一种轻薄型光伏/光热集热器性能分析及实验研究

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.23026

发电技术 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (4): 666-674.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.23026

一种轻薄型光伏/光热集热器性能分析及实验研究

陈艺鑫, 陈健斌, 李旭东, 李勇, 刁永发

东华大学环境科学与工程学院，上海市松江区 201600

收稿日期:2023-06-18 修回日期:2023-09-12 出版日期:2024-08-31 发布日期:2024-08-27
通讯作者: 李勇
作者简介:陈艺鑫(1999)，女，硕士研究生，主要从事太阳能光伏光热利用等方面的研究，2212210@mail.dhu.edu.cn；
陈健斌(1999)，男，硕士研究生，主要从事太阳能光伏光热利用、电能无线传输等方面的研究，jonbinchen@mai.dhu.edu.cn；
李旭东(1998)，男，硕士研究生，主要从事太阳能光热、光伏发电等方面的研究，lxdong1998@163.com；
李勇(1969)，男，博士，教授，主要从事太阳能热利用、发电、蓄存、热驱动制冷，太阳能光伏制冷、空调、除湿系统，综合能源系统与能源互联网等方面的研究，本文通信作者，liyo@dhu.edu.cn；
刁永发(1968)，男，博士，教授，主要从事工业与民用建筑通风空调节能技术、能源高效清洁利用与节能转换技术、流动与传热过程的数值预测原理及其工程应用等方面的研究，diaoyongfa@dhu.edu.cn。
基金资助:
国家重点研发计划项目(2018YFB0905000)

Performance Analysis and Experimental Study of a Kind of Thin and Light Photovoltaic/Thermal Collector

Yixin CHEN, Jianbin CHEN, Xudong LI, Yong LI, Yongfa DIAO

College of Environmental Science and Engineering, Donghua University, Songjiang District, Shanghai 201600, China

Received:2023-06-18 Revised:2023-09-12 Published:2024-08-31 Online:2024-08-27
Contact: Yong LI
Supported by:
National Key Research and Development Program of China(2018YFB0905000)

摘要/Abstract

摘要：

目的野外作业和户外生存对能源的需求越来越大，现有常规供能方式存在一些重要缺陷，例如常规发电机需携带大量燃油、蓄电池重量大等。太阳能光伏/光热(photovoltaic/thermal，PV/T)发电技术可有效解决户外生存和野外作业能源缺乏的问题，而现有的PV/T集热器多为刚性结构、重量大而不便于携带。方法提出一种基于铜铟镓硒薄膜电池和毛细管网相结合的轻薄型PV/T组件，通过实验的方法研究该组件的集热性能及水流量对组件光电、光热转换效率的影响。结果在典型上海气候下，该组件的全天电效率、热效率分别为13.04%、22.50%；在平均辐照度为760 W/m²的实验条件下，水流量为2.1 L/min时，此PV/T的集能性能最优；毛细管网内冷却水可有效降低电池温度(10 ℃)、提高能量利用效率(23.94%)。结论该组件具有高功率密度、轻便灵活的特点，可用于野外作业、户外生存时的能源供给，为户外能源装备的设计提供了新思路。

关键词: 光伏/光热集热器, 毛细管网, 便携式能源装备

Abstract:

Objectives The demand for energy in outdoor work and survival is increasing, and there are some significant shortcomings in the existing conventional energy supply methods, such as the need to carry a large amount of fuel for conventional generators and heavy weight of cells. Solar photovoltaic/thermal (PV/T) technology can effectively solve the problem of lack of energy for outdoor survival and field work. However, most of the existing PV/T collectors are rigid structures with large weight and are not easy to carry. Methods A light and thin PV/T module based on the combination of a Cu(In,Ga)Se₂(CIGS) thin film battery and a piece of capillary network were proposed. The energy collection performance of the module and the impact of water flow rate on the photoelectric and photothermal conversion efficiency of the module were studied experimentally. Results Under the typical Shanghai climate conditions, the all-day electrical efficiency and thermal efficiency of the module are 13.04% and 22.50%, respectively. Under experimental conditions with an average irradiance of 760 ‍W/m², the optimal energy collection performance of this PV/T is achieved when the water flow rate is 2.1 ‍L/min. The cooling water in the capillary network can effectively reduce the cell temperature (by 10 ℃) and improve the energy utilization efficiency (by 23.94%). Conclusions The module has the characteristics of high power density, light weight and flexibility, and can be used for energy supply during outdoor work and survival, providing a new idea for the design of outdoor energy equipment.

Key words: photovoltaic/thermal collectors, capillary network, portable energy equipment

中图分类号:

TK 519

陈艺鑫, 陈健斌, 李旭东, 李勇, 刁永发. 一种轻薄型光伏/光热集热器性能分析及实验研究[J]. 发电技术, 2024, 45(4): 666-674.

Yixin CHEN, Jianbin CHEN, Xudong LI, Yong LI, Yongfa DIAO. Performance Analysis and Experimental Study of a Kind of Thin and Light Photovoltaic/Thermal Collector[J]. Power Generation Technology, 2024, 45(4): 666-674.

图/表 16

图1 新型轻薄型PV/T系统示意图

Fig. 1 Diagram of a new light and thin type PV/T system

表1 CIGS薄膜电池在标准测试条件下的光伏特性

Tab. 1 Photovoltaic characteristics of CIGS thin film cells in standard test condition

参数	数值
峰值功率/W	45
峰值效率/%	15
开路电压/V	14.37
短路电流/A	4.68
最大功率点电压/V	11.5
最大功率点电流/A	3.94

图2 铜铟镓硒薄膜电池

Fig. 2 A CIGS thin film cell

图3 毛细管网

Fig. 3 A piece of capillary network

图4 实验系统部件图

Fig. 4 Diagram of experimental system components

表2 测量仪器种类及参数

Tab. 2 Types and parameters of measuring instruments

仪器	型号	测试范围	测量精度
太阳辐照仪	CMP10	0~4 000 W/m²	$±$ 0.01%
直流电子负载	ET5420A+	0~150 V，0~20 A	$±$ 0.05%
流量计	K24	1~40 L/min	$±$ 1%
热成像仪	C5	-20~400 ℃	$±$ 3%
热电偶	K	-30~200 ℃	$±$ 0.5 ℃

表2 测量仪器种类及参数

Tab. 2 Types and parameters of measuring instruments

仪器	型号	测试范围	测量精度
太阳辐照仪	CMP10	0~4 000 W/m²	$±$ 0.01%
直流电子负载	ET5420A+	0~150 V，0~20 A	$±$ 0.05%
流量计	K24	1~40 L/min	$±$ 1%
热成像仪	C5	-20~400 ℃	$±$ 3%
热电偶	K	-30~200 ℃	$±$ 0.5 ℃

图5 太阳辐照度、环境温度和风速变化

Fig. 5 Variation of solar irradiation，ambient temperature and wind velocity

图6 瞬时电效率和功率变化

Fig. 6 Variation of instantaneous electrical efficiency and electrical power

图7 集热器的进口、出口以及水箱水温变化

Fig. 7 Temperature variation of collector inlet,outlet and water tank

表3 不同流量下PV/T系统的实验数据

Tab. 3 Experimental data of PV/T under different flow rates

水流量/

(L/min)

太阳辐照度/(W/m²)

环境

温度/℃

电效率/

热效率/

图8 光伏组件的温度变化

Fig. 8 Variation of photovoltaic module temperature

图9 光伏组件的输出功率变化

Fig. 9 Variation of output power

图10 PV/T结构和纯PV结构的能量利用率

Fig. 10 Energy utilization ratio of PV/T structures and pure PV structures

图11 某公司的3种PV/T热效率对比

Fig. 11 Comparison of three PV/T thermal efficiencies of a company

表4 某公司的3种PV/T组件参数

Tab. 4 Three PV/T component parameters for a company

集热器型号

电池

种类

电效

率/%

峰值

电功率/W

面积/

m²

质量/

表5 不同文献PV/T的参数比较

Tab. 5 Parameter comparison of PV/T in different literatures

文献	集热介质	电池种类	平均电效率/%	平均热效率/%	单位面积质量/(kg/m²)	功率密度/(W/kg)
[4]	水	非晶硅	5.58	32.80	8.65	32.71
[5] [5] [5]	空气空气空气	非晶硅	4.25	45.70	10.00	36.71
		单晶硅	13.39	37.21	16.53	24.49
		多晶硅	10.68	42.30	16.53	25.64
[6]	水	单晶硅	17.82	31.50	11.92	22.79
本文	水	CIGS	13.01	22.50	3.85	66.20

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一种轻薄型光伏/光热集热器性能分析及实验研究

Performance Analysis and Experimental Study of a Kind of Thin and Light Photovoltaic/Thermal Collector

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