基于新型吸附式制冷的光伏板降温系统

时间：2024-05-18

刘怡，钱意祯，周长青

基于新型吸附式制冷的光伏板降温系统

刘怡，钱意祯，周长青

（武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉 430070）

设计了一种用于光伏板的多级自动降温系统，以改善光伏板因温度过高造成的发电功率下降问题。该装置在常规的光伏板基础上，加装了基于新型吸附式制冷系统，借助微乳液相变材料的蓄冷功能，实现了在不影响发电效率的情况下，利用Low-e玻璃光热分离技术分离出的低品位热源进行制冷的功能。多级降温有效地将光伏板的温度控制在发电效率较高的范围。同时，微乳液相变材料的选取以及和吸附剂的配合，改善了相变材料在液态时容易泄漏的问题。

光伏板降温；吸附式制冷；微乳液相变材料；电池板

作为一种绿色无污染的新能源，太阳能的高效开发和利用是重要的研究课题和方向。晶体硅太阳电池的发电效率依赖其工作温度，温度每上升1 ℃将导致输出功率减少0.4%～0.5%。由于到达电池表面80%以上的能量转变成了热量，使得太阳电池工作温度通常在50 ℃以上，当散热不良时甚至会达到80 ℃，太阳能光伏电池板温度过高将严重影响太阳能电池的光电转换效率，因此，研究降温技术降低了光伏电池板温度，对提高太阳能光伏系统发电效率具有非常重要的意义。

1 项目的研究目标和研究内容

1.1 研究目标

本项目基于现有的吸附式制冷技术，用相变微乳液代替传统的冷却介质，并结合其能利用低品位热源的特点，采用Low-e玻璃光热分离技术，将光伏板废热二次利用，改善太阳能电池板降温效果，以提高太阳能光伏板的发电效率。同时，还能延长太阳能光伏板工作寿命，达到节能减排的效果。

1.2 研究内容

1.2.1 吸附式制冷工作原理

太阳能吸附式制冷系统主要由太阳能吸附集热器、冷凝器、蒸发储液器等部分组成。其制冷过程是间歇性的，包括了吸附和脱附两个过程。

吸附式制冷系统包括2个阶段：①解吸阶段。白天在太阳光的照射下，吸附剂的温度不断升高，制冷剂从吸附剂材料的微孔中脱附出来成为蒸汽，当蒸汽压力达到一定值，制冷剂蒸汽在冷凝器中冷凝成液体并流入蒸发器，在储液器内冷却以后再流回蒸发器。至此，也就完成了该制冷循环的解吸阶段。②吸附阶段。晚上，太阳辐射强度由强变弱，吸附集热器开始降温，里面的蒸汽因重新被吸附剂吸附其压力，开始下降，导致蒸发器内压力大于吸附床内部压力，制冷剂开始蒸发并产生冷量。

1.2.2 相变微乳液特性

微乳液借助相变材料储能和放能的过程来实现储热和蓄冷功效，相变材料则借助于微乳液良好的流动性发挥更好的作用。良好的相变微乳液相变潜热为230～240 kJ/kg，是同等蓄冷介质的3～4倍。本项目选择20%纳米含量的相变微乳液，在具有高储热量的同时提高了吸/放热速率。

1.2.3 工作流程

该改进式吸附式制冷系统采用Low-e玻璃光热分离技术，将照射在光伏板的太阳能分离为光能和热能，一方面实现了光伏板一级降温；另一方面分离出来的热能通过聚酰亚胺薄膜以及热管导出，与集热板集热共同作为吸附式制冷的热源。

2 项目的实施方案及拟采取研究方法和技术路线

2.1 总体结构设计

该装置的主体结构分为光热分离模块和吸附式制冷模块。光热分离模块吸收太阳光中的热能之后可以为吸附式制冷模块提供热源，太阳能吸附式制冷模块吸收热量产生制冷效应后为相变微乳液储能模块制冷，在随后吸附式制冷系统处于脱附过程的白天，相变微乳液制冷模块为太阳能光伏板制冷。整体模型如图1所示。

2.2 光伏板光热分离模块

此模块主要由太阳能光伏板Low-e玻璃外罩和聚酰亚胺薄膜组成。Low-e玻璃可以使光透过，将热量阻隔在玻璃外表面。在Low-e玻璃表面附加上聚酰亚胺薄膜，利用聚酰亚胺薄膜良好的导热性，将Low-e玻璃外表面的热能收集，并通过热管传导至吸附床，如图2所示。

1—导热管；2—集热板；3—光热分离模块；4—微乳液管；5—制冷蓄冷模块。

1—Low-e玻璃外罩和聚酰亚胺薄膜；2—热管。

2.3 吸附式制冷模块

光伏板表面与集热板共同为吸附式制冷提供主要热源，采用平板集热管降低成本。在吸附式制冷过程中产生制冷效果的模块是蒸发器。采用绝热材料制作的外壳将太阳能光伏板背面覆盖住，蒸发器产生的冷空气通过空气泵作用经过管道进入太阳能光伏板绝热外壳中。经过热交换之后通过绝热外壳另一端的出气口排出，从而维持外壳中气压的稳定。

在蒸发器制冷时，采用相变微乳液对其进行蓄冷。蒸发器中排出的冷空气一部分用于太阳能光伏板的制冷，另一部分通过管道进入储液室，冷空气通过储液室储液空间外围的空气流通部分与储液部分进行热交换。

当吸附式制冷系统进入脱附阶段，蒸发器不再制冷，太阳能光伏板开始工作，此时太阳能光伏板温度会升高，经过蓄冷达到饱和的相变微乳液在流过蛇形管道的过程中，由于太阳能光伏板温度升高，后盖内温度上升，与相变微乳液的温度形成温度差，相变微乳液在蛇形管道中进行吸热制冷。在吸附式制冷系统进行脱附的工程中，由相变微乳液对太阳能光伏板进行持续降温制冷。

3 项目的研究基础和可行性分析

3.1 太阳能发电效率分析

太阳能光伏板的表面工作温度为65.5 ℃。本项目采用吸附式制冷的方法给太阳能光伏板降温，将其温度降低到53 ℃左右，并在此处维持太阳能光伏板的较高发电效率。当高于温度在55 ℃后发电效率会骤降，估算出效率会提高1，1约为50%，因此会提高50%左右发电效率。

3.2 改进前后吸附式制冷效率分析

吸附式制冷的效率受到多方面的条件制约，因此根据效率核算中的变量核算法来比较引用本项目改进前后的吸附式制冷效率。

吸附式制冷的冷凝剂效率最高的为活性炭-甲醇组合，因此，以这组为例计算制冷效率。定义单位质量吸附剂在某一温度、压力条件下对吸附剂的平衡吸附量为其平衡吸附量eq，简称吸附量，它是吸附式制冷体系中最重要的参数之一。

可以计算出当平衡时=29.85 ℃。太阳能集热板的温度平均为52.85 ℃以下时能达到最高发电效率，当表面温度在56.85 ℃以上时发电效率会大打折扣。

分析可得相变微乳液的能量转化效率为73.74%，在吸附式制冷系统制冷期间能够很大程度地储存这部分冷量。

4 检验方案拟定

装置制作实物后将对多个方面进行检验：①在同种光伏板的温度、发电电压、发电电流、能量转化率、最大发电功率、平均发电功率等多方面，在相同时间内，检验各方面指数进行对比分析，确定吸附式冷却的设计合理性；②从装置可靠性、制冷效率、制冷效果、噪声大小、使用寿命、成本等多方面与吸收式制冷技术进行对比，通过在相同工作时间下、相同环境温度、相同光照强度，在不同的温度梯度下的发电效率来对降温增效功能进行对比；③从装置工作时长上进行校验，检验其维护周期、相变材料的泄漏情况，分析本装置的耐用度及抗恶劣环境的能力。

针对目前光伏板在高温下发电功率低的问题，从以上3个方面验证装置设计的合理性，如果效果良好则能方便地满足市场需求。