蒸发冷却空调对光伏板降温的实验研究

申长军 黄 翔 王兴兴 折建利 鞠昊宏



蒸发冷却空调对光伏板降温的实验研究

申长军 黄 翔 王兴兴 折建利 鞠昊宏

（西安工程大学 西安 710048）

光伏发电量受室外太阳辐射强度、温度、灰尘等多种因素影响。通过蒸发式冷气机产生的冷风对光伏板表面进行降温实验研究。通过实验得出，在时间段12:00-14:50，有蒸发式冷气机降温时，光伏板温度维持在28.4℃，此时500W光伏发电量提高约0.1kWh；该日总发电量为1.9kWh。若该降温装置应用于大型光伏电站的光伏板降温则前景广阔，最后结合实验并提出了一些建议性措施。

蒸发式冷气机；光伏板降温；降温显著

0 引言

在能源、环境问题日益突出的今天，光伏发电作为一种清洁能源，逐步受到人们的青睐。然而光伏发电易受外界太阳辐射强度、温度、灰尘等多种因素的影响，具有不稳定性。在夏季，本是太阳辐射强度最强季节，却由于受到室外高温影响，发电量不高甚至下降，据有关数据表明，太阳能电池板温度每升高1℃，输出功率减小0.4%[1]，因此如何对光伏板进行降温，提高发电量，成为人们需要考虑的问题之一。

目前常用的光伏降温方式有，在太阳能电池板加肋片或通道（介质为空气或水）结构的自然冷却和机械冷却（在正面/背面），与太阳能集热结合的PV/T集热器冷却方式，利用热管、微通道等新型冷却技术、甚至人工直接喷水冷却[2-4]等，以上冷却方式各有利弊，虽然在一定程度上达到了降温效果，但造价较高不利于商业推广，辅助冷却装置也增加了光伏板的重量，显得笨重。而人工喷水，一定程度上起到温降效果，但喷水具有间歇性，而且由于水珠存留在光伏表面，对光线多少还有反射作用，水侵湿光伏板还有安全隐患；若水含有杂质，容易附着光伏板表面反而会影响发电。

实际上，蒸发冷却空调也可以用来对光伏板降温，以提高发电效率。蒸发冷却空调的优势在于，利用自然界中可再生能源，“干空气能”（空气的干湿球温差做驱动势）来进行降温，制冷剂为水，节能环保，初投资较低，降温效果显著[5,6]。蒸发冷却空调不仅能产生冷风，对光伏板进行降温及除尘，还可利用蒸发冷却空调产生的高温冷水[7]进行喷雾式降温。本文通过蒸发冷却空调中的一种设备--蒸发式冷气机产生冷风，对光伏板表面进行通风降温，使光伏板表面形成一层流动的冷空气层，它兼具机械通风特点，降温效果比单纯通风降温明显。由于，蒸发冷却空调只有节能风机和小型水泵，总功率较小，约在200～1kW左右，运行费用低，降温却显著，在大型光伏电站中对光伏板降温应用前景广阔。

1 实验介绍

1.1 试验系统简介

图1 光伏系统室内设备

图2 光伏板与蒸发式冷气机

1.1.1 独立式光伏发电系统

光伏发电按照系统形式主要分独立式和并网式两大类，本实验为独立式光伏系统主要由光伏板、光伏控制器、逆变器、蓄电池组组成。各部分功能是，光伏板通过“光生伏打效应”将太阳辐射能转换成直流电能[8,9]；控制器功能，一是能使光伏板以最大功率输出，二是对系统进行保护作用，防止蓄电池过充过放电；逆变器功能是将直流电转换成220V交流电，供给负载使用。系统工作原理是，通过光伏控制器使光伏板输出的直流电以最大功率输出，然后经逆变器转换成交流电供给负载使用，系统多余的电或者负载不足的电，由蓄电池组储存或者补充。如图1、2所示为本实验500W独立式光伏发电系统，用来驱动200W蒸发式冷气机运转，并利用产出的冷风对光伏板进行降温实验研究。本实验系统的具体连接方式是两块250W光伏板串联，接控制器，然后再接逆变器，四块蓄电池12V/100Ah按照两串两并组成24V直流电压系统，蓄电池组与逆变器并联接入电路中。表1为光伏板参数。

表1 光伏板参数

1.1.2 试验方案及目的

为测得光伏板表面各处温度变化情况，将光伏板按照面积尺寸，等分为若干个小方格，测试时分别通过风速仪和红外线测温仪，测得光伏板表面各方格中的风速和温度，并绘制成温度场，按照颜色变化绘制成直观图。

为给光伏板表面降温，将蒸发式冷气机置于室外，放置于光伏板正对面，二者之间的距离以不在光伏表面产生阴影为宜。蒸发式冷气机出风口设置为扩口形式，使形式的出风断面直接吹在光伏板表面上。

通过本实验测试蒸发冷却空调对光伏板降温情况，以便为在未来光伏电站中应用提出指导性意见。

1.2 测试工具

表2为测试过程中用到的仪表及参数。光伏发电系统用到的仪表有，万用表、照度仪、红外线测温仪，蒸发式冷气测试用到的测试工具有温湿度记录仪、风速仪、水银温度计等。

表2 测试用仪表参数

2 实验研究

2.1 蒸发式冷气机

蒸发式冷气机为直接蒸发降温形式，其工作原理是通过离心风机的作用，在蒸发式冷气机内部形成负压，室外空气进入其内部的填料中，空气与此时喷淋下来的水滴在填料表面形成的水膜直接接触进行热湿交换，空气被水蒸发吸热变成冷空气，其空气处理过程在焓湿图上表示为等焓降温过程。如图3所示。

表3为本次试验的蒸发式冷气机参数，它是采用低噪声前倾多翼式离心风机，风量大，噪声小，出风均匀；通过智能液晶控制盘控制，并带有温湿度变送器，可对工作场所实现一定范围内的温湿度控制。

Wx-室外温度，℃；to-出风口温度，℃；ts-湿球温度，℃；Wpv-光伏板空气温度，℃

表3 蒸发式冷气机参数[10]

图4 蒸发式冷气空气温度及循环水温变化

图4为蒸发式冷气机的进出口空气温湿度及循环水水温变化情况，由图可以得出，测试日式冷气机进风温度范围在29-35.5℃，对应的相对湿度：40%-27%，从焓湿图查得室外湿球温度：18.9-20.9℃，此时蒸发式冷气机出风温度：22.9-24.5℃；可以得出进出口温差范围在6-11℃；蒸发式冷气机工作过程中循环水温，维持在19.1-21.2℃之间。

通过公式：=(t1-t2)/(t1-t1）[5]

式中，t1为进风干球温度，℃；t2为出风干球温度，℃；t1为进风湿球温度，℃。

得出，热湿交换（饱和）效率：59.4%-78.6%。

2.2 光伏系统发电量变化

图5为有无降温措施时光伏发电系统输出功率变化、光伏驱动的负载蒸发式冷气机功率变化情况，分别截取两天中的同一时间段12:00-14:50进行对比，研究光伏板输出功率及蒸发式冷气机功率变化情况，由图可以看出，此时间段光伏发电量大于负载用电量，多余电量储存于蓄电池组中备用；对比有、无蒸发式冷气机对光伏板降温，统计得出此段时间内前后两天同一时间段内发电量差值在0.09度，并且无降温措施下，光伏板输出功率跳跃性较大不稳定，而在有降温措施下，光伏板输出功率较稳定。

图5 有/无蒸发式冷气机降温时光伏板输出功率变化

2.3 光伏板降温效果

图6 光伏板表面温度场

分别通过红外线测温仪和风速仪，测得光伏板表面若干个方格内的温度、风速，最后绘制成温度场，由于光伏板是约45°倾角[11]，面对太阳光的照射，从蒸发式冷气机吹出的风在接触到光伏板表面中心后会改变方向，向四周扩散，形成贴附流动。经测试得出，在光伏板表面竖向上风速较横向的风速大些。如图6所示为获得的温度变化情况，从图中可以得出光伏板表面在蒸发式冷气机送风区域内，光伏板温度明显较低，此区域光伏板最低区域温度在28.4℃；而在未送风区域，光伏板表面最高温度达38.5℃，二者差值达10.1℃。

2.4 日发电量情况

测试日光伏发电系统工作时间段为9:15-16:10，图7为光伏系统在蒸发式冷气机降温下发电量情况，从图中可以看出，从9:15开始，光伏板输出功率逐渐稳步的呈上升趋势，在12:30前后趋于最大值，然后下降。瞬时充电功率在300W以上时间段为10:55-14:20，占整个工作时间段的51.2%，工作时间段内日累计发电量1.9度，换算成标准情况下，峰值时间约3.8小时，相比明显提高。

图7 光伏系统日发电量

2.5 试验优化措施

送冷风过程中具有温升。为防止蒸发式冷气机自身的外观尺寸在光伏板表面形成阴影，影响光伏发电，所以二者之间有一定的距离，这也导致送出的冷风在吹到光伏板表面过程中与外界空气存在能量交换过程，蒸发式冷气机吹出的冷风到光伏板表面过程中大约有4℃温升，若对送风装置形式加以改进，则会减少输送过程中冷量损失。

实验装置简易，工作时间受限。由于蒸发式冷气机出风口断面为简易装置，送风区域并没有把光伏板表面全部覆盖，光伏板四角处送风风速接近为零，温度接近室外温度。另外，光伏板所处位置，由于女儿墙遮挡物影响及16:30点以后远处高层建筑物遮挡原因，太阳光照射到光伏板表面较晚，却又结束较早，最终导致相应的光伏发电工作时间稍微缩短，对以上问题加以改进，发电效果会更好。

⑶根据Cox单因素分析的结果，将有统计学意义的因素纳入Cox多因素分析，结果显示：LWR和肿瘤分化程度、TNM分期是影响胃癌患者总体生存期的危险因素（表3）。

光伏正、背面同时通风降温效果更好。测试过程中，光伏板距离地面较低，一定程度上也受地面辐射热影响。另外，在12:00-13:30测试过程中，通过红外线测温仪测得光伏板背面温度达50℃以上，因此对其背面进行通风降温也是非常必要的，若同时对光伏板正面和背面降温，发电效果会更加显著。

3 结论及建议

（1）通过以上试验得出，蒸发式冷气机对光伏板降温，具有明显效果，还具有除尘功能。蒸发式冷气机出风温度：22.9-24.5℃，能使室外温度最大降低11℃，它形成的冷风吹在光伏板表面形成流动的冷空气幕，温度大约维持在28℃左右，而此时未送送区域光伏板表面温度在38.5℃左右，另外这种流动的冷空气层还能有效防止灰尘落在光伏板表面。

（2）对比两天同一时间段，有、无降温措施情况下发现，在无降温措施下，光伏板输出功率跳跃性较大，而在有降温措施下，光伏板输出功率较有规律。同时还得出，在有降温措施下，该段时间内500W容量的系统光伏板发电量提高约0.1度，该日充电功率在300W以上时间段为10:55-14:20，占整个工作时间段的51.2%，工作时间段内日累计发电量1.9度。

（3）针对光伏板降温的蒸发冷却空调，建议出风处设计为喇叭口形式，并设计成自动摆动式百叶风口形式，这样能形式一种较大横断面的波浪式冷空气流，基本能覆盖光伏板表面。测试过程中，发现光伏板背面温度也较高，若能对光伏板正、背面同时进行这种通风降温，发电量效果会更好。另外，光伏板安装应距离地面有一定的高度，防止地面对其辐射热，同时也有利于光伏板周围的空气流动。

（4）直流式蒸发冷却空调将更节能，更有推广价值。蒸发冷却空调只有节能风机和小型水泵，因此总功率较小，运行费用低，降温效果却显著，在大型光伏电站中对其通风降温应用前景广阔。若在大型光伏电站应用中使用光伏直流驱动式蒸发冷却空调，由于减少了逆变器及转换损失，可直接利用光伏板发出来的一小部分电直接驱动直流式蒸发冷却空调进行光伏板降温，不仅节省了系统造价，也更节能，发电效果将会更好。

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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

陕西省科技工业攻关项目（编号：2015GY055）

申长军（1987.4-），男，在读研究生，E-mail：shenchjn@126.com

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

2015-07-15