（工程热物理专业论文）复合太阳能集热发电技术.pdf

中国科学技术大学顾士学位论文 摘要 照射到光伏模块上的太阳辐射能大部分都没有转化成电能而是变成热量提 高了电池本身的温度。光伏模块的电力输出随温度升高降低。利用水的对流换热 对光伏模块进行冷却的同时将得到的热水加以利用，则可以构造一个能同时产生 电力和热水的光伏光热一体化( p v t ) 系统。将光伏光热一体化( p v ，t ) 系统 的复合太阳能收集模块作为外墙围护结构或铺设在屋顶组成光伏光热建筑一体 化( b i p v t ) 系统，在得至u 热水和电力之外更可以降低建筑热负荷，有着更为 广阔的应用前景。 本文所做的工作有： 1 给出了一种自然循环式家用光伏光热一体化( p v t ) 实验系统的设计思想和 具体结构： 2 对该p v t 实验系统进行了实验测试，实验结果表明： 该p v t 实验系统具有较高的综合能量效率，基本可以满足生活洗浴用 水需要，同时每天可以发电约o 3 3 k w h ，可满足偏远地区用电或提供城市 并网； 3 建立了p v 厂r 系统的数学模型，以合肥地区实测的气象参数为计算依据对 p v 厂r 实验系统在自然对流循环下的光电光热性能进行了数值模拟，模拟计算 结果与实验数据符合较好； 4 参与设计了一种光伏光热建筑一体化( b i p v f r ) 系统，介绍了其系统结构： 关键词：光伏光热一体化光伏光热建筑一体化热水电力自然循环家用 综合能量效率 中国科学技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t m o s to ft h ea b s o r b e ds o l a rr a d i a t i o nb ys o l a rc e l l si sn o tc o n v e r t e dt oe l e c t r i c i t y a n di n c r e a s e st h e i rt e m p e r a t u r e ，r e d u c i n gt h e i re l e c t r i c a le f f i c i e n c y t h ep h o t o v o l t a i c t e m p e r a t u r ec a l lb el o w e r e db yh e a te x t r a c t i o n 、丽t l lap r o p e rn a t u r a lo rf o r c e dw a t e r c i r c u l a t i o n a n i n t e r e s t i n g a l t e r n a t i v et o p l a i n p vm o d u l e si st ou s e h y b r i d p h o t o v o l t a i c t h e r m a l ( p v 厂r ) s y s t e m s ，w h i c hc o n s i s to f p vm o d u l e sc o u p l e dt oh e a t e x t r a c t i o n d e v i c e s ，p r o v i d i n ge l e c t r i c i t y a n dh e a t s i m u l t a n e o u s l y ab u i l d i n g i n t e g r a t e dp h o t o v o l t a i c t h e r m a l ( b i p v t ) s y s t e mh a v i n gt h ec o m p o u n ds o l a rc o l l e c t o r a p p l i e da 5c l a d d i n g o rp l a c e do nr o o fc a nn o to n l yp r o v i d e e l e c t r i c i t ya n d w a l t nw a t e r b u ta l s or e d u c et h eh e a tl o a d o f b u i l d i n g ，w h i c h h a sa g r e a tf o r e g r o u n d h e r el i s tt h em a i nw o r k ： 1p r e s e n tt h ed e s i g ni d e aa n dt h es t r u c t u r eo fad o m e s t i cp v ，_ rs y s t e mw i t han a t u r e w a t e rc i r c u l a t i o n ； 2t e s to i lt h ep v 厂r s y s t e m i sp e r f o r m e da n dt h er e s u l ts h o w st h a t ： t h ep v ，rs y s t e mh a sag o o di n t e g r a t e de n e r g ye f f i c i e n c y , w h i c hc a np r o v i d e e n o u g hw a r m w a t e rf o rl i f ea sw e l la so 3 3 k w h e l e c t r i c i t yf o ri s o l a t e dr e s i d e n c e o r 鲥d c o n n e c t e ds y s t e mi nc i t y 3 n u m e r i c a l l ys t u d yt h ee l e c t r i c a la n d t h e r m a lp e r f o r m a n c et h ep v 厂rs y s t e mb a s e d 7 o nt h em a t h e m a t i c sm o d e sw i t hm e t e o r o l o g i c a ld a t ao b t a i n e di nt e s t i n gi nh e f e i c i t y ； 4 i n t r o d u c et h ed e s i g no f ab i p v t s y s t e m ，a n dp r e s e n tt h e s t r u c t u r eo f i t k e yw o r d s ：h y b r i dp h o t o v o l t a i c t h e r m a ls y s t e m ， b u i l d i n gi n t e g r a t e d p h o t o v o l t a i c t h e r m a ls y s t e m ，w i l l i l lw a t e r ，e l e c t r i c i t y ，n a t u r a lw a t e rc i m u l a t i o n ， d o m e s t i c ，i n t e g r a t e de n e r g ye f f i c i e n c y 第一章绪论 第一章绪论 能源问题是关系到国计民生的茸要题。上世纪卜- 半叶由于媒、石油等矿物 燃料的大量开采使用，世界上的能源问题并不突出。人们一度认为有便宜而用之 不竭的石油和煤气。直到上世纪七十年代人们才发现这种假想是完全不可能的， 石油和煤气面临枯竭。1 9 8 1 年8 月中旬联合国在肯尼亚首都内罗毕召开了新能 源和可再生能源会议，探讨新的能源对策。新对策的一个重要方面是更为审慎地 使用普通能源，另一个重要方面砸0 是促进可再生能源的开发和利用。与此同时燃 烧石油和煤气产生的环境污染问题也日益严重起来。大量温室气体的排放导致全 球气候变暖，资料显示，最近数十年是地球上平均温度撮高的年份。为此一九九 七年底在日本京都召开的联合国气候大会通过了京都协议书，该协议书规定， 自二零零八年至二零一二年期间，发达国家的温室气体排放量要在九九零年的 壤础匕平均减少百分之五点二。世界已经进入能源过渡时期，就是说，必须扩大 和分散当前的能源供应基础，充分利用可用的和可再生的清洁无污染的资源，减 轻对石油和煤气的依赖，减少环境污染。 在减少污染排放景同时义要保证经济发展需要的压力下，各国除了研究对普 通能源更为高效的使用技术之外，开发可再生的清洁能源就成为了迫切的需要。 随着各国政府对新能源开发的重视和大力扶持，新能源的开发已取得了长足进 展，按照联合国新能源和可再生能源会议的内容，新能源包括了1 4 种能源资源， 即太阳能、生物质能、风能、潮汐能、地热能、波浪能、海洋温差能、薪柴、木 炭、泥炭、畜力、油页岩、焦油砂、以及水力【1 】。其中大部分都是人们早已熟 知的，有的已用了几千年。但是从人们现在采用已发展的一系列新技术或正在发 展的更新的技术来开发和使用这类自然资源，因此在这个意义上说他们是“新” 能源。 在已开发的各种新型能源中，太阳能是其中最引人注目、应用最多、研究工 作最多的一种新能源。据统计，每年到达地球表面的太阳辐射能约为目前世界能 耗总和的2 1 0 4 倍。根据目前太阳辐射总功率及太阳上氢总含量的估算，太阳 能尚可继续维持1 0 0 亿年【2 】，而地球寿命还有5 0 多亿年，因此可以说是取之不 尽、用之不竭；太阳能不需要开采及运输，不受任何国家垄断，是随处可得的廉 第一章绪论 价能源；它清洁且安全，使用中不产生污染。因此可以说一旦能够完善地控制 太阳能，它将给人类的科技和生产带来美妙的前景。太阳能资源的缺点是到达地 球表面的能流密度低，并且受昼夜、季节以及睛阴云雨等因素的影响，供能是间 断且不稳定的。这两个缺点导致太阳能利用设备的转换效率低，设备成本高，因 此当前的一个研究重点就是提高太阳能利用效率和降低太阳能利用设备的成本。 如上所述，如何发扬太阳能资源的优点以及克服其使用之不便，是世界各国能源 研究开发的焦点之一。 太阳辐射能一般有三种利用方式：可利用太阳能电池通过光一电转换为电 能，主要用于太阳能光电池、航天器、航标器等方面，光电转换效率在l o 左 右：可通过光一化学转换为化学能，例如制氢等，光一化学转换效率较低，一般 低于4 ，也有一些植物的光合效率可达1 0 【3 】：可通过光一热转换为热能， 或者再将热能转换成电能，太阳能光热转换效率最高，一般大于4 0 。其中太 阳能光一热转换是技术最为成熟的利用方式，成本低廉，因而应用最为广泛。 2 第一章绪论 1 1 太阳能利用技术概述及现状 生命和能量都来自太阳。我国人民最早懂得有意识的利用太阳能以得到热 量。公元前千多年以前的西周时代就发明了“阳隧取火”技术，比阿基米德利 用太阳光聚焦烧毁敌船击败古罗马军队的传说早八九百年；在距今一千多年的晋 代，中国人发明了用冰制作的凸透镜以聚光取火，而西方到1 3 世纪还在研究燃 烧镜：在清代我国出现了最早的太阳灶。另外。我国还是最早利用太阳能温室大 棚进行种植和养殖的国家。西方则在将太阳能最终转化为机械能方面比中国更 早。1 7 世纪末，法国人制造了世界上第一台太阳能水泵( 图1 1 ) ，1 9 世纪法 国人发明了太阳能发动机，并用太阳能制冷机生产出了一块冰。 ，水萼兰里一一 _ 一一一j 部水面 、 二1 = 一一二了；笨 一二二 i 0 0 k w ) 商业应用 9 消费娱乐品， i i 、 通霆拶1 2 、 ，7 j ： 独立户用、 二毫三二i 一一一7 图1 2 太阳电池各种应用的比例 j 并网发电 ，7 5 1 如何进一步提高系统效率及降低综合成本是推进光伏发电系统应用的研究 关键。 1 2 复合太阳能集热发电技术概述 建筑能耗是世界上能源消耗最大的一个方面。随着常规不可再生能源的枯竭 问题和环境污染问题日益严重，“绿色建筑”或“生态建筑”的概念应运而生。 这种建筑大量利用太阳能、地热能等无污染的新能源，通过良好的建筑设计、使 用节能建材和以及合理的室内气流组织，大大降低了常规能源的消耗，同时人性 化的设计又保证了建筑的舒适性。这是一个综合的能量利用系统，如何设计一个 6 第一章绪论 合理的太阳能利用系统以解决建筑的电、热以及热负荷等问题是进行综合系统设 计时需要考虑的很重要的部分。因此对应用太阳能同时解决热、电问题的复合利 用系统的研究日趋重要。 光伏( p v ) 技术已经发展了四十余年，而光伏一建筑一体化( b i p v ) 是现 代太阳能发电应用的种新概念，也是美国、欧洲、日本等国所倡导的太阳能发 电应用的发展方向。但理论研究表明单晶硅光伏模块在o o c 的最大理论效率也不 过3 0 ，并且其效率还随着工作温度的上升而下降( 图1 3 ) 。如果直接将光伏 模块铺设在建筑表面，将会使光伏模块在吸收太阳能的同时温度迅速上升，导致 光伏模块的发电效率下降。随着越来越多的b i p v 系统投入应用，如何保持光伏 建筑一体化系统中光伏电池较低的工作温度以提高效率，如何提高b i p v 系统的 多功能性以降低整体成本等成为b i p v 系统推广应用的关键问题，受到越来越多 的关注。 光伏光热建筑一体化( b l p v t ) 系统正是在这种背景下提出的一种应用太 阳能同时发电供热的新概念：在建筑维护结构外表面铺设光伏阵列或取代外围护 结构提供电力、热水、采暖等。 德国、日本、美国学者曾经对单台光电热水器进行了实验室研究，但研究刚 刚起步。 由于照射到太阳电池上的太阳辐射能大部分都没有转化成电能而是变成热 量提高了电池本身的温度。太阳电池的转换效率随温度升高降低，从而使电力输 出减少。由此考虑利用一个合适的自然对漉或强迫对流换热对太阳电池进行冷却 以提高转换效率。如果采用某种技术方式将被电池热量加热的流体加以利用，则 可以构造一个能同时产生电力和热流体的设备或系统，可以称之为光伏光热一体 化( p v t ) 系统。 典型的p v ，r 系统如图l - 4 所示，一般有光伏组件+ 水、光伏组件+ 空气、 光伏组件+ 水+ 透明盖板、光伏组件+ 空气+ 透明盖板四种系统。 第一章绪论 肘 按 名 茁 p 晶 h 靛 霉 温度( ) 图1 3 硅太阳电池效率随温度变化曲线 如果p v t 系统未与建筑结合。并用水作载热流体，则可称之为光电热水器。 这样的系统包括光伏组件和换热设备，可以同时提供电力和热水。p v t 系统的 总能量输出( 电力和热量) 依赖于太阳辐射度、环境温度、风速以及系统的工作 温度。 ap v w a t e r bp v w a t e r + g l cp v a 1 r b 几_ af y , a dp v ，a i r + g i 图1 _ 4 典型的p v 仃系统 1 3 本文的创新点 国外学者对p v t 系统进行了很多研究，国内目前尚未见到有关文献。笔者 所在课题组设计建立了一个p v 厂r 实验系统，其创新点在于： 第一章绪论 1 国外设计的p v t 系统一般均采用管板式吸热板，而本文采用了一种特殊的 新型铝合金扁盒式吸热板，如图1 5 所示。与管板式吸热板相比扁盒式吸热 板肋片效率更好，同时本文所采用的铝合金扁盒式吸热板外表平整美观，十 分易于太阳电池的附着； a 采用管板式吸热板+ p v 的集热器 l目 4i |j i l翻 彩髟 彭。；獭钐笏钐；乏彭j j b 采用扁盒式吸热板+ p v 的集热器 图1 5 集热器对比 2 国外设计的p v t 系统一般采用已商品化的光伏电池板组件，而本文选用尚 未用玻璃和背板封装的硅太阳电池片，应用特殊工艺将其直接压制在吸热板 上( 图1 - - 6 ) ，进一步增强了电池片与吸热板间的换热效果； 3国外对p v 厂r 系统的理论研究包括了自然对流和强迫对流两种热介质循环模 式，但所设计制作的实验系统则一般均采用强迫对流循环，对采用自然对流 循环的p 、”系统的实验研究尚不多见，本文设计的p 实验系统采用了国 内家用热水器常见的自然对流循环，易于实现家用商业化； 4 本文将上述特殊的压制了太阳电池的扁盒式吸热板应用于光伏光热建筑一体 化( b i p v 厂r ) 系统中，这种应用在b p v 厂r 系统的相关研究中尚未发现。 9 第一章绪论 光伏扳 吸热板 a 管板式吸热板+ 光伏板 b 扁盒式吸热板+ 电池片 图1 - 6 结合方式对比 电弛片 光伏电池片 扁盒式吸热板 1 4 本文所做的： 作 1 给出了一种自然循环式家用光伏光热一体化( p v t ) 实验系统( 可称为光电 热水器) 的设计思想及结构； 2 给出了该实验系统的理论模型，并对该系统性能进行了数值模拟计算； 3 对实验系统进行实验测试，将实验结果与模拟计算结果进行比较，结果吻合 较好； 4 参与设计了一种光伏光热建筑一体化( b i p v t ) 系统，介绍了目前的进展； 1 0 第一章绪论 参考文献 【l 】葛新石等编著，太阳能工程一原理和应用，学术期刊出版社，北京，1 9 8 8 【2 岑幻霞编著，太阳能热利用，清华大学出版社，北京，1 9 9 6 【3 】郭廷玮等编著，太阳能的利用，科学技术文献出版社，北京，1 9 8 7 【4 】京特莱纳，汉斯卡尔( 德)太阳能的光伏利用【m 】余世杰，何慧若 合肥：合肥工业大学能源研究所，1 9 9 1 ，1 1 6 1 3 0 【5 】赵玉文，我国太阳能光伏产业发展形势和思考，世界科技研究与发展，v 0 1 2 5 n 0 4 ，2 0 0 3 第章光伏光热+ 体化( p v t ) 系统原理与设i , f 第二章光伏光热一体化( p v f f ) 系统原理与设计 2 。lp v t 系统原理 理论研究表明单晶硅太阳电池在0 0 c 时的最大理论转换效率不到3 0 。在太 f h 辐照度一定的条件下，当硅电池自身温度升高时其输出功率将下降。在实际应 用中，标准条件下硅电池转换效率约为1 2 1 7 f l l 。如图2 一l 所示，照射到电 池表面上的太阳能8 0 以上未能转换为电力输出，而是转化成为热能，并使电池 温度升高，导致电池效率下降。为尽可能使电池效率保持在较高水平，可以通过 在电池背而敷设流体通道带走热量来降低电池温度，提高电池效率。如果流体带 走的热最不是作为废热而是通过某种形式加以利用，那么这种光伏冷却系统就可 以同时产生电力和可利用的热量，可以称之为光伏光热一体化( p v t ) 系统。 图2 1 太阳电池 j 单纯的光伏系统或光热系统相比，这种p v 厂r 系统占用空间少，可产生两 种能量收益，同时由于流体吸收了使硅电池转换效率下降的余热，成为可以利用 的热流体，系统的整体效率将比单一的光伏系统或光热系统高。 第一章绪论给出了四种典型的p v t 系统。一般来说，p v t 系统中，载热流 体可以采用空气或液体，换热方式可以采用自然对流或强迫对流换热，光伏系统 可以是聚焦式或非聚焦式。这里我们所说的p v t 系统是指非聚焦平板光电光热 复合系统。 2 2 已有研究工作 第：二章光伏光热一体化( p v t ) 系统原理与设计 在第一章绪论中曾提到，近几十年来，世界上已经有很多学者对这样的光伏 光热一体化( p v 厂r ) 系统进行了很多理论上的分析、模拟计算以及实验研究。 1 9 7 8 年k e m 和r u s s e l l 首次在第1 3 届e e 光伏专家会议上提出了用水或 空气作为载热介质的光伏光热一体化( p v t ) 系统的主要概念： 随后h c n d r i e 于1 9 7 9 年提出了一个建立在传统的集热技术基础上的p v 厂r 系 统理论模型； f l o r s c h u e t z 于1 9 7 9 年建立了一个h o r e l w h i l l i e r 模型的扩展模型并将之用于 p v t 系统的理论分析： 1 9 8 1 年r a g h u r a m a n 提出了预测液体和空气型光伏光热平板吸收装置性能的 数值计算方法； c o x 和r a g h u r a m a n 于1 9 8 5 年对使用空气作为换热流体的p v t 系统的运行 情况进行了计算机数值模拟； 紧接着在1 9 8 6 年l a l o v i c 将一种新颖的低成本的透明型a s i 太阳电池应用 于p v 厂r 系统中： 1 9 8 8 年l i f e r s u k i 等人将一套以空气为载热介质的p v ，r 系统安装在建筑上并 进行了实验测试，他们运用了两个相互独立的一维模型进行模拟计算，与实验结 果进行了对比。 在以上的工作中，经理论计算和实验测试，得到的液体工质型p v 厂r 系统的 热效率在4 5 到6 5 之间，如果使用能减少散热损失的透明盖板，系统热效率 将更高些。而对于空气工质型p v t 系统，系统的热效率取决于空气流速、空 气流道宽度和长度的大小。对于空气流速较高，空气流道宽度较小、长度较大的 空气工质型p v 厂r 系统，系统的热效率可达到约5 5 。 t a k a s h i m a 等人1 9 9 4 年将已商业化生产的光伏电池组件放在太阳能吸热板 上组成个p v f r 系统，在光伏组件和吸热板之间留出间隙以获得有效的冷却效 果； 1 9 9 5 年b e r g n e 和l o w i k 给出了液体介质型p v 厂r 系统各部分间传热情况的 第二章光伏光热一体g ( p v r r ) 系统原理与设计 详细分析，得出了电效率和热效率的主要影响因素； 1 9 9 7 年b r i n k w o r t h 等人对建筑屋顶及立面的光伏系统进行了参数研究，研 究考虑了分别有单层玻璃盖板和双层玻璃盖板的两种空气介质型p w r 系统； g a r g 和a d h i k a r i 则对p v ，r 系统的运行情况进行了稳态模拟分析。 1 9 9 3 年i m r e 等将p v t 系统与建筑结合在一起进行了研究； p o s n a n s k y 等1 9 9 4 年研究了光伏一建筑一体化的重要性： r i c a u d 和r o u b c a y l 9 9 4 年研究了一种效率为6 6 的光伏一建筑一体化组件； 1 9 9 8 年e l a z a r i 研究了一种以商业应用为目的的家用光电光热一体化系统。 上述研究的目的是使液体介质p 系统的热效率能达到7 0 ，气体介质系 统的热效率能达到6 0 。 最近一些相关出版物发表了一些p v t 系统新的研究进展，如： 为了能将p v t 系统更便于安装在建筑立面上，开发出了一种带有潜热储能 装置的新型p v t 系统，可以提供温水； 在美国，t h o m a s 等2 0 0 0 年研究了p v t 系统的商业化； 台湾的b j h u a n g 等2 0 0 1 年研究了带有热水箱的p v 厂r 系统。 以上工作均采用平板型集热器和光伏板，不考虑聚焦式光伏系统。很多学者 对聚焦式光伏系统的冷却及热电联产也进行了研究。 m - - b a a l i ( 1 9 8 6 ) 研究指出使用低聚焦比的太阳辐射聚焦装置可以提高p v ，r 系统的电和热产量； g a r g 等( 1 9 9 1 ) 给出了预测带有平扳反射装置的p v 厂r 系统热电性能的理论 模型； g a r g 并和a d h i k a r i 一起给出了预测带有c p c 反射器的的p v 厂r 系统热电性 能的理论模型，所研究的p v 厂r 系统以空气为载热介质，计算后作者建议可以用 成本较低的反射装置代替使用效率更高但成本也更高的太阳电池； b r o g r e n 等( 2 0 0 0 ) 进行了p v 厂r 系统研究，他们设计制作了一个带有四个 第二章光伏光热一体化( e w r ) 系统原理与设计 c p c 反射器的水冷p w r 系统，使系统年电力输出提高了2 0 ； 2 0 0 2 年希腊p a t r a s 大学物理系的t r i p a n a g n o s t o p o u l o s 等对几种典型的p v 厂r 系统相关方面的研究进行了综合，并对绪论所述的四种p v 厂r 系统的性能进行了 对比性的实验研究，同时在实验中对铝阳光反射板对p v 厂r 系统性能的影响进行 了研究。 总而言之，使用聚焦装置可以降低p v t 系统光伏部分的成本，但需要使用 跟踪装置，这就使得应用在光伏一建筑一体化时的系统很复杂。使用固定的反射 板也可以以较小的成本提高入射太阳辐照度，但不适合用于光伏组件，因为固定 的反射板所反射的太阳辐射度的不均匀会导致照射到光伏电池表面不同部分的 的太阳辐照强度不一致，致使光伏阵列各部分电性质不一致，从而使阵歹4 效率降 低。 早期的p v 汀系统研究中，输出尽量多的电力是研究的主要恩路，进行系统 设计时电力输出得到优先保证。因此研究重点大多集中在采用低温流体的强迫对 流换热对大规模光伏电站应用的光伏模块或与光伏一建筑一体化系统中的光伏 模块进行冷却，在光伏模块背面设置换热装置，通过流体通道带走热量以提高光 伏系统的电力输出。 八十年代后国外对p v 厂r 系统的研究逐渐产生了使用太阳能平板式热水器的 吸热板作为换热装置的设计思路。这种设计不再单纯地偏重于电力输出，而是综 合考虑热和电力的总能量收益。系统设计多为将国外技术成熟的管板式吸热平板 通过某种导热介质与光伏组件粘连，载热介质在泵的驱动下一次流过吸热平板的 换热管道，从而得到4 0 c 左右的低温热水或热空气，可以作为工业用热水、熟 空气的预热或游泳池用水等。 最近十年对p v ，r 系统的研究中，出现了带有水箱、进行水路循环的系统 设计。t a n it 和台湾大学的bjh u a n g 等分别做实验研究了带有水箱的低初始水 温强迫对流式p v 厂r 系统的性能，其设计的p v 厂r 系统结构如图2 2 所示。 b j h u a n g 等将普通的光伏组件固定在吸热板表面，中间用导热性能良好的导热 胶填充，设置储热水箱，进行强迫对流循环。 吸热板分别选择铜管铝板式( 肋片效率w d = 1 0 ) 、铝板冲压管翅式( 肋 第二章光伏光热一体化( p w r ) 系统原理与设计 片效率w d = 6 8 ) 和聚酯塑料扁盒式( 肋片效率w d = 1 ) 三种，前两者换热 效果不理想，第三种聚酯塑料扁盒式集热器肋片效率高，换热效果好，因此着重 对使用第三种集热器的p v 仃系统进行了实验研究。实验结果表明，相比较而言， 无透明盖板、较大v 氏( 水箱和集热面积比) 及较大肋片效率的p v 厂r 系统具 有更大的整体效率【3 j o 从文献【3 】可以看出，这种系统的优点是水箱可以放置于集 热器下方，节省了空间；使用强迫对流循环可以控制换热强度，保证换热效果。 但由图l 可以看出，该p v 厂r 系统没有透明盖板减少环境散热损失，系统热性能 不能得到进一步提高；采用强迫对流模式，为了降低肋片温度以提高系统效率， 使该系统所得到的热水温度较低；并且这种强迫对流式系统所必需的泵需要消耗 电能，从而减少了系统的电力产量，降低了系统的有用收益。 p 1 。47 一 ：0 l l e c t o j p v 州o ：。 图2 - 2b j h u a l l g 等设计实验的p v 厂r 系统 f ( ，! v 、r s 。f 1 p 一一7 一( ：( 一| j 、 + 一： 2 3p v 厂r 实验系统设计 2 3 1 设计背景 国外典型的太阳能热水系统多为强迫循环，因此目前国外所做的太阳能光伏 光热一体化系统也多为强迫循环系统，关于自然循环模式的p v 厂r 系统性能研究 仍非常少，国内也未见相关研究。关于带有储热水箱、采用自然循环模式、单层 透明盖板的p v ，t 系统的性能仍然不是十分清楚。 为了了解带有储热水箱、采用自然循环模式、单层透明盖扳的p v 厂r 系统 的运行情况及光电光热性能，笔者所在课题组设计制作了一台建立在家用太阳能 1 6 第二章光伏光热一体化( p v c r ) 系统原理与设计 平板热水器基础上的自然循环式p v 仃实验系统，测试该系统光电光热性能。由 于带有玻璃盖板，弱化了对流散热，因此设计的目的不再考虑提高光伏阵列的电 效率，而是出于节省空间、同时产生两种能量收益的目的。因此希望该实验系统 在具有较高的整体效率的同时还可以得到相当的电力和可供洗浴的热水，并具有 易用性，可满足家庭使用。 2 3 2 设计思路 目前由于工艺上的突破，已经实现了一种全新的扁盒式全铝合金平板集热器 的商业化生产。该集热器的吸热板如图2 - 3 所示。上下联集管和吸热平板均为铝 合金材料制成，图中虚线箭头表示水在平板中流动的方向。吸热板由图2 - 4 所示 的型条拼接而成，两型条间用高粘度硅胶粘连，粘连操作如图2 4 所示，型条两 端压以冲槽的铝合金管紧固并通水，用硅胶垫密封。拼接而成的吸热平板表面光 滑平整，十分易于太阳电池的粘贴附着。 h o t 一 w o t er l h f 【 lj 【 i il i i ii f f llij ；l l r 1 图2 - 3 全铝合金吸热板 c 0 0 1 w a t e f - 以该全铝合金平板集热器为核心部件的家用平板太阳能热水器目前已进行 了商业化生产。热水器采用自然循环方式，单层玻璃盖板，背板使用聚氨酯发泡 材料绝热。储热水箱底部的冷水从上联集管右端进入吸热板经右边第一个型条 到下联集管，其余型条表面喷有选择性涂层，吸收接收到的太原辐射能后加热扁 盒流道内的水，使之吸热往上运动，经上联集管左端进入储热水箱，完成循环。 1 7 第二章光伏光热一体化( p v r r ) 系统原理与设计 由于扁盒式平板集热器其肋片效率为1 ，传热效果良好。相同的进水温度， 扇盒式吸热板上下温差比管板式、管翅式吸热板小，有舞n 于提高光电池的效率和 降低热损，而且由于表面平整，易于太阳电池的附着。因此相比于管板式、管翅 式平板集熟器，扁盒式平板集热器更适合于p v 1 系统。鉴于扁盒式平板集热器 的上述优点，本课题组设计建立的p v t 实验系统采用了上述新型扁盒式平板集 热器，该实验系统用水作为载热介质进行封闭循环，并采用国内家用平板型太阳 能热水器常用的自然对流换热方式。该p v ，t 实验系统结构清晰简单，无易损机 械部件，如果具有较好的电、热性能，将适合于城市家庭使用，提供并网电力和 生活热水。 ：一z 截面放大 三重i 三正3 3 二重i 二【3 3 主丑二 夏卫 吸热板型条两个吸熟板型条拼接示意 图2 - 4 吸热板型条及其拼接 2 3 3p v t 实验系统制作 在太阳电池背面敷设流体通道是p v 厂r 系统的核心。 为使实验系统具有家庭应用性，选用己商品化的太阳能电池与使用前述扁盒 式全铝台金集热器的家用平板型太阳能热水器组成一套完整的光伏光热一体化 系统。 第二章光伏光热一体化( p v r r ) 系统原理与设计 系统中： 光伏电池组件为多品硅电池，太阳辐照度1 0 0 0 w m 2 、2 5 的标准状况下其 转换效率约为1 3 0 ； 热水器的吸热板为前述新型扁盒式铝合金吸热板，该吸热板所用铝合金型条 厚l c m 、有效宽度8 5 c m 、材质厚度l m m ，上下联集水管也为铝合金材质： 对于p v ，r 系统而言光伏电池组件与吸热板的结合是核心问题。本p v 厂r 实 验系统光伏电池组件与吸热板结合的方式为：将太阳电池组件粘贴在热水器集热 器光滑的的吸热板表面，构成光电光热复合吸收板。 粘贴时采用了特殊的工艺，具体如下： 1 备材 电池部分：夏普产多晶硅太阳电池，电池包裹有起保护作用的透明的乙 烯醋酸乙烯脂( e v a ) 材料，由于型条宽度为8 5 m m ，为便于粘贴，将标准 尺寸为1 5 0 1 5 0 m m 2 的多晶硅电池切割成四块7 5 7 5 m m 2 大小； 吸热板部分：为便于下一步骤的层压机压制，将各铝合金型条分别粘贴 电池后在整体拼接： 绝缘部分：由于吸热板型条为铝合金材质，具有导电性，为保证电池组 件连接时不发生短路，需在型条上预先衬垫一层绝缘材料，选用不透明t p t ： 封装部分：由于光伏电池组件所包裹的e v a 材料薄且柔软，容易破损， 因此需在e v a 表面再覆盖一层保护层，选用透明的丁p t 材料； 粘结剂：导热性能良好的硅胶； 2 压制 将各种材料按照图2 5 所示顺序叠在一起，送进商业化生产光伏组件专 用设备真空层压机( 1 a m i n a t o r ) 内抽真空紧密压制，以保证密封良好，各层 接触紧密； 3 拼接 将粘贴好光伏电池组件的铝合金型条按照图2 - 4 所示步骤拼接，得到光 第“：章光伏光热一体化( p v t ) 系统原理与设计 电光热复合吸收板。见图2 - 6 局部放大。 玻璃 透明t p t c e 硅胶 图2 5 复合集电热板结构示意图 e v a 不透明t p t 吸热板型枭 光电光热复合吸收板上粘贴的光伏电池组件( 包括硅胶、不透明p p t 、带 e v a 的电池以及不透明p p t ) 厚度2 m m 3 m m ，整个集电热板表面光滑平整。 光电光热复合收集器 玻璃盖板空气层光伏电池 绝热层吸热板 局部放大 扁盒流道光伏电池 图2 - 6 光电光热复合收集器示意 以该光电光热复合吸收板为核心，组成一个光电光热复合收集器( 图2 6 ) ， 包括一层4 m m 厚低铁玻璃盖板，2 c m 厚空气夹层。光电光热复合吸收板( 集热 面积1 6 2 m 2 ) ，以及聚氨酯发泡材料背板绝热层。整体用铝合金边框组装，橡胶 条密封。 第二章光伏光热体化( p v r ) 系统原理与设计 2 3 4p v 厂r 实验系统结构 整个p v 1 实验系统如图2 7 ，共包括三部分：光伏系统、热水系统和测试 及数据采集系统。表2 - 1 给出r 详细组成。 图2 7 实验系统整体结构 负载 光伏系统和热水系统通过光伏光熟复合吸收板结合在一起。其中，光伏系统 中蓄电池和逆变器均按照单纯的光伏系统一般配置原则选配，而热水系统则为一 台前述已商业化生产的太阳能平板式热水器。图2 - 8 给出了粘贴有光伏电池的光 伏光热复合收集器实物照片。 表2 1p 、，九实验系统组成 2 l 第二章光伏光热一体化( p v f r ) 系统原理与设计 热水系统 蓄电池阀控密封 1 2 v x 6 5 h h 4 个串联 式铅酸型用于储能 逆变器 j - h o m 系列5 0 0 w1 个 用于蓄电池 风光互补型充放电控制 及2 2 0 v 交流 电压转换 连接线路若干 集热器 详见2 3 2 和2 3 3 储热水箱 i o o k g 1 个 安装支架铝合金材质 连接管路 和阀门 若干 测试及数据采集系统 太阳总辐射表b q - - 2 1 个 热电偶 铜一康铜 电流、电压传感器 数据采集仪惠普3 4 9 7 0 计算机 导线 1 1 个 各一个 l 台 1 台 若干 自然循环式 集热面积 1 6 4 m 2 ，正南向 放置 顷角3 8 。 续表2 1p v 厂r 实验系统组成 第：二章光伏光热一体化( p v r r ) 系统原理与设计 图2 - 8 光电光热复合收集器实物照片 2 3 本章主要内容 一介绍了光伏光热一体化( p v t ) 系统的原理 二综述了国内外p v 厂r 系统相关研究 三给出了一种光伏一热水一体化实验系统的设计思路、步骤和结构。 第二章光伏光热一体化( p v f r ) 系统原理与设计 参考文献 【1 】胡晨明，r m 怀特太阳电池 m 】李采华译北京：北京大学出版社，1 9 9 0 5 7 【2 1 k e m j r e c a n d r u s s e l l m c ，c o m b i n e d p h o t o v o l t a i c a n d t h e r m a l h y b r i d c o l l e c t o r s y s t e m s ，i n p r o c 13 t hi e e ep h o t o v o l t a i cs p e c i a l i s t s ，w a s h i n g t o nd c ， u s a 1 1 5 3 1 1 5 7 ，1 9 7 9 【3 】a i b a a l ia a ，i m p r o v i n gt h ep o w e ro fas o l a rp a n e lb yc o o l i n ga n dl i g h t c o n c e n t r a t i n g ，s o l a ra n d w i n d t e c h n o l o g y ，v 0 1 3 p p 2 4 1 2 4 5 1 9 8 6 4 】b e r g e n et a n dl o v v i ko m ，m o d e lc a l c u l a t i o n so naf l a t p l a t e s o l a rh e a t c o l l e c t o r 、v l t l li n t e g r a t e ds o l a rc e l l s ，s o l a r e n e r g y ，v 0 1 5 5 p p 4 5 3 - 4 6 2 1 9 9 5 【5 1b h a r g a v aa k ，g a r gh ，p a n da g a r w a lr k ，s t u d yo f ah y b r i ds o l a rs y s t e m s o l a ra i rh e a t e rc o m b i n e dw i t hs o l a rc e l l s ，e n e r g y c o n v e r s m g m t v 0 1 31 ，4 7 1 - 4 7 9 1 9 9 l 【6 】b r i n k w o r t hb j ，c r o s sb m ，m a r s h a l lr h a n dy a n g h ，t h e r m a lr e g u l a t i o no f p h o t o v o l t a i cc l a d d i n g ，s o l a re n e r g yv 0 1 6 1 ，p p 1 6 9 - 1 7 8 1 9 9 7 7 】b r o g r e nm ，r o n n e l i dm a n dk a d s o n b ，p v - t h e r m a lh y b r i dl o w c o n c e n t r a t i n g c p cm o d u l e ，i np r o c 16 t he u r o p e a np vs o l a re n e r g yc o n f ，g l a s g o w , u kv o l3 ， p p 2 1 2 l 2 1 2 4 2 0 0 0 【8 】c o xc h a n dr a g h u r a m a np ，d e s i g n c o n s i d e r a t i o n sf o rf l a t - # a t e p h o t o v o l t a i c 。 t h e r m a lc o l l e c t o r s ，s o l a re n e r g y ，v o l 3 5 ，p p 2 2 7 - 2 4 5 1 9 8 5 9 】e l a z a r ia ，m u l t is o l a rs y s t e m ，s o l a rm u l t i m o d u l ef o re l e c t r i c a la n dh o tw a t e r s u p p l yf o rr e s i d e n t i a l l yb r a i d i n g ，i np r o c o f2 n dw o r l dc o n f e r e n c ea n de x h i b i t i o n o np h o t o - v o l t a i cs o l a re n e r g yc o n v e r s i o n ，v i e n n a , a u s t r i a ，p p 2 4 3 0 - - 2 4 3 3 1 9 9 8 【1 0 】f l o r s c h u e t zl w ，e x t e n s i o no ft h eh o t t e l - w h i l l i e rm o d e lt ot h ea n a l y s i so f c o m b i n e dp h o t o v o l t a i c t h e r m a lf i a t p l a t e c o l l e c t o r s ，s o l a re n e r g y ，v 0 1 2 2 ， p p 3 6 1 3 6 6 1 9 7 9 【l l 】g a r gh p ，a g a r w a lr k a n db h a r g a v aa k ，t h ee f f e c to fp l a n eb o o s t e r r e f l e c t o r so nt h ep e r f o r m a n c eo fas o l a ra i rh e a t e rw i t hs o l a rc e l l ss u i t a b l ef o ras o l a r 第二章光伏光热一体化( p v r r )