一种透明光伏组件与平板集热器耦合为一体的PV/T系统性能研究

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普通太阳电池的光电效率为10%—20%左右,而未被转变为电能的入射太阳辐射(80%—90%)除了少部分被反射回去外,其余将被转变为热能及透射辐射散失掉,充分利用光伏发电过程中剩余的热能和透射热将有助于提高整个系统在单位面积上对太阳能的综合利用率。因此,把光伏和集热板集成一体构成光电光热(PV/T)系统,具有重要的意义。本文设计制作了一套PV/T系统,将透明光伏组件与常规平板集热器耦合为一体,并阐述了太阳能光伏、光热利用的原理和特点,分析了目前国内外太阳能光伏光热系统的发展水平和利用现状,并对此作了综述。对制作好的PV/T复合系统、独立光伏系统及常规平板太阳能热水系统,在昆明地区的太阳辐射情况下进行实验研究。测试结果表明,制作的PV/T复合系统的平均电效率、热效率、综合效率分别在13.2%、44%、54.2%左右;测试还表明初始水温越低、系统的产水量越多及热损失越小,PV/T系统的光电光热综合性能越高。PV/T系统电特性与独立光伏系统对比,结果表明,PV/T系统电特性较独立光伏系统有0.2%的降低,出现这种现象的原因在于,透明光伏组件背后的热量没有及时被集热板吸收,致使透明光伏组件的温度升高,电效率有所下降。PV/T系统热性能与常规平板太阳能热水系统对比,结果表明,PV/T系统的热效率比平板太阳能热水器的低30%左右。其原因在于:一方面,由于透明光伏组件与吸热板之间存在空气层,且热阻较大,传热有效性受到限制,致使总体的效率不高;另一方面,由于太阳电池的遮挡导致透光率较低(仅0.37),直接辐射到集热板上产生的热量少;此外,还可能与透明光伏组件电池片的排布有关。对PV/T系统的传热进行了分析,分析了光伏电池覆盖率及空气夹层间距对系统热性能的影响,当降低光伏电池覆盖率为0.33时,此时PV/T系统的较电池覆盖率为0.63的PV/T系统平均水箱水温由原来的45.3℃提升到51.4℃,日有用得热量由5.56MJ增加到7.80MJ,日效率由34.18%提高到45.82%,提高11.64%,电效率由13.03%增加到13.16%,增加0.13%。电池覆盖率降低后水箱水温及日得量都可以达到家用太阳热水系统热性能试验要求,表明透明光伏组件与常规平板集热器直接耦合为一体的PV/T系统此种设计方案是可行的。此外,还对透明组件与集热器空气夹层之间的间距进行了分析。该系统可用于城市工业和企业园区、住宅小区、医院社区等,尤可用于电力紧张、无自来水供应的地区。
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