太阳能光伏光热一体化组件的应用特性研究

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3.0 牛悦 2024-11-11 5 4 3.67MB 100 页 15积分

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摘要

合理高效的用能已经不能及时填补社会经济发展所带来的能源紧张与环境污

染等问题，所以开发利用新能源显得尤为重要。针对光伏发电系统普遍推广的应

用现状及高效利用新能源的思想，提出太阳能光伏光热一体化（PV/T）组件的应

用研究。本文根据上海市日照条件，分析了 PV/T组件最佳倾角的计算方法并得出

并网系统最佳倾角为 22°，并对 PV/T系统中 PV/T组件、逆变器、保温水箱及循

环水泵等设备进行选型设计。同时设计光伏方阵为同等功率的固定式光伏发电

（FPV）系统和双轴追踪式光伏发电（TPV）系统作为参照。最后根据研究目的制

定了实验方案，并在此基础上介绍了实验装置的应用。

PV/T组件应用特性实验研究表明，本文提出的 PV/T组件最佳流量值为

1.1m³/h 时，并讨论了流量取值范围对组件综合效率的影响。对不同循环水温下，

PV/T 组件相对 FPV 组件的发电量减小不到 5%，随着循环水温度的升高日平均热

效率最高下降 17%。相同气象条件下，循环水起始温度为 23℃和 28℃，日得热量

相差 15%，日发电量相差 7%。本实验装置在不同季节中，起始水温小于等于室外

平均温度时，晴天可以将循环水升温 15～18℃，多云天气可以将水升温 10～13℃，

阴天可以将水升温 3～6℃，雨天基本不会加热热水， PV/T组件日平均热效率 28%

左右。本实验装置中当日辐照总量＜2 kWh/㎡时，TPV 系统比 FPV 系统的日发电

量低 3%左右；当日辐照总量＞4 kWh/㎡时，TPV 系统比 FPV 系统日发电量高

12%～25%，PV/T系统比 FPV 系统日发电量少 2%～5%。上海地区进行 PV/T系

统理论发电量计算时需要乘以一个温度影响损失因子 0.95 进行修正，PV/T组件比

FPV 组件年发电量低 4%，TPV 组件比 FPV 组件年发电量高 19%，为上海地区 PV/T

系统及 FPV 系统设计提供依据。PV/T系统年得热量为 9700MJ，相对于 FPV 系统

增加的投资回收期需要 10 年，经济性不高，但从节能效益看，不仅相对于 FPV 系

统发电可以减少相应污染物的排放，制热水所得的热量在寿命期内也可以减少

15.8t 二氧化碳的排放。

最后根据 PV/T组件的（火用）效率分析，得出 PV/T组件得热（火用）效率

在70%左右；根据实测数据分析结论提出 PV/T与空气源热泵联合制热水系统，

该方式比同等条件下空气源热泵单独制热水节约 80%的运行费用。本文的实验数

据为 PV/T组件将来的应用和推广提供借鉴和参考。

关键词：太阳能光伏光热 PV/T PV 电效率热效率（火用）

ABSTRACT

Reasonable and efficient energy use can’t make up the by-product problems of

economic growth, such as energy shortage, environment pollution and so on. This

makes it more urgent to take use of new energy. Considering the current condition that

the photovoltaic system is installed enormously, the paper puts forward application

study of a hybrid photovoltaic/thermal (PV/T) solar system. The article firstly analysed

computing method of the best pit angle according to sunlight condition of Shanghai and

worked out that if connect to grid dip angle 22°is best for the yearly operation PV/T

system. And the paper also did the selection of design for the PV/T unit, inverter, water

tank and circulate pump. Meanwhile, the paper designed photovoltaic phalanx for the

same power stationary photovoltaic power generation (FPV) system and twin screw

tracking type photovoltaic power generation (TPV) system as a reference. Finally, the

experiment scheme was made according to the research purpose, and on this basis, the

paper gave the device application.

PV/T module application characteristics experimental study showed the best flow

value of PV/T collector system was 1.1m³/h, at the same time, the paper also discussed

the influence of the flow value range on the PV/T unit. Under the different recycled

water temperature, the amount would reduce less than 5% compared to FPV system. As

the rise of recycled water temperature, the average thermal efficiency would highest fell

by 17%.Under the same environmental conditions, the initial temperature of circulating

water was23 ℃ and30℃,and the difference in daily heating and daily electric energy

production was 15 percent and 7 percent. In this experiment system different seasons,

when the temperature of circulating water was approximate to circulating water, we

could increase the temperature of circulating water to 15-18℃ on a clear day. On a

cloudy day, we could increase the temperature of circulating water to 10-13℃ and on

an overcast sky, we could increase it to 3-6℃.On a rainy day, we almost needn’t heat

the water. It can meet the different needs of different summer days, the all-day average

thermal efficiency of PV/T components was almost at 28%.In this experiment system

when total amount of irradiation was short of 2 kWh/㎡, the generating capacity of TPV

system would be lower about 3 percent than FPV system. When the total amount of

irradiation was greater than 4 kWh / ㎡, the daily electricity of TPV system was higher

about 12-25 percent than the FPV system . PV/T system was less 2% ~ 5%than FPV

system in daily electricity. The capacity of the theory calculation should fix the

photovoltaic power generation with a temperature effects coefficient about 0.95.And the

power generation of FPV was higher about 4 percent than the PV/T module ,while TPV

module was higher about 19 percent than FPV module. It could provide a basis for the

design of PV/T system and FPV system in Shanghai. The total heat gaining in one year

of FPV system was 9700MJ .Compared with FPV system, the payback period of PV/T

system was 10 years longer, so the economy performance seemed not very high. But for

energy efficiency, PV/T system not only could reduce the corresponding pollutant

emissions, but also could reduce 15.8 tons of carbon dioxide emissions by using the

heat of producing hot water in its lifetime.

It was found that the heating efficiency of PV/T module was about 70 percent

according to the analysis of PV/T module efficiency. At the same time, according to the

experimental data analysis, a PV/T system and air source heat pump hot water coalition

experimental apparatus were designed. It could save about 80 percent of the operation

cost than heating only by air source heat pump .The experimental data in the paper

provide reference for the PV/T module in its future photovoltaic system.

Key Words: SolarEnergy，Photovoltaic and photo-thermal，PV/T，

PV，Electrical Efficiency，Thermal Efficiency，Exergy

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .............................................................................................................. 1

1.1 课题研究背景 ................................................................................................... 1

1.1.1 我国太阳能资源分布情况 .................................................................... 1

1.1.2 太阳能光伏发电发展情况 .................................................................... 2

1.2 太阳能光伏发电系统及光伏光热一体化系统简述 ....................................... 3

1.2.1 太阳能光伏发电系统应用的基本形式 ................................................ 3

1.2.2 太阳能光伏光热一体化系统 ................................................................ 4

1.2.3 太阳能光伏发电系统面临的问题 ........................................................ 5

1.3 太阳能光伏发电系统及光伏光热一体化组件应用研究现状 ....................... 6

1.3.1 太阳能光伏发电系统应用研究现状 .................................................... 6

1.3.2 光伏光热一体化组件应用研究现状 .................................................... 7

1.4 本课题研究的主要内容 ................................................................................... 8

1.5 本章小结 ........................................................................................................... 9

第二章太阳能光伏光热发电实验系统设计 ............................................................ 10

2.1 设计原则及实验研究所在地概况 ................................................................. 10

2.1.1 设计原则 .............................................................................................. 10

2.1.2 实验研究所在地概况 .......................................................................... 10

2.2 太阳能光伏光热发电实验系统方案确定 ...................................................... 11

2.2.1 实验系统方案确定 ............................................................................... 11

2.2.2 实验系统基本组成 .............................................................................. 12

2.2.3 实验系统工作原理 .............................................................................. 13

2.3 太阳能光伏光热发电实验系统选型设计 ..................................................... 14

2.3.1 PV/T 组件方阵倾角的确定[29-31] ......................................................... 14

2.3.2 PV/T 组件方阵容量确定 [29，32-33] ....................................................... 17

2.3.3 PV/T 组件方阵的选型设计 ................................................................. 19

2.3.4 并网逆变器的选型设计 ...................................................................... 23

2.3.5 供电系统的基础建设[32-34] .................................................................. 24

2.3.6 保温水箱容量确定 .............................................................................. 24

2.3.7 集热循环水泵选型设计 ...................................................................... 25

2.3.8 水箱恒温水系统选型设计 .................................................................. 25

2.4 太阳能光伏发电实验系统选型设计 ............................................................. 28

2.5 太阳能光伏光热系统及光伏系统年发电量理论计算 ................................. 28

2.6 本章小结 ......................................................................................................... 30

第三章太阳能光伏光热发电系统实验方案设计 .................................................... 31

3.1 实验目的及实验内容 ..................................................................................... 31

3.1.1 实验目的 .............................................................................................. 31

3.1.2 实验内容 .............................................................................................. 32

3.2 实验装置的介绍 ............................................................................................. 34

3.2.1 实验装置组成 ...................................................................................... 34

3.2.2 实验系统的电气控制系统 .................................................................. 36

3.2.3 实验系统数据采集 .............................................................................. 37

3.2.4 实验室采集软件 .................................................................................. 41

3.3 本章小结 ......................................................................................................... 43

第四章实验数据处理与分析 .................................................................................... 44

4.1 PV/T 组件在不同流量下制热水的性能实验 ................................................ 44

4.1.1 流量 0.7m³/h 条件下制热水的实验分析 ............................................ 44

4.1.2 流量 1.1m³/h 条件下制热水的实验分析 ............................................ 47

4.1.3 流量 1.3m³/h 条件下制热水的实验分析 ............................................ 49

4.1.4 不同流量下制热水的综合实验分析 .................................................. 50

4.2 PV/T 组件在不同供热模式下的性能实验 .................................................... 52

4.2.1 水温 40℃条件下的性能实验分析 ..................................................... 52

4.2.2 水温 30℃条件下的性能实验分析 ..................................................... 54

4.2.3 水温 20℃条件下的性能实验分析 ..................................................... 56

4.3 PV/T 组件全天性能实验分析 ........................................................................ 58

4.4 PV/T 组件在不同环境下的性能实验分析 .................................................... 60

4.4.1 不同室外天气下系统应用实验分析 .................................................. 61

4.4.2 不同季节晴好天气里系统应用实验分析 .......................................... 62

4.5 PV/T 组件同 PV 组件应用对比实验分析 ..................................................... 65

4.5.1 组件特性应用对比实验分析 .............................................................. 65

4.5.2 系统发电量对比分析 .......................................................................... 67

4.5.3 PV/T 系统理论与实测发电量对比实验分析 ..................................... 69

4.6 PV/T 组件相对 PV 组件的节能环保效益实验分析 ..................................... 70

4.6.1 节能性与经济性实验分析 .................................................................. 70

4.6.2 环保综合效益实验分析 ...................................................................... 73

4.7 本章小结 ......................................................................................................... 74

第五章 PV/T-ACHP 联合制热水设计构想及分析 ................................................... 77

5.1 PV/T 组件（火用）效率分析 ........................................................................ 77

5.1.1 （火用）分析基本理论[40-42] .............................................................. 77

5.1.2 PV/T 组件（火用）效率分析[41] ......................................................... 79

5.2 PV/T-ACHP 系统设计 ..................................................................................... 82

5.2.1 系统方案思路 ...................................................................................... 82

5.2.2 系统工作原理 ...................................................................................... 83

5.2.3 系统设计 .............................................................................................. 84

5.3 PV/T-ACHP 系统制热水经济效益 ................................................................. 85

5.4 本章小结 ......................................................................................................... 86

第六章结论与展望 .................................................................................................... 88

6.1 主要研究成果 ................................................................................................. 88

6.2 需要进一步开展的工作 ................................................................................. 90

6.3 展望 ................................................................................................................. 90

参考文献 ........................................................................................................................ 92

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 95

一、论文 ................................................................................................................ 95

二、专利 ................................................................................................................ 95

三、科研项目 ........................................................................................................ 96

致谢 ............................................................................................................................ 97

第一章绪论

- 1 -

第一章绪论

1.1 课题研究背景

随着化石能源的一步步消耗，能源危机已经展现在人类的眼前，在21世纪初

进行的关于世界能源储量调查结果显示：天然气可采量61年，石油可采量39.9年，

煤炭可采量227年[1]。全球变暖的现实不断向世界各国敲响警钟，全球面临着温室

气体排放、臭氧层破坏、海平面上升和生物多样性破坏等环境问题[2]。合理高效的

用能已不能及时填补社会经济发展所带来的污染与破坏，一次能源的日益缺乏及

由此引发的能源安全问题与环境问题的日益暴露，合理开发洁净可再生能源就显

得具有非常重要的战略意义。在开发洁净再生能源中，美国—风能首当其冲，日

本—太阳能铺就新能源路，英国—风能核能并举，冰岛—利用地热不再依赖石油。

于是，合理有效的开发利用洁净可再生能源已成为当前全球所共同关注和面对的

第一核心问题。

1.1.1 我国太阳能资源分布情况

在所有洁净可再生能源中，无可置疑太阳能是人类可利用的最直接的洁净能

源之一，也是各种可再生能源中最普遍的能源。充分开发利用太阳能是世界各国

政府可持续发展的能源战略决策[3]。我国是太阳能资源相当丰富的国家，绝大多数

地区年平均日辐射量在 4 kWh/m2.d 以上，西藏最高达 7 kWh/m2.d。我国太阳能资

源分布如图 1-1 所示。

图1-1 中国太阳能资源分布图

太阳能光伏光热一体化组件的应用特性研究

- 2 -

由图 1-1 可知，我国的太阳能资源分布为西部多，东部少。西部已经大力开发

利用太阳能，但是东部的发展远远胜于西部，在发展的过程中能耗也要远远高于

西部，所以在东部应当积极开发新型太阳能的利用方法，实现能源的综合利用，

提高太阳能的利用率，为能源危机及环境日益恶化的问题做贡献，太阳能目前主

要有三大应用技术领域：光热转换、光电转换和光化学转换。应用较普遍的为光

热与光电转换两种。太阳能光伏发电属于光电转换技术领域。

1.1.2 太阳能光伏发电发展情况

太阳能光伏发电技术，因为不消耗矿物燃料、无污染、使用安全方便等特点，

备受世界各国的重视，日益成为太阳能应用的主要研究方向[4]。最近五年，世界光

伏产业发展非常迅速，年平均增长率达到 71%（从 2005 年的 1.76GW 增加到 2011

年的 37.20GW）。太阳能电池的产量增长迅速，说明了太阳能发电在能源利用中占

据着重要的位置。

根据欧洲 JRC 的预测，到 2030 年可再生能源在总能源结构中占到 30%以上，

太阳能光伏发电在世界总电力的供应中达到 10%以上；2040 年可再生能源占总能

耗50%以上，太阳能光伏发电将占总电力的 20%以上；到 21 世纪末可再生能源在

能源结构中占到 80%以上，太阳能发电占到 60%以上，显示出重要战略地位[5]。

图1-2 为世界各国太阳能电池产量对比图。

图1-2 世界各国太阳能电池产量对比图

由图 1-2 可知，近几年我国太阳能电池产量一直稳居第一，比其他国家的生产

量要高出很多。说明在新能源的开发利用中，太阳能发电技术无疑占据了主要的

力量，同时，我过在光伏产业中贡献巨大。图 1-3 为近几年我国光伏组件产量、装

机量及出口比例图。

第一章绪论

- 3 -

图1-3 近几年我国光伏组件产量、装机量及出口比例图

由图 1-3 知，我们国家的光伏组件的生产量虽然很大，但大部分都是出口国外，

国内的光伏组件安装量尽管近几年在不断的增长，但是对于组件的生产量来说，

还是微不足道的。由于光伏组件大面积推广，价格降低，这样就迎来了光伏组件

的冬天，光伏系统的春天，太阳能光伏发电系统由于成本的大幅度下降及国家政

策的鼓励支持，如今全国范围大面积安装。

1.2 太阳能光伏发电系统及光伏光热一体化系统简述

太阳能光伏发电系统主要包括太阳能电池组件、逆变器、控制器、蓄电池及

交直流防雷配电柜。光伏光热一体化（PV/T）系统会在光伏系统的基础上增加集

热循环水泵、保温水箱，并用 PV/T组件替换光伏组件。

1.2.1 太阳能光伏发电系统应用的基本形式

太阳能光伏发电系统根据结构形式主要分为独立系统和并网系统。

（1）太阳能独立光伏发电系统

太阳能独立光伏发电系统又称为离网光伏发电系统，它没有与公共电网相联

接，主要应用于比较偏远的地区，这些地区离公共电网比较远；还应用于一些特

殊的场所，比如为一些偏远地区海岛、高原、荒漠等这些公共电网难以覆盖的地

区提供生活用电，为内海航标与气象台等特殊场所提供电源。这种发电系统在我

国已经有一定程度的发展，对于解决一些不通电地区人们的基本生活用电问题提

供了保证。

（2）太阳能并网光伏发电系统

100

1000

10000

100000

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

年产量（MWp）

年装机（MWp）

出口比例（%）

时间/年

组

件

装

机

量

及

产

量

/MWp

百

分

百

太阳能光伏光热一体化组件的应用特性研究

- 4 -

太阳能光伏并网发电系统又称为联网系统，运行时与电网连接，该系统最大

的特点是太阳能电池发的电直接接入公共电网，所产生电力除了供给交流负载外，

多余的电力会反馈给电网。在阴雨天或夜晚，太阳电池方阵发电较少或者不发电，

满足不了负载需求时就由电网供电。系统中需使用专用的并网逆变器，以保证输

出的电力满足电网电力对电压、频率等电性能指标的要求。同时并网光伏发电系

统作为一种分散式发电系统，也会对传统的集中供电系统的电网产生一些不良的

影响，例如谐波污染、孤岛效应等[6]。

太阳能光伏发电系统根据光伏组件支架系统的形式进行分类，大致可固定式、

单轴追踪式和双轴追踪式。

（1）太阳能固定支架式光伏发电系统（Solar photovoltaic power generation

system of fixed Angle type），简写成 FPV 系统。该系统在应用中比较广泛，可在任

何地方与环境中使用，受外界自然条件的影响较小，根据设计所在地组件最佳倾

斜角度固定太阳能光伏组件，即电池板固定在某个角度，不随太阳的位置变化而

变化。这种系统严重影响光电转化效率，据推算：如果光电系统与太阳光线角度

存在 25°偏差，就会因垂直入射的辐射能减少而使光伏阵列输出功率下降 10%左右。

（2）太阳能单轴跟踪式光伏发电系统，顾名思义，即只有一个旋转轴，来改

变电池板的位置角度，来达到太阳光线垂直于电池面板光射强度的最大化，从而

提高光伏转化率。

（3）太阳能双轴跟踪式光伏发电系统（Solar photovoltaic power generation

system tracking Angle type），简写成 TPV 系统。该系统是指具备两个方向的旋转轴。

这样电池板可以在太阳的方位角，以及高度角上同时跟踪太阳。从而达到电池板

保持垂直于太阳光线。双轴跟踪适合在纬度高于 40°的地区使用，可以提高 35-45%

的发电量。

1.2.2 太阳能光伏光热一体化系统

随着光伏发电技术不断成熟，光伏电池的电效率有了很大的提高，但是光电

效率的绝对数值依然较低,照射到光伏电池表面的太阳辐射能 80%以上并未转化

为电能，而是转化为光伏电池的热能损失掉，而光伏电池的光电效率又随着工作

温度的升高而降低,若不对电池采取有效的冷却措施，电池的工作温度将迅速上升，

导致光电效率的下降。

出于以上原因，为尽可能使电池效率保持在较高水平，人们通过在电池背面

敷设流体通道带走热量以降低电池温度，这样既能维持电池温度，提高发电效率，

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摘要合理高效的用能已经不能及时填补社会经济发展所带来的能源紧张与环境污染等问题，所以开发利用新能源显得尤为重要。针对光伏发电系统普遍推广的应用现状及高效利用新能源的思想，提出太阳能光伏光热一体化（PV/T）组件的应用研究。本文根据上海市日照条件，分析了PV/T组件最佳倾角的计算方法并得出并网系统最佳倾角为22°，并对PV/T系统中PV/T组件、逆变器、保温水箱及循环水泵等设备进行选型设计。同时设计光伏方阵为同等功率的固定式光伏发电（FPV）系统和双轴追踪式光伏发电（TPV）系统作为参照。最后根据研究目的制定了实验方案，并在此基础上介绍了实验装置的应用。PV/T组件应用特性实验研究表明，本文提出...

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