鋁板的能量減少了約10%,這是導致效率降低的主要原因。另外在電池與集熱鋁板之間用以粘固的硅膠和用以絕緣的白色不透明PPT具有一定熱阻,導致到達電池組件表面的太陽能所轉化成的熱能無法快速被集熱板管道里的流體帶走,從而進一步降低了系統(tǒng)熱效率。從表1中還可以看出8月26日的熱效率只有21.3%,尤其低。這是因為初始水溫即達56.2℃,遠高于其余天數(shù),熱損較大,從而導致效率大幅度降低。影響熱水系統(tǒng)效率的因素很多,如進水初始溫度,環(huán)境溫度,太陽輻射強度,吸熱板特性,空氣夾層厚度等對其都有較大影響。由本實驗機的集熱鋁板結構,肋片效率可視為1,較低,從而利于提高效率。由表1可以看出,日均熱效率ηth顯著地隨環(huán)境溫度的升高和進水初始溫度的降低而升高。如在圖4中,8月9日13∶53之后太陽輻照度維持在一個相對較高的水平時環(huán)境溫度升高,與該時刻之前相比水溫也相應升高得更快,熱效率相應提高。對整個PV/T系統(tǒng)而言,在技術上低進口水溫有利于提高電效率和熱效率。如果對于實際應用而言,則用戶無法自行調(diào)節(jié)進口水溫,因此在應用上關于進口水溫的討論沒有意義。另外,由于熱效率、電效率和高的熱水終溫之間均有矛盾,無法兼顧,選擇合適的Vt/Ac值對于在效率和熱水終溫之間取得平衡具有重要意義。3太陽能和光伏系統(tǒng)的成本及差異綜合以上分析可以看出,該PV/T系統(tǒng)實驗機具有較高的熱效率和電效率,系統(tǒng)綜合性能效率多大于60%,比單一熱水系統(tǒng)或光伏系統(tǒng)效率有顯著提高,同時30℃左右的進水經(jīng)1d日照后溫度可達60℃以上,連續(xù)2d日照則可達到70℃,可以滿足家庭洗浴需要。計算可知,在普通晴或多云的天氣里日總輻射量約為16MJ/m2的情況下系統(tǒng)日發(fā)電量約0.33kWh。該實驗系統(tǒng)的電池面積0.7875m2,略小于集熱鋁板面積的一半,若將電池布滿整個鋁板表面,則系統(tǒng)日發(fā)電量可達0.66kWh。貯能式光伏系統(tǒng)中蓄電池充電和放電都有損失,長期運行時蓄電池的總效率因蓄電池的種類及使用方式而異,一般為70%～80%。扣除這一損失,則長期運行時系統(tǒng)日均發(fā)電量0.46～0.53kWh,可供一盞功率40W的電燈連續(xù)照明11h以上。在太陽能豐富的地區(qū)如西藏等地日總輻照量較大,系統(tǒng)日發(fā)電量也將增多,可滿足這些地區(qū)家庭的照明需要。實驗系統(tǒng)所用扁盒式鋁合金式集熱板特點鮮明,如集熱面積可通過改變拼裝的扁盒式鋁合金型條的數(shù)目而隨意改變;表面平整,易于將光伏電池真空層壓在表面上;尤其重要的是型條之間榫接良好,集熱板外表平整美觀,便于與建筑結合。應用在極具前途的光伏光熱建筑一體化系統(tǒng)中,作為外墻圍護結構或鋪設在屋頂,在得到熱水和電力之外更可以降低建筑熱負荷,是一個有著更為廣闊前景的方向。另一方面,與光伏系統(tǒng)和集熱系統(tǒng)相互分離相比,PV/T一體化系統(tǒng)在將光伏電池與鋁合金型條層壓成形的制作工藝上略為復雜,勞動成本略高,但卻節(jié)省了獨立光伏系統(tǒng)中太陽電池板所必需的玻璃板、金屬邊框和背板材料,同時節(jié)省了太陽電池板封裝的勞動成本。因此總體而言,一