申長軍 黃 翔 王興興 折建利 鞠昊宏

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蒸發(fā)冷卻空調(diào)對光伏板降溫的實驗研究

申長軍 黃 翔 王興興 折建利 鞠昊宏

（西安工程大學(xué) 西安 710048）

光伏發(fā)電量受室外太陽輻射強度、溫度、灰塵等多種因素影響。通過蒸發(fā)式冷氣機產(chǎn)生的冷風(fēng)對光伏板表面進行降溫實驗研究。通過實驗得出，在時間段12:00-14:50，有蒸發(fā)式冷氣機降溫時，光伏板溫度維持在28.4℃，此時500W光伏發(fā)電量提高約0.1kWh；該日總發(fā)電量為1.9kWh。若該降溫裝置應(yīng)用于大型光伏電站的光伏板降溫則前景廣闊，最后結(jié)合實驗并提出了一些建議性措施。

蒸發(fā)式冷氣機；光伏板降溫；降溫顯著

0 引言

在能源、環(huán)境問題日益突出的今天，光伏發(fā)電作為一種清潔能源，逐步受到人們的青睞。然而光伏發(fā)電易受外界太陽輻射強度、溫度、灰塵等多種因素的影響，具有不穩(wěn)定性。在夏季，本是太陽輻射強度最強季節(jié)，卻由于受到室外高溫影響，發(fā)電量不高甚至下降，據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)表明，太陽能電池板溫度每升高1℃，輸出功率減小0.4%[1]，因此如何對光伏板進行降溫，提高發(fā)電量，成為人們需要考慮的問題之一。

目前常用的光伏降溫方式有，在太陽能電池板加肋片或通道（介質(zhì)為空氣或水）結(jié)構(gòu)的自然冷卻和機械冷卻（在正面/背面），與太陽能集熱結(jié)合的PV/T集熱器冷卻方式，利用熱管、微通道等新型冷卻技術(shù)、甚至人工直接噴水冷卻[2-4]等，以上冷卻方式各有利弊，雖然在一定程度上達到了降溫效果，但造價較高不利于商業(yè)推廣，輔助冷卻裝置也增加了光伏板的重量，顯得笨重。而人工噴水，一定程度上起到溫降效果，但噴水具有間歇性，而且由于水珠存留在光伏表面，對光線多少還有反射作用，水侵濕光伏板還有安全隱患；若水含有雜質(zhì)，容易附著光伏板表面反而會影響發(fā)電。

實際上，蒸發(fā)冷卻空調(diào)也可以用來對光伏板降溫，以提高發(fā)電效率。蒸發(fā)冷卻空調(diào)的優(yōu)勢在于，利用自然界中可再生能源，“干空氣能”（空氣的干濕球溫差做驅(qū)動勢）來進行降溫，制冷劑為水，節(jié)能環(huán)保，初投資較低，降溫效果顯著[5,6]。蒸發(fā)冷卻空調(diào)不僅能產(chǎn)生冷風(fēng)，對光伏板進行降溫及除塵，還可利用蒸發(fā)冷卻空調(diào)產(chǎn)生的高溫冷水[7]進行噴霧式降溫。本文通過蒸發(fā)冷卻空調(diào)中的一種設(shè)備--蒸發(fā)式冷氣機產(chǎn)生冷風(fēng)，對光伏板表面進行通風(fēng)降溫，使光伏板表面形成一層流動的冷空氣層，它兼具機械通風(fēng)特點，降溫效果比單純通風(fēng)降溫明顯。由于，蒸發(fā)冷卻空調(diào)只有節(jié)能風(fēng)機和小型水泵，總功率較小，約在200～1kW左右，運行費用低，降溫卻顯著，在大型光伏電站中對光伏板降溫應(yīng)用前景廣闊。

1 實驗介紹

1.1 試驗系統(tǒng)簡介

圖1 光伏系統(tǒng)室內(nèi)設(shè)備

圖2 光伏板與蒸發(fā)式冷氣機

1.1.1 獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電按照系統(tǒng)形式主要分獨立式和并網(wǎng)式兩大類，本實驗為獨立式光伏系統(tǒng)主要由光伏板、光伏控制器、逆變器、蓄電池組組成。各部分功能是，光伏板通過“光生伏打效應(yīng)”將太陽輻射能轉(zhuǎn)換成直流電能[8,9]；控制器功能，一是能使光伏板以最大功率輸出，二是對系統(tǒng)進行保護作用，防止蓄電池過充過放電；逆變器功能是將直流電轉(zhuǎn)換成220V交流電，供給負載使用。系統(tǒng)工作原理是，通過光伏控制器使光伏板輸出的直流電以最大功率輸出，然后經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電供給負載使用，系統(tǒng)多余的電或者負載不足的電，由蓄電池組儲存或者補充。如圖1、2所示為本實驗500W獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)，用來驅(qū)動200W蒸發(fā)式冷氣機運轉(zhuǎn)，并利用產(chǎn)出的冷風(fēng)對光伏板進行降溫實驗研究。本實驗系統(tǒng)的具體連接方式是兩塊250W光伏板串聯(lián)，接控制器，然后再接逆變器，四塊蓄電池12V/100Ah按照兩串兩并組成24V直流電壓系統(tǒng)，蓄電池組與逆變器并聯(lián)接入電路中。表1為光伏板參數(shù)。

表1 光伏板參數(shù)

1.1.2 試驗方案及目的

為測得光伏板表面各處溫度變化情況，將光伏板按照面積尺寸，等分為若干個小方格，測試時分別通過風(fēng)速儀和紅外線測溫儀，測得光伏板表面各方格中的風(fēng)速和溫度，并繪制成溫度場，按照顏色變化繪制成直觀圖。

為給光伏板表面降溫，將蒸發(fā)式冷氣機置于室外，放置于光伏板正對面，二者之間的距離以不在光伏表面產(chǎn)生陰影為宜。蒸發(fā)式冷氣機出風(fēng)口設(shè)置為擴口形式，使形式的出風(fēng)斷面直接吹在光伏板表面上。

通過本實驗測試蒸發(fā)冷卻空調(diào)對光伏板降溫情況，以便為在未來光伏電站中應(yīng)用提出指導(dǎo)性意見。

1.2 測試工具

表2為測試過程中用到的儀表及參數(shù)。光伏發(fā)電系統(tǒng)用到的儀表有，萬用表、照度儀、紅外線測溫儀，蒸發(fā)式冷氣測試用到的測試工具有溫濕度記錄儀、風(fēng)速儀、水銀溫度計等。

表2 測試用儀表參數(shù)

2 實驗研究

2.1 蒸發(fā)式冷氣機

蒸發(fā)式冷氣機為直接蒸發(fā)降溫形式，其工作原理是通過離心風(fēng)機的作用，在蒸發(fā)式冷氣機內(nèi)部形成負壓，室外空氣進入其內(nèi)部的填料中，空氣與此時噴淋下來的水滴在填料表面形成的水膜直接接觸進行熱濕交換，空氣被水蒸發(fā)吸熱變成冷空氣，其空氣處理過程在焓濕圖上表示為等焓降溫過程。如圖3所示。

表3為本次試驗的蒸發(fā)式冷氣機參數(shù)，它是采用低噪聲前傾多翼式離心風(fēng)機，風(fēng)量大，噪聲小，出風(fēng)均勻；通過智能液晶控制盤控制，并帶有溫濕度變送器，可對工作場所實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的溫濕度控制。

Wx-室外溫度，℃；to-出風(fēng)口溫度，℃；ts-濕球溫度，℃；Wpv-光伏板空氣溫度，℃

表3 蒸發(fā)式冷氣機參數(shù)[10]

圖4 蒸發(fā)式冷氣空氣溫度及循環(huán)水溫變化

圖4為蒸發(fā)式冷氣機的進出口空氣溫濕度及循環(huán)水水溫變化情況，由圖可以得出，測試日式冷氣機進風(fēng)溫度范圍在29-35.5℃，對應(yīng)的相對濕度：40%-27%，從焓濕圖查得室外濕球溫度：18.9-20.9℃，此時蒸發(fā)式冷氣機出風(fēng)溫度：22.9-24.5℃；可以得出進出口溫差范圍在6-11℃；蒸發(fā)式冷氣機工作過程中循環(huán)水溫，維持在19.1-21.2℃之間。

通過公式：=(t1-t2)/(t1-t1）[5]

式中，t1為進風(fēng)干球溫度，℃；t2為出風(fēng)干球溫度，℃；t1為進風(fēng)濕球溫度，℃。

得出，熱濕交換（飽和）效率：59.4%-78.6%。

2.2 光伏系統(tǒng)發(fā)電量變化

圖5為有無降溫措施時光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率變化、光伏驅(qū)動的負載蒸發(fā)式冷氣機功率變化情況，分別截取兩天中的同一時間段12:00-14:50進行對比，研究光伏板輸出功率及蒸發(fā)式冷氣機功率變化情況，由圖可以看出，此時間段光伏發(fā)電量大于負載用電量，多余電量儲存于蓄電池組中備用；對比有、無蒸發(fā)式冷氣機對光伏板降溫，統(tǒng)計得出此段時間內(nèi)前后兩天同一時間段內(nèi)發(fā)電量差值在0.09度，并且無降溫措施下，光伏板輸出功率跳躍性較大不穩(wěn)定，而在有降溫措施下，光伏板輸出功率較穩(wěn)定。

圖5 有/無蒸發(fā)式冷氣機降溫時光伏板輸出功率變化

2.3 光伏板降溫效果

圖6 光伏板表面溫度場

分別通過紅外線測溫儀和風(fēng)速儀，測得光伏板表面若干個方格內(nèi)的溫度、風(fēng)速，最后繪制成溫度場，由于光伏板是約45°傾角[11]，面對太陽光的照射，從蒸發(fā)式冷氣機吹出的風(fēng)在接觸到光伏板表面中心后會改變方向，向四周擴散，形成貼附流動。經(jīng)測試得出，在光伏板表面豎向上風(fēng)速較橫向的風(fēng)速大些。如圖6所示為獲得的溫度變化情況，從圖中可以得出光伏板表面在蒸發(fā)式冷氣機送風(fēng)區(qū)域內(nèi)，光伏板溫度明顯較低，此區(qū)域光伏板最低區(qū)域溫度在28.4℃；而在未送風(fēng)區(qū)域，光伏板表面最高溫度達38.5℃，二者差值達10.1℃。

2.4 日發(fā)電量情況

測試日光伏發(fā)電系統(tǒng)工作時間段為9:15-16:10，圖7為光伏系統(tǒng)在蒸發(fā)式冷氣機降溫下發(fā)電量情況，從圖中可以看出，從9:15開始，光伏板輸出功率逐漸穩(wěn)步的呈上升趨勢，在12:30前后趨于最大值，然后下降。瞬時充電功率在300W以上時間段為10:55-14:20，占整個工作時間段的51.2%，工作時間段內(nèi)日累計發(fā)電量1.9度，換算成標準情況下，峰值時間約3.8小時，相比明顯提高。

圖7 光伏系統(tǒng)日發(fā)電量

2.5 試驗優(yōu)化措施

送冷風(fēng)過程中具有溫升。為防止蒸發(fā)式冷氣機自身的外觀尺寸在光伏板表面形成陰影，影響光伏發(fā)電，所以二者之間有一定的距離，這也導(dǎo)致送出的冷風(fēng)在吹到光伏板表面過程中與外界空氣存在能量交換過程，蒸發(fā)式冷氣機吹出的冷風(fēng)到光伏板表面過程中大約有4℃溫升，若對送風(fēng)裝置形式加以改進，則會減少輸送過程中冷量損失。

實驗裝置簡易，工作時間受限。由于蒸發(fā)式冷氣機出風(fēng)口斷面為簡易裝置，送風(fēng)區(qū)域并沒有把光伏板表面全部覆蓋，光伏板四角處送風(fēng)風(fēng)速接近為零，溫度接近室外溫度。另外，光伏板所處位置，由于女兒墻遮擋物影響及16:30點以后遠處高層建筑物遮擋原因，太陽光照射到光伏板表面較晚，卻又結(jié)束較早，最終導(dǎo)致相應(yīng)的光伏發(fā)電工作時間稍微縮短，對以上問題加以改進，發(fā)電效果會更好。

⑶根據(jù)Cox單因素分析的結(jié)果，將有統(tǒng)計學(xué)意義的因素納入Cox多因素分析，結(jié)果顯示：LWR和腫瘤分化程度、TNM分期是影響胃癌患者總體生存期的危險因素（表3）。

光伏正、背面同時通風(fēng)降溫效果更好。測試過程中，光伏板距離地面較低，一定程度上也受地面輻射熱影響。另外，在12:00-13:30測試過程中，通過紅外線測溫儀測得光伏板背面溫度達50℃以上，因此對其背面進行通風(fēng)降溫也是非常必要的，若同時對光伏板正面和背面降溫，發(fā)電效果會更加顯著。

3 結(jié)論及建議

（1）通過以上試驗得出，蒸發(fā)式冷氣機對光伏板降溫，具有明顯效果，還具有除塵功能。蒸發(fā)式冷氣機出風(fēng)溫度：22.9-24.5℃，能使室外溫度最大降低11℃，它形成的冷風(fēng)吹在光伏板表面形成流動的冷空氣幕，溫度大約維持在28℃左右，而此時未送送區(qū)域光伏板表面溫度在38.5℃左右，另外這種流動的冷空氣層還能有效防止灰塵落在光伏板表面。

（2）對比兩天同一時間段，有、無降溫措施情況下發(fā)現(xiàn)，在無降溫措施下，光伏板輸出功率跳躍性較大，而在有降溫措施下，光伏板輸出功率較有規(guī)律。同時還得出，在有降溫措施下，該段時間內(nèi)500W容量的系統(tǒng)光伏板發(fā)電量提高約0.1度，該日充電功率在300W以上時間段為10:55-14:20，占整個工作時間段的51.2%，工作時間段內(nèi)日累計發(fā)電量1.9度。

（3）針對光伏板降溫的蒸發(fā)冷卻空調(diào)，建議出風(fēng)處設(shè)計為喇叭口形式，并設(shè)計成自動擺動式百葉風(fēng)口形式，這樣能形式一種較大橫斷面的波浪式冷空氣流，基本能覆蓋光伏板表面。測試過程中，發(fā)現(xiàn)光伏板背面溫度也較高，若能對光伏板正、背面同時進行這種通風(fēng)降溫，發(fā)電量效果會更好。另外，光伏板安裝應(yīng)距離地面有一定的高度，防止地面對其輻射熱，同時也有利于光伏板周圍的空氣流動。

（4）直流式蒸發(fā)冷卻空調(diào)將更節(jié)能，更有推廣價值。蒸發(fā)冷卻空調(diào)只有節(jié)能風(fēng)機和小型水泵，因此總功率較小，運行費用低，降溫效果卻顯著，在大型光伏電站中對其通風(fēng)降溫應(yīng)用前景廣闊。若在大型光伏電站應(yīng)用中使用光伏直流驅(qū)動式蒸發(fā)冷卻空調(diào)，由于減少了逆變器及轉(zhuǎn)換損失，可直接利用光伏板發(fā)出來的一小部分電直接驅(qū)動直流式蒸發(fā)冷卻空調(diào)進行光伏板降溫，不僅節(jié)省了系統(tǒng)造價，也更節(jié)能，發(fā)電效果將會更好。

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The Experimental Research of Evaporative Air Conditioning to Cool Photovoltaic Panels

Shen Changjun Huang Xiang Wang Xingxing She Jianli Ju Haohong

( Xi'an Polytechnic University, Xi'an, 710048 )

Photovoltaic power generation is easily suffered by the outdoor solar radiation intensity, temperature, dust, and other factors. In this paper, the experimental is that evaporative air conditioner produces cold wind to cool the surface of a photovoltaic panels. Through the experiment we can conclusion, existing the evaporative air conditioner equipment when at 12:00-14:50, the surface temperature of the photovoltaic panels is 28.4℃, and the 500W solar power capacity increases about 0.1 kWh; The total generating capacity of 1.9 kWh. If the cooling device is applied to large photovoltaic panels of photovoltaic power station cooling has broad prospects. Finally, puting forward some proposed measures combed with the experiment.

Evaporative air conditioner; Cooling photovoltaic panels; Obvious cooling

1671-6612（2016）05-603-05

TU83

A

陜西省科技工業(yè)攻關(guān)項目（編號：2015GY055）

申長軍（1987.4-），男，在讀研究生，E-mail：shenchjn@126.com

黃 翔（1962.7-），男，碩士，教授，E-mail：huangx@xpu.edu.cn

2015-07-15