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摘要:針對太陽能電池冷卻方式的優(yōu)缺點,對新型的光伏太陽能熱泵系統(tǒng)(PV-SAHP)進行了實驗研究。搭建了光伏太陽能熱泵系統(tǒng)(PV-SAHP),該系統(tǒng)可以有效降低太陽能電池的工作溫度,溫度平均下降10℃,最高降溫可達18℃,光伏發(fā)電效率提升約5%,由實驗結(jié)果顯示,該系統(tǒng)可以有效降低太陽能電池的溫度,提高太陽能的綜合利用率。
關(guān)鍵詞:光伏發(fā)電;PV-SAHP系統(tǒng);實驗研究;光伏電池冷卻
隨著光伏發(fā)電技術(shù)的日益成熟,光伏發(fā)電在全世界取得了迅速發(fā)展,太陽能電池是光伏發(fā)電的核心,晶體硅太陽能電池的發(fā)電效率依賴其工作溫度,研究表明,太陽能電池工作溫度上升1℃,電池輸出功率隨之降低0.5%[1]。大部分太陽輻射能在電池表面轉(zhuǎn)化成了熱量,特定條件下時,其工作溫度甚至將達到80℃[2],過高的工作溫度不僅會降低太陽能電池的工作效率,也會存在安全隱患。因此,有必要采取措施對太陽能電池進行降溫處理,提高光伏發(fā)電效率。
在降低太陽能電池溫度的同時,將流體帶走的熱量加以利用,這種系統(tǒng)在提高發(fā)電效率的同時還可以提供熱能,可稱之為光伏光熱一體化(PV/T)系統(tǒng)。同樣外部條件下,PV/T系統(tǒng)可以更有效地降低太陽能電池工作溫度。而實際情況中為了盡可能有效降低太陽能電池溫度,PV/T集熱器進口冷卻水溫度較低,這種情況下使得PV/T集熱器出口水溫也較低,PV/T集熱器收集的太陽輻射能量不能得到高效利用[3]。PV-SAHP系統(tǒng)將太陽能電池和熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器結(jié)合在一起,形成PV蒸發(fā)器。PV蒸發(fā)器接收到的太陽輻照中,一部分用于光伏發(fā)電,另一部分的能量由PV蒸發(fā)器吸收,經(jīng)熱泵系統(tǒng)循環(huán)提升后得到可供利用的熱量。PV-SAHP系統(tǒng)不僅可以有效降低太陽能電池溫度,還可以提高熱泵的效率[4]。
2實驗原理及裝置PV-SAHP
系統(tǒng)實驗原理是在太陽能電池背面設(shè)置冷卻盤管,冷卻盤管也作為蒸汽壓縮式熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器,制冷劑在冷卻盤管中通過相變吸收太陽能電池散發(fā)的熱量,從而達到對太陽能電池降溫的目的,同時熱泵系統(tǒng)將蒸發(fā)器吸收的熱量循環(huán)后通過冷凝器放出,可以用于生活供熱。實驗裝置及測點示意圖如圖1所示。
3實驗結(jié)果分析
3.1太陽能電池工作溫度的變化
圖2和圖3為無冷卻和有冷卻條件下,連續(xù)兩天太陽能電池的工作溫度變化曲線??梢钥闯鲈跓岜孟到y(tǒng)工作階段,太陽能電池工作溫度明顯下降。08-29溫度最高時刻為14:00,兩組太陽能電池工作溫度均為最高,有冷卻組最高溫度為45℃,無冷卻組最高溫度為55℃。溫差在14:00也為一天中最大,溫差為10℃。08-30溫度最高時刻為15:00,兩組太陽能電池工作溫度均為最高,有冷卻組最高溫度為45℃,無冷卻組最高溫度為63℃。溫差在15:00也為一天中最大,溫差為18℃。通過實驗結(jié)果,在系統(tǒng)工作時間內(nèi),08-29太陽能電池溫度平均下降8℃,08-30太陽能電池溫度平均下降12℃。這顯示了熱泵蒸發(fā)器對太陽能電池有良好的降溫作用,這對于太陽能電池發(fā)電是十分重要的。
3.2太陽能電池發(fā)電功率的變化
圖4和圖5為無冷卻和有冷卻條件下,連續(xù)兩日太陽能電池的發(fā)電功率曲線。在相同的環(huán)境條件下,可以看出在制冷裝置工作階段,有冷卻的太陽能電池發(fā)電功率明顯高于無冷卻的太陽能電池組的發(fā)電功率。08-29發(fā)電功率最高時刻為14:00,兩組太陽能電池發(fā)電功率均為最高,有冷卻組最高發(fā)電功率為181.1W,無冷卻組最高發(fā)電功率為172.2W。功率提升的幅度在14:00也為一天中最大,功率提升最大為8.9W。08-30溫度最高時刻為15:00,兩組太陽能電池發(fā)電功率均為最高,有冷卻組最高發(fā)電功率為176.1W,無冷卻組最高發(fā)電功率為165.5W。功率提升的幅度在15:00也為一天中最大,功率提升最大為11.1W。通過分析實驗結(jié)果得到,在熱泵蒸發(fā)器將太陽能電池降溫幅度最大的時刻(08-29T14:00、08-30T15:00),也是太陽能電池發(fā)電功率最高的時刻,這再一次證明了熱泵系統(tǒng)對太陽能電池發(fā)電功率有著積極的正面作用。在系統(tǒng)工作時間內(nèi),08-29太陽能電池發(fā)電功率平均提升6.9W,提升幅度約為4%;08-30太陽能電池發(fā)電功率平均提升8.2W,提升幅度約為5%。
4結(jié)論
PV-SAHP系統(tǒng)可以有效降低太陽能電池的工作溫度,提高光伏發(fā)電功率,并且將太陽能電池余熱高效利用,實現(xiàn)了太陽能的雙重使用,提高系統(tǒng)的節(jié)能效果。本文對PV-SAHP系統(tǒng)進行了實驗研究和混合預(yù)測,得到如下結(jié)論:①PV-SAHP系統(tǒng)將太陽能電池和太陽能熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器結(jié)合在一起,形成PV蒸發(fā)器。PV-SAHP系統(tǒng)不僅可以有效降低太陽能電池溫度,還可以提高熱泵的效率。②搭建了光伏太陽能熱泵系統(tǒng),PV蒸發(fā)器可以有效降低太陽能電池的工作溫度,最高降溫可達18℃,平均下降10℃,光伏發(fā)電效率平均提升約5%。
作者:宮冠軍 單位:中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司