如何优化太阳能集热器的工作模式？

1.晴天工况性能分析

图3-13所示为测试当天太阳辐射照度和室外空气温度的全天变化情况，平均太阳辐射照度为706.8W/m²，平均室外空气温度为30.6℃。蒸发侧和冷凝侧循环水流量均为6L/min，蒸发侧水箱中水的初始温度为20.8℃，恒温水浴的出口水温设定为40℃。数据采集工作从8：30开始到16：30结束，数据采集时间间隔为2min。

图3-14所示为系统在集热模式晴天工况下的热功率、热效率和蒸发侧水箱中水温的全天变化情况。从图中可以看出，热功率在上午的时候随着太阳辐射照度的增强而上升，下午则随着太阳辐射照度的减弱而降低；热效率在一天之中呈现上升的趋势，并且在上午的时候上升幅度较大，而下午的时候上升幅度较为缓慢。热功率和热效率的日平均值分别为230.6W和25.3%。热效率在下午并未随太阳辐射照度的减弱而降低，而是缓慢上升，其原因是，下午室外空气温度较高，在34℃左右，造成集热器与室外空气的热损失减少，使热功率下降的幅度小于太阳辐射下降的幅度。在测试快结束时热效率突然升高，其原因是，此时太阳辐射照度突然降低，热管式太阳能PV/T集热器仍然具有较高的温度，热功率并未随太阳辐射照度的突然降低而降低，而是有一定的延迟，造成热效率的突然升高。

图3-13 太阳辐射照度和室外空气温度的全天变化情况

图3-14 热功率、热效率和蒸发侧水箱中水温的全天变化情况

图3-15所示为实验组与对照组的电功率、电效率和光伏板温度的全天变化情况的对比。从图中可以看出，对照组的光伏板温度高于实验组，并且实验组的光伏板温度与对照组的光伏板温度相比变化较为平稳。实验组的电性能明显高于对照组的电性能。实验组的电效率在一天之中变化较小，一直保持在较高的水平。实验组和对照组电功率的最大值分别为148.2W和140.1W，平均值分别为112.9W和101.5W；实验组和对照组电效率的最大值分别为13.8%和12.8%，平均值分别为12.9%和11.3%；实验组和对照组光伏板温度的最高值分别为55.7℃和62.7℃，平均值分别为50.4℃和55.6℃。集热模式晴天工况下，热管式太阳能PV/T集热器光伏板与传统的光伏板相比，光伏板温度降低了9.4%，电功率提高了11.2%，电效率提高了14.2%。实验组和对照组光伏板温度的初始值基本相同，所以测试开始的时候实验组和对照组的电性能基本相同，随着实验的进行，两组光伏板温度的差别发生变化，所以实验组和对照组的电性能也有较大的差别。

图3-15 实验组与对照组的电功率、电效率和光伏板温度的全天变化情况

图3-16所示为蒸发侧水箱和冷凝侧水箱中水温的变化情况。蒸发侧水箱的温度先逐渐下降，然后逐渐上升，冷凝侧水箱水的温度则一直呈现上升的趋势。蒸发侧水箱中水的初始温度为20.1℃，测试结束时水的温度为19.6℃，最低水温为15.6℃。冷凝侧水箱中水的初始温度为26.3℃，测试结束时水的温度为73.5℃。蒸发侧水箱中水温在测试的前半段上升后半段下降的原因是：测试前半段冷凝侧水箱中水温较低，热泵的冷凝温度较低，热泵的性能较高，但是集热器的热量不能满足热泵的需求，热泵从蒸发侧水箱的水中吸收一部分热量，使其温度逐渐降低。测试的后半段，随着冷凝侧水箱中水温的逐渐上升，热泵的冷凝温度升高，热泵的性能降低，集热器的热量大于热泵的需求，所以蒸发侧水箱中水的温度逐渐升高。

图3-16 蒸发侧水箱和冷凝侧水箱中水温的变化情况

图3-17所示为热泵性能的全天变化情况。从图中可以看出，热泵的冷凝换热量和COP逐渐降低，压缩机功率则逐渐升高。冷凝换热量、COP和压缩机功率的初始值分别为1232.6W、2.80和440.2W。测试结束时，冷凝换热量和COP分别下降到913.4W和1.27，压缩机功率则上升到722.3W。冷凝换热量、压缩机功率和COP的平均值分别为1093.3W、578W和1.96。热泵性能逐渐下降是因为冷凝侧水箱中水温逐渐上升，热泵的冷凝温度也逐渐上升，造成热泵的性能逐渐下降。

图3-17 热泵性能的全天变化情况

2.阴天工况性能分析

图3-18所示为测试当天的太阳辐射照度和室外空气温度的全天变化情况，平均太阳辐射照度为268.6W/m²，平均室外空气温度为31.2℃。蒸发侧和冷凝侧循环水流量均为6L/min，蒸发侧水箱中水的初始温度为21.3℃，恒温水浴的出口水温设定为40℃。数据采集工作从8：30开始到16：30结束，数据采集时间间隔为2min。

图3-18 太阳辐射照度和室外空气温度的全天变化情况(www.xing528.com)

图3-19所示为系统在集热模式阴天工况下的热功率和热效率的全天变化情况。从图中可以看出，热功率的变化趋势与太阳辐射照度的变化趋势大致相同，呈现先上升、后下降的趋势。热效率虽有起伏，但总体趋势基本不变。热功率的最大值为308W，出现在13：30左右，此时太阳辐射照度也为最大值，热功率的日平均值为154.3W；热效率的最大值为81.6%，平均值为41.7%。阴天时热效率较高，其原因是：太阳辐射照度较低时光伏板的温度较低，热管式太阳能PV/T集热器与周围空气之间的热损失较少，使热效率处于较高的水平。

图3-20所示为实验组与对照组的电功率、电效率和光伏板温度的全天变化情况的对比。从图中可以看出，对照组的光伏板温度高于实验组的光伏温度，实验组的电性能明显高于对照组的电性能，实验组和对照组的电效率与光伏板温度呈现相反的变化趋势。实验组和对照组电功率的最大值分别为101.5W和100.1W，平均值分别为44.6W和42.2W；实验组和对照组电效率的最大值分别为14.6%和13.6%，平均值分别为12.8%和11.9%；实验组和对照组光伏板温度的最高值分别为55.7℃和62.7℃，平均值分别为40.5℃和49.4℃。在集热模式阴天工况下热管式太阳能PV/T集热器光伏板与传统的光伏板相比，其日平均光伏板温度下降了18.0%，日平均电功率和电效率分别提高了5.4%和7.0%。实验组和对照组的电性能有明显的差异，其原因是：在实验组中热管、铝片等装置可以将光伏板吸收太阳辐射产生的热量带走，使光伏板的温度处于较低的水平。

图3-19 热功率和热效率的全天变化情况

图3-20 实验组与对照组的电功率、电效率和光伏板温度的全天变化情况

图3-21所示为蒸发侧水箱和冷凝侧水箱中水温的变化情况。蒸发侧水箱的温度先逐渐下降，后逐渐上升，冷凝侧水箱水温则一直呈现上升的趋势。蒸发侧水箱中水的初始温度为21.3℃，测试结束时水的温度为19.61℃，最低水温为13.2℃；冷凝侧水箱中水的初始温度为24.8℃，测试结束时水的温度为66.1℃。阴天时冷凝侧水箱中水的最终温度低于晴天时冷凝侧水箱中水的最终温度，其原因是：阴天时太阳辐射较低，系统的热功率较低，使热泵的冷凝换热量减少。

图3-21 蒸发侧水箱和冷凝侧水箱中水温的变化情况

图3-22所示为热泵性能的全天变化情况。从图中可以看出，热泵的冷凝换热量和COP逐渐降低，压缩机功率则逐渐升高。冷凝换热量、COP和压缩机功率的初始值分别为1225.7W、2.74和447.9W；测试结束时，冷凝换热量和COP分别下降到768.2W和1.05，压缩机功率则上升到730.1W。冷凝换热量、压缩机功率和COP的平均值分别为950.2W、55.91W和1.77。阴天时热泵的性能低于晴天时热泵的性能，这也是由于阴天时系统的热功率低于晴天时系统的热功率。

图3-22 热泵性能的全天变化情况

3.晴天和阴天工况的对比

图3-23所示为晴天和阴天总集热量和总发电量的对比。从图中可以看出，晴天工况的集热器总集热量、总发电量和冷凝换热总量均高于阴天工况。晴天时集热器总集热量为6.8MJ，总发电量为0.92kW·h，冷凝换热总量为31.6MJ；阴天时总集热量为4.4MJ，总发电量为0.36kW·h，冷凝换热总量为27.3MJ。冷凝换热总量在晴天和阴天时相差不大，其原因是：阴天时集热器不能提供足够的热量，热泵会从水中吸收较多的热量。

图3-23 晴天和阴天总集热量和总发电量的对比

图3-24所示为晴天和阴天工况热效率、电效率和COP的对比。从图中可以看出，晴天时的热效率和电效率均低于阴天时的热效率和电效率，但是晴天时的COP要高于阴天时的COP。晴天时热功率、电功率和COP分别为32.50%、12.10%和1.97，阴天时热效率、电效率和COP分别为41.70%、12.75%和1.77。阴天时热效率和电效率较高，其原因是：阴天时热管式太阳能PV/T集热器的温度较低，光伏电池的内阻较低，所以电效率较高，同时热管式太阳能PV/T集热器与周围空气之间的热损失减少，所以阴天时热效率较高。晴天时COP较高是因为晴天时热功率较高，为热泵提供的热量多，所以热泵的性能较高。

图3-24 晴天和阴天工况热效率、电效率和COP