太陽能電池光伏光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究

一體化屋頂建筑（bipv）是應(yīng)用太陽能發(fā)電的新概念，它將太陽能發(fā)電產(chǎn)品集成到建筑中。隨著可再生能源在建筑中的應(yīng)用規(guī)模不斷擴大,光伏建筑一體化得到了迅速發(fā)展。在實際工作情況下的太陽能電池組件的效率將比組件標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的效率低。組件的標(biāo)準(zhǔn)測試條件下效率是在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下給出的,即:電池溫度為(25±2)℃,光源輻照度為1000W/m2,并具有AM1.5太陽能光譜輻照度分布條件,這是晴朗冬季的太陽能電池工作溫度。而夏季的太陽輻照度,春季的太陽光譜分布都與冬季有所不同,因此太陽能電池組件戶外的實際工作條件與標(biāo)準(zhǔn)測試條件存在很大差別。通常,太陽能電池組件的實際工作效率和組件現(xiàn)場工作功率可能比標(biāo)準(zhǔn)測試條件下低20%,甚至更多。在影響電池組件實際工作性能的4個主要影響因素(電池組件工作溫度、太陽低輻照量、組件光學(xué)損失、太陽光譜變化)中,溫度的影響在大多情況下是最關(guān)鍵的。在實際應(yīng)用中,太陽能電池接收的太陽輻射中有80%以上的能量并未轉(zhuǎn)化為電能,而是轉(zhuǎn)化為熱,其中一部分熱量使得電池溫度升高,降低其發(fā)電效率。如果在電池背面設(shè)置降溫通道,通過吸熱介質(zhì)將熱量帶走,可以提高發(fā)電效率。如果將吸收的熱量進行存儲并利用,則這種系統(tǒng)在進行光電發(fā)電的同時還可以提供熱能,可稱之為光伏/熱(PV/T)系統(tǒng)。自1978年Kern和Russell首次提出使用水或空氣作為載熱介質(zhì)的PV/T系統(tǒng)的主要概念后。世界上已有許多研究者對PV/T系統(tǒng)進行了研究。其中,Huang等在2001年提出采用光電光熱綜合性能效率作為PV/T系統(tǒng)的性能評價指標(biāo)。由于光伏建筑一體化(BIPV)是一個比較新的概念,將PV/T系統(tǒng)與建筑結(jié)合的研究較少。如何設(shè)計一種與建筑結(jié)合較好,既可以產(chǎn)生電能和熱能又可以代替部分建筑材料的PV/T系統(tǒng)是十分必要的。為此,提出了一種新PV/T系統(tǒng)。此系統(tǒng)由太陽能電池板、集熱器和熱水箱組成(如圖1所示)。集熱器由集熱管和儲水器組成。在此系統(tǒng)中,導(dǎo)熱膠將太陽能電池板上的熱量傳遞到集熱管上,根據(jù)熱水上升冷水下降的原理,熱水會存儲在儲水器中。當(dāng)儲水器的水溫達到一定溫度時,熱水會流入到熱水器中存儲并利用,熱水器中有輔助加熱設(shè)備,以備達到合適的使用溫度。新的冷水自動進入到集熱器中,進行下一循環(huán)的加熱。圖2為系統(tǒng)安裝在平房屋頂?shù)氖疽鈭D,也可以將裝置豎直安裝在側(cè)壁上。1儲水器和儲水器系統(tǒng)采用U形銅管作為集熱管,將其與儲水器連接,集熱管的底部與儲水器的四周用保溫材料包裹(如圖3所示)。太陽能電池在集熱管的上面,其間為導(dǎo)熱膠。1.1系統(tǒng)的能量平衡方程圖1為PV/T系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型。當(dāng)太陽光照在太陽能電池板上時,一部分太陽輻射能經(jīng)太陽能電池轉(zhuǎn)變成電能輸出,還有一部分透過玻璃繼續(xù)向下傳播,剩余的有很大一部分以熱能的形式通過連接電池陣列背面和集熱管之間的導(dǎo)熱膠傳遞給集熱管。集熱管自身吸收的太陽輻射能和電池陣列傳來的熱能最后被自然循環(huán)的流體(水)帶走并加以儲存利用,既降低了電池陣列溫度,又得到了可用的熱能,使整個光電/熱電系統(tǒng)獲得了較好的能量收益。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),建立了PV/T系統(tǒng)的一維傳熱模型。為了簡化計算,假設(shè):1)傳熱模型為穩(wěn)態(tài)模型;2)材料的熱物性和光學(xué)參數(shù)均為常數(shù);3)忽略各部件沿流動方向之間的導(dǎo)熱。對各個部件建立能量平衡方程如下:a)太陽能電池陣列吸收太陽輻射能,對環(huán)境散熱,對導(dǎo)熱膠導(dǎo)熱,并輸出電能式中:TP和TB分別為太陽電池陣列和導(dǎo)熱膠的平均溫度;Ta為環(huán)境溫度;Rcpa和Rrpa分別為電池陣列對環(huán)境的對流換熱熱阻和輻射換熱熱阻;RkpB為電池陣列對導(dǎo)熱膠的導(dǎo)熱熱阻;Qp為電池陣列吸收的太陽輻射能;Pmax為電池陣列峰值輸出功率;t為單位時間。b)導(dǎo)熱膠吸收太陽電池陣列的熱能,對側(cè)面和底面散熱,對集熱管導(dǎo)熱式中:Tpipes為集熱管的平均溫度;RkBpi為導(dǎo)熱膠對集熱管的導(dǎo)熱熱阻;TS為側(cè)面溫度;RkBS為導(dǎo)熱膠對側(cè)面的導(dǎo)熱熱阻;TU為底面溫度;RkBU為導(dǎo)熱膠對底面的導(dǎo)熱熱阻。集熱管對其內(nèi)水導(dǎo)熱,公式為式中:Twater為集熱管中水的溫度,℃;Rkpw為集熱管對集熱管中水的導(dǎo)熱熱阻,℃/W。1.2日平均發(fā)電效率PV/T系統(tǒng)的工作效率包括兩部分:一部分是太陽能電池板的光電轉(zhuǎn)換效率,另一部分是熱電轉(zhuǎn)化器的熱電發(fā)電效率η。式中:ηt為PV/T系統(tǒng)的熱效率,ηe為PV/T系統(tǒng)的光電發(fā)電效率。太陽能熱電發(fā)電系統(tǒng)的日平均發(fā)電效率ηe主要由測試時間內(nèi)集熱器表面所接受到的太陽能輻照量Ht(MJ/m2)、系統(tǒng)的初始水溫θi(℃)和環(huán)境溫度θa(℃)決定,受系統(tǒng)水量m(kg)和集熱器傾角等的影響。Huang等提出了自然循環(huán)式太陽能熱水系統(tǒng)性能評價方法,其中:ηt為集熱器的集熱效率;qnet為導(dǎo)流收集熱量;ao為系統(tǒng)初始水溫與日平均環(huán)境溫度相等時的日平均熱效率;Us為系統(tǒng)在能量收集狀態(tài)時的熱損系數(shù)。1.3導(dǎo)熱膠墊的制備采用直徑為20mm、長度為450mm的U形銅管作為集熱管,將其與40mm×40mm×300mm的不銹鋼儲水箱連接,集熱管的底部與儲水箱的四周用50mm厚的聚氨酯泡沫包裹。光伏中空玻璃尺寸為510mm×360mm×35mm,太陽能電池板與集熱器之間通過導(dǎo)熱系數(shù)為1.5的導(dǎo)熱膠墊傳熱。將裝置放置在正南位置,與地面夾角為35°,并保持在測試時間不被其他物體的陰影遮擋,測試時間為每天9時至17時。2熱風(fēng)對太陽能電池發(fā)電效率的影響選取4月份至10月份中5d的實驗情況作出對比,所選取的當(dāng)天天氣情況為晴天且風(fēng)速小于3級。分別對比太陽能電池工作溫度(見圖4)、正南方向太陽能總輻射強度(見圖5)、環(huán)境溫度(見圖6)和儲水器水溫(見圖7)作出對比。從圖4~圖6可以看出,太陽能電池的工作溫度是太陽輻照度和環(huán)境溫度共同作用的結(jié)果,而4至10月份的單位時間太陽輻照度的差別不是很大,因此影響這段時間太陽能電池發(fā)電效率的決定性因素是環(huán)境溫度。6、7和8月份的電池工作溫度會達到70℃以上,根據(jù)電池發(fā)電效率每升高1℃降低0.5%,最高會有約17%的發(fā)電效率降低。圖7為儲水箱水溫隨時間變化的曲線。從圖7可以看出,11時水溫達到35℃以上,此時可以將熱好的水存儲在熱水箱中并將冷水注入到集熱器中。10時至15時是熱水加溫的最佳時段。同時還可以發(fā)現(xiàn),環(huán)境溫度越高,系統(tǒng)的有效加熱時間就越長。圖8為太陽能電池板的發(fā)電效率和PV/T系統(tǒng)的綜合效率的對比,可以看出,相對與單純的太陽能電池發(fā)電,PV/T系統(tǒng)太陽能的利用率具有較大幅度的提升。3太陽能電池板綜上所述,通過對PV/T系統(tǒng)的實驗測試,可以得到如下結(jié)論:1)相對于單純的太陽能電池板,PV/T系統(tǒng)不僅可以吸收太陽能電池板上的熱量,降低其工