第２６卷第２期２００５年４月太阳能学报
ＡＣＴＡＥＮＥＲＧＩＡＥＳＯＬＡ：ＲＩＳＳＩＮＩＣＡ
Ｖ０１．２６．Ｎｏ．２
Ａｐｒ．，２００５
文章编号：０２５４Ｊ吣％（２０惦）０２ｍ１７０－咐
太阳能光伏光热一体化系统的实验研究
季杰１，程洪波１，何伟１，陆剑平１，Ｔ．Ｔ．Ｃｈｏｗ２（１．中国科学技术大学热科学与能源工程系，合肥２３００２７；２．香港城市大学建筑科学与技术部，中国香港特别行政区）
摘要：为提高太阳能的利用率同时得到可资利用的热水和电力，将小型贮能式光伏系统与家用平板型太阳能热水器结合起来，把光优电池组件层压在热水器的扁盒式铝合金集热板上，构成一套光优光热（ＰＶ／Ｔ）一体化系统，并在合肥地区进行了自然循环模式下的光电光热性能测试。实验结果表明，在晴朗或多云的天气条件下实验系统日平均热效率可达４０％，日平均发电效率约９．５％，系统综合性能效率多在６０％以上，比单独的光伏或热水系统效率有显著提高。
关键词：光伏－热水一体化；自然循环；综合性能效率
中图分类号：ＴＭ６１５文献标识码：Ａ
Ｕ刖舌
理论研究表明单晶硅太阳电池在０℃时的最大理论转换效率只有３０％。在光强一定的条件下，当硅电池自身温度升高时其输出功率将下降，其它因素如光强的大小等对硅电池的能量转换效率也有所影响。在实际应用中，标准条件下硅电池转换效率约为１２—１７％¨Ｊ。可以看出照射到电池表面上的太阳能的８３％以上未能转换为有用能量，相当一部分能量转化成为热能，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，可以在电池背面敷设流体通道带走热量以降低电池温度。如果用水做流体，用这些热量可以制备热水。由此很多研究者尝试构造这样一个太阳能发电同时制备热水的一体化系统。（Ｂｅ唱ｅｎｅ＆Ｂｊｅｒｋｅ，１９９３；Ｆｕｊｉｓａｗａ＆Ｔａｎｉ，１９９７；Ｂ．Ｊ．Ｈｕａｎｇｅｔａｌ，１９９９）
这种光伏光热一体化（ＰＶ／Ｔ）系统可以产生热水和电力两种有用收益，由于水流吸收了使硅电池转换效率下降的余热，成为可以利用的热水，系统的整体有用收益效率将比单一的光伏或热水系统高。Ｂｅｒｇｅｎｅ在理论上指出Ｐｖ／Ｔ系统的效率可达到６０％～８０％【２Ｊ。Ｔａｎｉ和台湾大学的Ｂ．Ｊ．Ｈｕａｎｇ分别做实验研究了低进口水温的强迫对流式ＰＶ／Ｔ系统的性能。Ｂ．Ｊ．Ｈｕａｎｇ的实验结果表明，相比较而
收稿日期：２００３—１１．１２言，无透明盖板、较大Ｋ／Ａ。（水箱和集热面积比）及较大肋片效率的ＰＶ／Ｔ系统具有更大的整体效率∞Ｊ。但是从文献［３］也可以看出，这种系统没有透明盖板，且采用强迫对流模式，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；其次，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。为此我们设计制作了一台建立在家用扁盒式铝合金平板型太阳能热水器基础之上的自然循环式Ｐｖ／Ｔ实验系统，希望该系统在具有较高的整体效率的同时还可以得到温度较高的热水。
１系统原理及设计
在太阳电池背面敷设流体通道是这种ＰＶ／Ｔ系统的核心。为使实验系统具有家庭应用性，实验选用已商品化的太阳能电池与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。系统中电池为多晶硅太阳电池，太阳辐照度１０００Ｗ／ｍ２、温度２５℃的标准状况下这种硅电池的转换效率约为１４．Ｏ％；热水器的集热板为一种目前市场上较为少见的新型扁盒式铝合金集热板，该集热板是用多条厚１ｃｍ、有效宽度８．５ｃｍ、材质厚度１ｍｍ的扁盒式铝合金型条并列拼装而成，上下联管材质相同。集热板结构可见图１。相比于管板式集热板，扁盒式集热板肋片效率可认为等于１，传热效果良好。
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相同的进水温度，扁盒式集热板上下温差比管板式水一体化系统结构及数据采集系统如图３所示。
集热板小，有利于提高光电池的效率和降低热损，
从而提高了系统的综合效率。
图３实验系统（包括数据采集系统）示意图
Ｆｉ昏３７ｒｈｅ
ｓｃｈ咖ａｔｉｃｏｆ她Ｐｖ／Ｔ肌ｄｄａｔａ－ｃｏｌｌｅｃｔ崦ｓｙｓｔｅｍ
…。尸１集热謦结７．，２实验测试及结果讨论
Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｓｔｍｃｔｕｒｅｏｆｓｏｌａｒａｂｓｏｒｂｅｒ
…一’’’’’。一。’一
本实验中，把太阳电池用导热性能良好的胶分别贴附在各扁盒式铝合金型条上半部表面上，其间用不透明ＰＰＩ＇绝缘，表面覆盖以透明的乙烯醋酸乙烯脂（ＥＶＡ）材料，将各层连同铝合金型条用真空层压机（１ａｍｉｎａｔｏｒ）抽真空紧密压制，以保证密封良好，各层接触紧密。太阳电池贴附完成后将各型条并列榫接，拼装成一块完整的复合集电热板。结构示意见图２。层压成形后扁盒式铝合金集热板表面以上的太阳电池组件（包括胶及不透明Ｐ盯）厚度２ｍｍ一３ｍｍ，整个集电热板表面平整。集电热板上盖４ｍｍ厚低铁玻璃盖板，空气夹层厚度约２ｃｍ。背面以聚氨酯发泡绝热，最后玻璃盖板、集电热板和绝热背板一起用铝合金边框密封。
图２复合集电热板结构示意图
Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅ
ｉｎｔｅｇｒａｔｉｖｅ
ｓｏｌａｒｃｏｌｌｅｃｔｏｒｓｔｍｃｔｕｒｅ
光伏系统中，硅电池标况下的能量转换效率１４．０％，电池阵列面积０．７８７５ｍ２，阵列的转换效率约ｌ１．６％。其余部分包括蓄电池和逆变控制器等，可将随太阳辐射不断变化的直流电贮存起来或转变为２２０Ｖ标准交流电供家用电器直接使用。
复合热水器为自然循环式，集热铝板面积为１．６４ｍ２，正南向放置，倾角３８。，水箱横置，水箱容积与集热面积比Ｋ朋。为６１Ｌ／ｍ２。整个光伏热
按照家用太阳能热水器性能测试国家标准的要求，笔者在合肥地区进行了８ｈ的全天室外实验。测量参数包括：太阳辐照量Ｒ，水箱温度Ｌ，环境温度ｔ，工作电压玑，工作电流，ｗ。数据采集仪每５分钟采集一次数据，处理后的实验结果见表ｌ＾．
许多研究者用热效率叩。。和电效率叼。之和叼。来评价ＰＶ／Ｔ系统整体性能。为准确评价ＰＶ／Ｔ系统的能量利用特性，比较Ｐｖ／Ｔ系统与传统热水器以及光伏系统性能的高低，本文采用文献３所定义的系统光热、光电综合性能效率旧ｏ
Ｅｆ＝叼ｔｈ＋叼／叼ｐ０。，
作为系统的性能评价指标。叼。。，为常规电厂的发电效率。和文献３一样，这里取叼～。，＝０．３８。
由表１可见，系统的综合性能效率Ｅｆ在６０％左右，比普通平板型热水器热效率有显著提高，更高于单一光伏系统的效率。同时，经一天日照后热水终温多在５０℃以上，天气晴朗或多云时可达６０℃，可以较好地满足洗浴需要。
由表１可以看出，系统电效率叼。在９．０３％～９．８８％之间波动。叼。低于标况下的电池阵列效率１１．６％，四个原因导致上述结果：玻璃盖板遮盖、电池组件温度较高，最佳工作点偏离以及太阳辐照度低于１０００Ｗ／ｍ２。玻璃盖板的透过率为０．８５—０．９０，透过玻璃直接照射到电池表面的太阳能减少，导致功率损失１０％一１５％；在晴天或多云的天气里电池组件大部分时间内的工作温度高于５０℃，由于电池温度每升高ｌ度输出功率约减少Ｏ．３％ＨＪ，因此与标况２５℃相比，输出功率将减少
８％以上；原阵列效率１１．６％为最佳工作点值，实
太阳能学报２６卷
验未进行最佳工作点跟踪，实际工作点必定与最佳工作点有所偏移；光伏电池的转换效率随太阳辐照度的减少而略微降低。综上，光伏电池效率将如实验结果所示在９．５％波动。计算可知，当电池组件温度较高时此温度对电池效率的影响比其他可变因素（玻璃盖板带来的影响可视为不变，所以不考虑）更为显著。因此在表ｌ中，电效率刀。在热水终温较高（此时电池组件平均温度较高）时较小；而在日平均太阳辐射度较小，热水终温较低时各因素作用效果相当，因此系统电效率并不完全按照热水终温的高低顺序升降。但是总体来看，电效率仍近似随终温的升高而降低。
表１实验结果
Ｔａｂｌｅｌ７ｒｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓ
表中瓦。——进口冷水初温、△ｒ一全天日照水箱温升，Ｌ。——全天最高水温
表１显示，系统热效率田。。多在３０％一５０％之间。
实验系统所用原热水器单一系统的效率约为４５％一
４７％，实验系统多数天数里的热效率低于此值。这是
因为，集热板表面有约一半的面积层压有光伏电池，
到达光伏电池表面的太阳能有约１０％转化成了电能，
从而穿过光伏电池到达吸热铝板的能量减少了约
１０％。这是导致效率降低的主要原因。另外在电池与
集热铝板之间用以粘固的硅胶和用以绝缘的白色不透
明Ｐ门具有一定热阻，导致到达电池组件表面的太阳能所转化成的热能无法快速被集热板管道里的流体带走，从而进一步降低了系统热效率。
从表中还可以看出８月２６日的熟多ｌｆ［率只有２１．３％，尤其低。这是因为初始水温即达弧２℃，远高于妻辫沃数，热损较大，从而导致效率大幅度降低。
影响热水系统效率的因素很多，如进水初始温度，环境温度，太阳辐射强度，吸热板特性，空气夹层厚度等对其都有较大影响。由本实验机的集热铝板结构，肋片效率可视为１，较低从而利于提高效率。由表１可以看出，日均热效率叼。。显著地随环境温度的升高和进水初始温度的降低而升高。如在图４中，８月９日１３：５３之后太阳辐照度维持在一个相对较高的水平时环境温度升高，与该时刻之前相比水温也相应升高得更快，热效率相应提高。
对整修Ｐｖ／Ｔ系统而言，在技术上低进口水温
时刻
图４水箱水温咒、环境温度瓦
和太阳辐照度，全天变化曲线
Ｆｉｇ．４Ｔｈｅｍｅ酗ｕｅｒｎｅｎｔｏｆｔａＩｌｋｔｅｍｐｅｍｔｕｒｅ，
ｓｕｎ．ｏｕ－ｎｄｉｎｇｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａＩｌｄ
ｓｏｌａｒｉｍｄｉ粕ｃｅｏｎＡｕｇｕｓｔ９
利于提高电效率和热效率。如果对于实际应用而言，则用户无法自行调节进口水温，因此在应用上关于进口水温的讨论没有意义。另外，由于热效率电效率和高的热水终温之间都是矛盾无法兼顾，选择合适的Ｋ／Ａ。值对于在效率和热水终温之间取得平衡具有重要意义。
３结论
综合以上分析可以看出，该Ｐｖ／Ｔ系统实验机具有较高的热效率和电效率，系统综合性能效率多大于６０％，比单一热水系统或光伏系统效率有显
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著提高，同时３０℃左右的进水经一天日照后温度可达６０℃以上，连续两天日照则可达到７０℃，可以满足家庭洗浴需要。计算可知，在普通晴或多云的天气里日总辐射量约为１６ＭＪ／ｍ２的情况下系统日发电量约０．３３ｋＷｈ。该实验系统的电池面积ｏ．７８７５ｍ２，略小于集热铝板面积的一半，若将电池布满整个铝板表面，则系统日发电量可达０．６６Ｋｗｈ。贮能式光伏系统中蓄电池充电和放电都有损失，长期运行时蓄电池的总效率因蓄电池的种类及使用方式而异，一般为７０％～８０％ｐｏ。扣除由这一损失，则长期运行时系统日均发电量０．４６～ｏ．５３ｋ矾，可供一盏功率４０ｗ的电灯连续照明１１小时以上。在太阳能丰富的地区如西藏等地日总辐照量较大，系统日发电量也将增多，可满足这些地区家庭的照明需要。
实验系统所用扁盒式铝合金式集热板特点鲜明，如集热面积可通过改变拼装的扁盒式铝合金型条的数目而随意改变；表面乎整，易于将光伏电池真空层压在表面上；尤其重要的是型条之间榫接良好，集热板外表平整美观，便于与建筑结合，应用在极具前途的光伏光热建筑一体化系统中，作为外墙围护结构或铺设在屋顶，在得到热水和电力之外更可以降低建筑热负荷帕Ｊ，是—个有着更为广阔前景的方向。
另一方面，与光伏系统和集热系统相互分离相比，Ｐｖ／Ｔ一体化系统在将光伏电池与铝合金型条层压成形的制作工艺上略为复杂，劳动成本略高，但却节省了独立光伏系统中太阳电池板所必需的玻璃板、金属边框和背板材料，同时节省了太阳电池板封装的劳动成本。因此总体而言，一体化系统的生产成本略小于分离系统成本。另外，与光伏系统和集热系统相互分离相比，一体化系统将太阳电池整合在热水器的吸热表面上，提高了单位集热面积的能量产出，因此在可利用面积有限的场合如屋顶或建筑外墙可以充分利用受光面积得到更多的热电产出。
当然，目前太阳能产品相对常规能源产品来说成本仍然较高，成本回收期较长。Ｐｖ／Ｔ一体化系统提高了能量利用效率，若与建筑相结合更可以使能量利用效率得到进一步提高，将缩短成本回收期。
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（ＰＷＴ）ｉｎｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｓｔｕｄｙ．７１１ｅｓｔｗ嬲ｐｅ舶珊ｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｍｏｄｅｌｏｆｎａｔｕｒａｌｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎａｔＨｅｆｅｉ．ｒｎｌｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ出ｃｉｅｎｃｙｉｓｒｏｕｎｄａｂｏｕｔ９．５％，ｔｈｅｔｈｅ唧ａｌｅ伍ｃｉｅｎｃｙｉｓｏｆｔｅｎｈｉ曲ｅｒｔｈａｌｌ４０％ａｎｄｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｅｎｅＥ盯ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｓｈｉｇｈｅｒｔｈａＩｌ６０％ｏｎａｓｉｎ出ｅｄａｙｗｈｉｃｈｉｓｍｕｃｈｈｉｇｈｅｒｔｈａｎａｐｕｒｅｓｏｌａｒｗａｔｅｒｈｅａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｒａｓｏｌａｒＰＶｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ．
Ｋｅｙ、帕ｒｄｓ：ｓｏｌａｒｈｙｂｒｉｄｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃａｎｄｔｈｅ彻ａｌｓｙｓｔｅｍ；ｎａｔｕｒａｌｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ；ｅｎｅｒｇｙｅｎｅｒｇｙ