基于平板热管太阳能光伏光热系统实验研究.doc

基于平板热管的太阳能光伏光热系统实验研究 摘要：为提高太阳能的利用率，同时得到可资利用的电力与热能，将新型平板热管用于光伏光热系统。在有效降低太阳能电池板温度提高发电效率的同时，通过强制循环水溶液将太阳能电池散热量存贮起来，用于建筑物热水供应或地板辐射采暖。本文在采暖季末期进行了光伏光热系统实验测试，结果表明，900W太阳能电池板的散热量可以满足15m2建筑物的采暖需求。系统瞬时热效率可达25.8%，发电效率达到14.5%，综合性能效率达到40.3%，比同等条件下单独的光伏或热利用系统效率有明显提高。 关键词：光电 光热 地板辐射采暖 平板热管 1 引言 太阳能光伏发电由于电力的能级品位最高，清洁，源源不断等优势成为我国乃至世界绿色能源的发展方向。目前影响或制约太阳能光伏产业发展的重要因素是光伏发电的效率低和成本高。传统认识上，提高太阳能光伏发电效率往往只关注在硅晶或非晶材料的改进上。而实际上，硅晶电池的发电效率严重依赖其温度条件，据统计电池组件温度每1K输出电量0.2%～0.5%[]。一般商用太阳电池的光电转换效率为6%～15%，未被利用的太阳辐射能除了一部分被反射外其余大部分被电池吸收转化为热能及时排除PV/T）系统（或太阳能电热联用系统）作为近年来应用太阳能发电的一种新概念，已经引起国内外学者的关注。 国内外针对太阳能光伏光热的研发[2-4]，基本上都是采用空气或水作为电池板的冷却介质，在此基础上用自然循环或强制循环的方式，获得热能实现电热联用。这些技术目前仍处于研究开发阶段，难以大规模产业化利用。其主要原因有系统复杂、体积大、集成难度大、不易维护以及成本高等。因此有必要寻求一种合理、高效、成本较低的散热机制将热量带走, 并且有效利用这些热量使系统能够持续稳定运行。赵耀华等人提出了新型平板热管[5]作为传热元件用于太阳能电池板的散热与热利用。此新型平板热管解决了利用常规圆形热管必然出现的多次接触热阻，极大提高了当量蒸汽的换热面积与整体热管的可靠性，且成本低廉，具有目前产业化的常规热管不可比拟的优良特性。北京工业大学建立了一套基于平板热管的太阳能光伏光热系统实验台，并对系统性能进行了测试，以期为工程应用提供可靠的理论依据。 2 基于平板热管太阳能光伏光热系统原理与实验装置 在太阳能电池背面敷设流体通道是目前PV/T系统的核心。而本系统将新型平板热管这一高效传热元件应用到太阳能光伏光热系统中。平板热管为铝制，厚度为2-3mm，宽度为28mm，长度根据需要制作。其内部设置多个独立运行的微热管。该平板热管独特的优点有成本低、高效率、轻巧及结构紧凑等。平板热管、光伏电池板、集热水槽及保温层构成了光伏光热系统的重要部件即太阳能光伏光热组件（电热板），其结构如图1所示。将平板热管并排敷设于电池板背部，热管的吸热段吸收电池板的散热量，在热管的放热段将热量传递至集热水槽的水溶液。光伏电池板与热管，及热管与集热水槽间为干式接触，中间涂有导热硅胶减少传热热阻。 太阳能光伏光热实验系统由光伏发电、集热循环、地板辐射采暖循环及监控装置几部分组成，如图 1-玻璃 2-EVA 3-硅晶片 4-互连条 5-TPT 6-平板热管 7-电极引线 8-集热水槽 9-保温层 图１太阳能光伏光热组件示意图 2所示。系统采用10块90W光伏电池板（1194mm×542mm）。电池输出特性参数由电压表及电流表测量，并采用配套组态软件进行实时采集。集热循环由电热板背部的集热水槽、连接管路、水泵及储水箱组成。储水箱容积为300L，内设换热盘管与1500W辅助电加热棒。地板辐射采暖循环由集分水器、地盘管、循环水泵、膨胀水箱及储热水箱内的换热盘管组成循环回路，为15m2房间提供采暖所需热量。监控装置包括光电控制器、光热控制器、辐射计、风速仪、超声波流量计、热电偶等。 系统测量参数包括：太阳辐射强度( W/m2)，环境温度(℃)，环境风速(m/s)，电池板工作电流(A)，电池板工作电压（V），电池板表面温度（℃），储热水箱温度（℃），储热水箱存水量（kg），室内温度（℃），地板表面温度（℃），集热循环水流量(L/min)，采暖循环水流量(L/min)。 图２ 太阳能光伏光热系统示意图 系统采用光电效率与光热效率之和来评价系统光电光热综合性能， 即总效率为： （1） 太阳能电池板的光电转换效率采用如下公式计算[11]： （2） 其中，为电池板输出功率（W）；为包括删线图形面积在内的太阳能电池总面积（m2）。 光热效率为集热时间内有效得热量与其总太阳辐射量的比值： （3） 其中