贾 虎， 张 丁， 王琛全， 唐军炯

(安徽工业大学 数理学院， 安徽 马鞍山 243002)



一种水流质型光伏光热综合利用系统的设计

贾 虎， 张 丁， 王琛全， 唐军炯

(安徽工业大学 数理学院， 安徽 马鞍山 243002)

为进一步提高光伏组件与水的换热效率，设计了一套扁集热管结构的水流质型光伏光热(PVT)综合利用系统，并分别在3种工况下进行了连续8 h的温度与效率的跟踪测试，得出组件的温度特性与功率特性的变化情况、毛的光热转换效率、水泵产生的附加热效应。在排除水泵工作产生的附加热效应后，得到该系统的净光热转换效率与净总效率随保温桶水温的变化曲线。净光热转换效率与净总效率都随着保温桶水温的变化(或工作时间的延长)先升后降，存在一个极大值点，分别为70.31%与73.23%。8 h总的净光热转换效率为55.9%，总光电转换效率为2.74%，总能量利用率为58.64%。与相关文献比较，光热转换效率很高，光电转换效率很低,对此现象进行了分析，并对应用市场进行评价。

光伏光热； 综合利用系统； 水流质型； 效率

0 引 言

关于光伏光热综合利用(PVT)技术的研究，在20世纪70年代就开始[1-2]。通过PVT技术可利用太阳能发电的同时进行废热利用，降低电池组件的温度，提高组件的效率与寿命。此类装置按换热流质分为水流质型与空气流质型。对于空气流质型，可制造热空气，并对水预热，成本较低，但光热转换效率也较低[3];水流质型，可以直接产生出温度较高的生活用热水，多采用圆形集热管，换光热转换效率一般在40%～60%[4～6]。本文设计的水流质型PVT实验系统，采用扁型集热管，在普通太阳能电池组件基础上改装而成，实现了高的光热转换效率的运行。

1 实验系统

实验系统组成如图1所示(此工作系统与组件已获得专利授权[7-9])，其中水位传感器兼温度传感器安装在一级保温桶内部，用于检测水位与温度；电磁阀与温控装置安装在一级保温桶的外部。辅助加热装置安装在二级保温桶的内部。光伏集热器组件为在普通光伏组件内部铺设扁形走水集热管，并在管道外部空间填充绝热材料改装而成。PVT集热器组件的横截面结构如图2所示，其中铝框、玻璃盖板、填充EVA、电池片、背板为原电池组件组成部分；传热板、集热管、绝热材料、背封板为改装部分。集热管的整体结构如图3所示，加工成回形管型，在回形拐弯部分焊接有固紧杆，防止受热变形。

2 实验原理

PVT集热器组件吸收光能量，其中小部分转换成电能，通过控制器对铅酸蓄电池供电，铅酸蓄电池通过控制器对逆变器放电，逆变器对负载供出交流电。组件吸收光能量的大部分转换为热量，热量的一部分散失在空气中;另一部分被组建内部的集热管中的水所吸收，水由可调速的循环水泵作为动力(此为强制循环，如果采用热虹吸原理可以自然循环，不需水泵)，与第一级保温水箱里的水进行循环，在不断的循环与换热过程中水温得到升高并保温。第一级保温桶内部装有上下两个水位传感器，下水位传感器也具有温度传感器功能，一方面监测水位高度，另一方面监测水温。第一级保温桶外部配备温控装置与电磁阀，当温度达到一定值，由温控装置启动第二级水泵，把热水排向第二级保温桶；当水位下降到下水位传感器时，停止排水，由电磁阀启动对第一级保温桶进水，当水位上升到上水位传感器时，电磁阀关闭，停止进水，开始下一轮的循环加热。第二级保温桶配备辅助加热装置，在阴雨天或冬天等集热器不满足集热条件时，由辅助加热装置进行加热。

3 实 验

3.1 实验条件

为了比较对普通太阳能组件改装成水流质型PVT组件所带来特性的变化，先对一块与改装组件原参数相同的普通太阳能电池组件进行测量。为方便测量，在实验中卸下控制器、逆变器、蓄电池，直接电阻箱。经过实验测量，普通组件最佳功率时的负载为46 Ω，为比较测量结果，PVT组件的三次测量负载都设为46 Ω。为了获得稳定光源，并减少外界环境参数的变动带来的干扰，实验在室内的大木箱内进行。该实验所用的光源为4盏250 W的卤素灯，在电池组件表面产生的平均辐照功率实测为300 W/m2。为了减少水泵自身生热的影响，水泵的档位始终定在最低档位一档(扬程为8 m)；实验中保温桶与集热管内的水质量之和为38.28 kg，组件面积为0.619 5 m2。

3.2 普通组件的实验结果

如图4所示，对于普通组件，其表面平均温度初始为25.0℃，在前40 min内为突升阶段，其后温度平缓上升，2 h后基本稳定，最高温度达84.0℃，平均上升29.5℃/h。普通组件的极限功率(开路电压与短路电流乘积)与负载(46 Ω)功率的见图5，初始值分别为8.08 W与4.46 W，在前40 min均为下降阶段，之后趋于稳定，240 min的功率值分别为6.80 W与4.05 W，分别下降15.84%与9.19%。

图5 普通组件的功率

3.3 PVT组件的实验结果

对于PVT组件，实验分3种工况进行：工况一，初始有光照，但水泵不工作，待组件温度上升稳定后再启动水泵；测试改装后集热器组件的温度特性与效率特性的变化，以及组件达到最高温度后通过走水带来的温降效果；工况二，初始就开始光照并走水直到实验结束，测试此种工况下系统的相关温度与效率特性的变化；工况三，初始无光照，但水泵仍工作，测试水泵工作带来的附加热效应。

3.3.1 工况一

(1) 集热器组件的温度变化。如图6所示，组件初始温度为26.0℃，在工作的前20 min内上升很快，达到100 min后基本稳定，最高温度达到99.0℃，温升73.0℃，比未改装的普通组件高15.0℃，平均上升36.5℃/h。改装后组件背部填充了绝热材料，致使温度特性改变。在组件工作120 min后开启水泵，组件温度骤降，在140 min降到84.0℃，20 min内下降了15.0℃，平均下降45.0℃/h。之后平缓上升，在水循环360 min(即组建工作480 min)的温度为90.3℃；仍然比最高温度99.0℃低8.7℃；相对于走水后的最低温度84.0℃上升6.3℃，平均上升1.05℃/h，此温升速度虽然比较慢，但由于未达到稳定状态，按照变化趋势分析，温度还会缓慢上升。对于水循环之前的改装组件与普通组件，虽然温升速度很快，但温度很快达到最高值后即稳定下来。可见水循环带来了改装组件温度特性很大的变化。

(2) 保温桶水温的变化与热利用率。保温桶水温的变化如图6所示，在不走水情况下，换热器不存在热交换，前120 min保温桶水温不变，为25.0℃。之后水泵工作，保温桶水温开始上升，且上升比较平稳。随着保温桶水温的变化，光热转换效率也发生变化。光热转换效率分为毛光热转换效率、净光热转换效率与水泵生热率。毛光热转换效率为保温桶水温上升所吸收的热量与光辐射量的比值，为净光热转换效率与水泵生热率之和。水泵生热率为在无光照情况下水泵工作一段时间导致保温桶水温上升所吸收的热量与相同时间光辐射量的比值，此部分热量完全由于水泵工作所产生的附加热效应。净光热转换效率为毛光热转换效率与水泵生热率的差值，此部分为完全由于光辐射导致保温桶水温上升所吸收的热量与光辐射量的比值。工况一的毛光热转换效率与净光热转换效率随着工作时长的变化如图8所示，图中每个工作时长点的各种效率是对应系统工作对应的时长所产生的总效率，不是瞬时效率(以下相同)。

图6 工况一时,表面温度及保温桶水温

图7 工况一时的输出功率

图8 工况一时，毛光热转换效率、净光热转换效率与

前120 min组件内部未走水，保温桶水温不变，毛光热转换效率与净光热转换效率均为零。之后组件内部走水，保温桶水温升高，两者均上升，在组件工作360 min(组件内部走水240 min)毛光热转换效率与净光热转换效率均达到极大值，分别为91.78%与77.3%。此时组件温度为88.2℃，保温桶水温为47.0℃，温升22.0℃。之后随着工作时间的延长与保温桶水温的上升，光热转换效率缓慢下降。在组件工作480 min的毛光热转换效率为87.61%，净光热转换效率为71.89%，组件温度为90.3℃，保温桶水温为53.0℃，温升28.0℃。虽初始没走水，但绝热材料在前120 min储存了大量热量，致使组件温升很快，在走水以后绝热材料储存的热量平稳地传给了水，水温平稳升高，组件工作480 min净光热转换效率达到71.89%，总体光热转换效率很高。虽然前面120 min组件内未走水，但绝热材料储热效果很好，热损失不大。

(3) 集热器组件的输出功率与光电转换效率变化。如图7所示，极限功率与负载功率(瞬时值)初始值分别为21.20 W与7.614 W，两者都随着温度的上升而下降，在前60 min变化较快，之后变化缓慢，在120 min分别为16.232 W与4.113 W，分别下降23.07%与45.98%，功率的降幅比未改装的普通组件要大。之后水泵工作，组件内部走水，极限功率与负载功率都有所回升，在160 min时都达到极大值点，分别为18.337 W与5.219 W，之后又平缓下降，在480 min时的功率值分别为17.215 W与4.887 W，相对于最低点分别提高6.06%与18.82%；相对于初始值分别下降18.80%与35.82%，比未改装的普通组件的降幅(15.84%与9.19%)大；480 min的平均功率分别为17.594 W与5.055 W。改装组件的光电转换效率(对应工作时长的总效率)变化情况在图8中也有所示，相对于光热转换效率太低，近似于水平线。其初始有所降低，后期虽然基本平稳，但随着保温桶水温的上升，还是略微有所下降，最高点在初始的3.45%，最低点在工作120 min的2.56%，8 h总的光电转换效率为2.57%。改装后组件的功率特性也发生了变化。对应480 min内的能量转换总效率为74.46%。

3.3.2 工况二

(1) 组件温度的变化。如图9所示，组件初始温度为22.3℃，前40 min迅速上升，之后平缓上升，在480 min的温度为68.5℃，比工况一低15.5℃。尽管这两种工况下的组件初温只相差3.7℃，但工况不同，温度变化不同，温降效果也截然不同，改装组件工作在工况二的温降效果更好。

图9 工况二、三时的组件表面温度及保温桶水温

(2) 保温桶水温的变化。如图9所示，改装组件在工况二的保温桶水温上升较为平稳。初始水温为20.3℃，在组件工作的前240 min，温升与时间基本成正比关系，在240 min时刻的水温为35.5℃，之后温升速度稍微放慢，到第480 min虽还略有上升，此时水温为45.8℃，温升25.5℃，比工况一低2.5℃。由于组件温度在中后期上升较慢，且达到最大值后不会再上升，水与组件的换热随着水温的上升会逐步降低。水泵的功率不变，水泵产热率也不变，但随着水温的上升，水与水泵的换热会逐步降低；保温桶与外界的换热并不是绝对为零，随着保温桶水温的上升，保温桶与外界的换热会逐步加大，所以随着保温桶水温的上升，热损失加大，水温上升逐步放慢。

(3) 光热转换效率的变化。工况二的毛光热转换效率、净光热转换效率与水泵生热率随工作时长的变化关系如图10所示。从图中看出，毛光热转换效率在该系统工作的前期上升，中期与后期下降。而水泵生热率基本不变，所以净光热转换效率也是前期上升，中期与后期下降。毛光热转换效率与净光热转换效率主要决定于保温桶(或集热管)水温的变化。当保温桶水温较低时，保温桶与外界换热率较低，水与组件换热率也较高，光辐射生热主要转化为水温的升高，毛光热转换效率与净光热转换效率都处于上升阶段。随着保温桶水温的上升，保温桶与外界换热率升高，水与组件的换热率也降低，毛光热转换效率与净光热转换效率有所下降。毛光热转换效率与净光热转换效率先升后降，各存在一个极大值点，分别为91.84%与70.31%，毛光热转换效率比工况一高0.06%，净光热转换效率比工况一低6.99%，此时系统工作200 min。对应净光热转换效率的极大值点，保温桶水温存在最佳温度点为33.1℃。组件工作480 min的净光热转换效率为55.90%，比工况一低15.99%。由于在工况一中，绝热材料前期吸收的热量在中后期才传递给水，与之相比工况二的极大值点比工况一低。

图10 工况二时的毛光热转换效率、净光热转换效率、

(4) 集热器组件输出功率与光电转换效率。如图11所示，集热器组件的极限功率与负载功率在初期都明显下降，初始极限功率与负载功率分别为19.382 W与6.877 W，工作60 min的功率值分别为18.597 W与5.621 W，后期虽还略有下降，但变化很小，已基本稳定。工作240 min的功率值分别为17.794 W与5.195 W；工作480 min时刻的功率值分别为17.334 W与4.967 W，480 min内的平均值分别为17.996 W与5.344 W。该系统的光电转换效率的变化与光热转换效率相比很小，在图10中看去像一条直线，其初始为3.58%，随着时间的增长，组件温度在平稳上升，组件的光电转换效率也随着平稳下降，系统工作480 min时光电转换效率为2.74%，比工况一高0.17%。

图11 工况二时的输出功率

3.3.3 工况三

在无光照情况下，水泵保持一档持续工作480 min，保温桶水温的变化如图9所示。初始水温为20.3℃，工作480时刻的水温为27.1℃，温升6.8℃，温升速度平缓。水泵工作带来的附加热效应(即水泵生热率)变化见图10，初始为21.52%，240 min的值为22.72%，虽然达到最高，也只是略有升高；之后平缓下降，480 min的值为20.33%，略有降低；总体变化很平缓。其变化不像毛、净光热转换效率那样明显。究其原因在于此种情况的保温桶水温始终较低，保温桶与外界的热交换还未显露出来，水泵与水之间的热交换也未明显的降低。从工况二的水温变化曲线看出，在工作240 min，水温达到35.5℃之后温升速度才有所减缓，而工况三在工作480 min的最高水温才27.1℃，水温变化速度自然不明显。

4 实验分析

4.1 光热转换效率与排水温度点的设定

由于光伏组件的温度在中后期基本稳定，且保温桶的保温性能也稳定，所以光伏组件与水之间的热交换效率以及保温桶与外界的热交换效率主要决定于保温桶的水温。光热转换效率的变化不仅体现在热交换时间的长短上，更主要体现在保温桶水温的变化上。从图9中看出，无论是有光照还是无光照，保温桶的水温都是在初期上升较快，后期上升缓慢，对应各种光热转换效率也是初期较高，后期较低。各种效率与保温桶水温的变化关系如图12所示。实验中每隔20 min测量一次，由于前期水温低，热损失小，净、毛光热转换效率均上升较快，温度变化快，升幅较大，测量点较为稀疏；后期水温高，热损失增大，净、毛光热转换效率均下降，温度上升慢，升幅小，测量点较为稠密。系统工作480 min的总净光热转换效率为55.9%，极大值点为33.1℃的70.31%。但此时水温不一定能满足使用要求。为了得到更高的水温，可以把第一级保温桶的自动排水点的水温设置大于40℃，但也不可过大。比如在系统工作5:40，水温为40.6℃，净光热转换效率为63.73%，与最高点相比水温上升7.5℃，净光热转换效率下降6.58%。在480 min水温为45.8℃，净光热转换效率为55.90%，与效率最高点相比水温上升12.7℃，净光热转换效率下降14.41%。水温越高，热损失越大，水温上升越慢。自动排水点的水温设置根据初始水温、环境温度、实际需求温度与集热器的集热能力具体确定，超出集热器所能达到的水温可通过二级保温桶的辅助加热装置获得。

图12 工况二时的总效率、光电转换效率与净光热转换

4.2 关于水泵生热率影响的讨论

水泵生热率是根据系统运行在无光照的条件下每个测量点保温桶水温的升高所吸收的热量除以对应时间内光辐射条件下组件所接受的光能量而得到，用于对光照情况下的毛光热转换效率进行修正。这样的计算也只是参考。按照净光热转换效率等于毛光热转换效率与水泵生热率之差进行计算，工况一与工况二的实际净光热转换效率应该比这种方法计算的还要高。因为工况一与工况二的每个时刻点的实际保温桶水温比工况三的都要高，保温桶与外界的热交换要比工况三高；且水温越高，水泵对水的传热率越低，对应每个时刻点的水泵生热率的测量值也应比理想值要低，所以按照此种方法定义的实际净光热转换效率应该比通过实验测量的结果还高。

4.3 净总效率的修正

净总效率的计算公式为η=ηe+ηth，其中,ηe为光电转换效率;ηth为净光热转换效率。考虑电能与热能品位不同时，净总效率可表为η＇=ηe/ηpower+ηth，其中,ηpower=0.38[10]。由于光电转换效率随着时间基本不变，所以两种净总效率η与η＇ 的变化情况与净光热转换效率基本一致。考虑水流质型PVT系统一般都工作在工况二，文中只给了工况二中η＇ 的变化曲线，如图10与图12所示。图中η与η＇ 初始都随着保温桶水温的升高而增大，达到33.1℃时，两种净总效率都达到极值点，分别为73.23%与78.00%%，此后净光热转换效率与两种净总效率都下降。系统工作8 h的η与η＇ 值分别为58.64%与63.11%。不过系统的极值效率点主要由PVT组件内部的水与电池组件的温差以及保温桶与外界的温差决定，而这两种温差与季节还有保温桶的保温能力有直接关系，所以每种系统的实际极值功率点要根据不同的季节以及实际所用材料进行实际测量才能确定。

4.4 与相关文献的比较

Chow等曾对水流质型集热器组件进行过数值模拟与实验研究，分别研究了组件在有、无玻璃盖板的情况下组件的光热转换效率与光电转换效率分别随着环境温度与辐照度等参数的变化而变化的情况[11]。结果为：当其他参数不变，环境温度从0～40℃变化时，有玻璃盖的组件光热转换效率从55%升到57%；无玻璃盖的组件光热转换效率从36%升到40%，光热转换效率略有上升。对于光电转换效率，有玻璃盖组件从14.5%降到12.8%；无玻璃盖组件14.7%降到12.6%，光电转换效率下降。当其他参数不变，辐照度在300 W/m2与1 000 W/m2变化时，有玻璃盖的组件光热转换效率从62%降到50%，无玻璃盖的组件光热转换效率从60%降到30%，光热转换效率明显下降。对于光电转换效率，有玻璃盖的组件从12.6%升到14.5%，有所升高；无玻璃盖的组件13.8%降到13.4%，略有降低。

本实验重点研究的是环境温度与辐照度基本不变时，系统的光热转换效率与光电转换效率随着时间与保温桶水温的变化情况。由于组件本身无玻璃盖板，但实验在内部带有反光膜的木箱内进行，实验条件介于有、无玻璃盖板的两种实验条件之间，所以需要对有、无玻璃盖板的两情况都进行比较。与文献[11]相比，该实验系统的光热转换效率较高(最高70.31%，工作8 h的总净光热转换效率为55.9%)，但是光电转换效率太低(最高3.58%，工作8 h的总净光电转换效率为2.74%)。与其他相关文献[12-14](光热转换效率在45%～65%，光电转换效率在10%左右)相比，也是光热转换效率较高，光电转换效率太低。从实验条件、PVT组件的结构以及发热机制上分析有以下四种原因：

(1) 所用电池组件本身的光电转换效率较低。所用电池组件的电池片的尺寸为12.5×12.5 cm，阵列为4×9，厂家给出的峰值功率为50 WP。而现在此种规格电池组件的峰值功率一般都是100 WP，所以实验所测光电转换效率较低。

(2) 为了提高光利用率，并减少外界环境因素的变动带来的干扰，本实验把PVT组件放在大木箱里进行。箱子材料为木工板，且四壁与顶部有反光膜，箱子内部的隔热与反光效果较好，有助于增加光热转换率。

(3) PVT组件的内部结构不同。PVT组件的走水集热管道为扁形不锈钢集热管，通过导热良好的硅胶紧密粘结在传热板上，传热板再通过导热硅胶与原电池组件的背板紧密接触(见图2)。不锈钢扁集热管在使用中不会被锈蚀，且相对于圆管在相同容积情况下表面积比圆管要大20%，且与电池组件背板直接进行热交换的面积增大很多，有效提高换光热转换效率。传热板为一块与原电池背板大小基本相同的平面铝板，能把电池背板的热量全面而又快速接收，再传给走水集热管。所述文献有的是圆形集热管，有的没有传热板，所以与之相比，该换系统的光热转换效率较高。

(4) 虽然光辐射的利用率很高，但更多地转化成热运动，所以表现出光热转换效率很高，光电转换效率很低。光伏组件接收的光能中转化为热量的几率更大，主要有以下几个原因：① 在25℃ 时，能使晶体硅太阳能电池电子发生跃迁的截止波长为1 100 nm。在AM1.5太阳光谱[15]中，λ>1 100 nm的太阳光能量比例是约占20%，长波部分的光子被组件吸收后不能使电子跃迁，全部转化为电子的热运动；② 短波部分光子使电子激发后有剩余能量也会转化为电子的热运动。③ P-N结产生的载流子有部分会复合，复合过程也会释放热量。④ 随着工作时间的增长，组件温度的增加，电池片内部缺陷会增多，少数载流子寿命减少，吸收的光子中更多部分会转化为电子的热运动[16]。⑤ 光电效应产生的电能在组件工作中会有部分转化为组件内部的焦耳热。所以在光辐射量不变的情况下，PVT组件容易得到高的光热转换效率，自然而然光电转换效率就会降低。

5 结 语

利用普通太阳能电池组件及一些简易管材、绝热材料以及水泵、保温桶等设施，自制了一套水流质型光伏光热综合利用系统，并分别在三种工况下进行了连续8 h的温度与效率的跟踪测试。在排除水泵工作产生的附加热效应后，得到该系统的8 h总的净光热转换效率为55.9%，总光电转换效率为2.74%，总能量利用率为58.64%。与相关文献比较，光热转换效率很高，光电转换效率很低。

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Design on a Kind of Photovoltaic-Thermal Utilization System with Water as Working Fluid

JIAHu,ZHANGDing,WANGChen-quan,TANGJun-jiong

(School of Mathematics & Physics, Anhui University of Technology, Ma’anshan 243002, China)

In order to improve the heat transfer efficiency between the photovoltaic component and water, a flat tube photovoltaic-thermal (PVT) comprehensive utilization system is designed, with water as working fluid. The temperature and efficiency tracking tests for continuous 8 hours are performed in three kinds of working conditions. The data, such as temperature and power characteristics of component, gross photo-thermal conversion efficiency, and the additional heat effect produced by pump, are obtained. Changing with of water temperature in heat insulation barrel, the net thermal efficiency and the net total efficiency of the system are gained, eliminating the additional thermal effect generated by water pump. The net thermal efficiency and the net total efficiency both change with the water temperature in the heat insulation barrel (or change with time). Both of them increase firstly and then decrease, so there are maxima of 70.31% and 73.23%, respectively. In 8 hours, the overall photo-thermal conversion efficiency is 55.9%, the overall photoelectric conversion efficiency is 2.74%, and the overall energy efficiency is 58.64%. Compared with related literatures, the photo-thermal conversion efficiency is higher, and the photoelectric conversion efficiency is lower. This phenomenon is analyzed and the application market is evaluated in this article.

photovoltaic-thermal (PVT); the comprehensive utilization system; using water as working fluid; efficiency

2015-02-27

国家级大学生创新创业训练计划项目(201310360097)；安徽省大学生创新创业训练计划项目(AH201310360097，AH201410360291)；安徽工业大学大学生创新训练项目(SRTP)立项项目(2013118Y，2014084Z，2014089Y)

贾 虎(1975-),男,安徽凤阳人,高级实验师,主要从事大学物理实验教学与光伏应用研究。

Tel.:13955534529; E-mail: ahgydxjiahu@163.com

TM 615

A

1006-7167(2015)12-0025-07