CN111260226B - 太阳能光伏热水器性能评测方法 - Google Patents

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Abstract

(1)将太阳能光伏热水器中的光伏组件置于不同环境温度中，测试光伏组件处于一个特定环境温度条件下时，一段时间内太阳能光伏热水器的贮热水箱中水的得热量；(2)计算日有用得热量并转换为辐照量为17MJ/m2下的日有用得热量；(3)计算太阳能光伏热水器的转换效率；(4)绘制日有用得热量q17，T与光伏组件温度T关系的q17‑T曲线图，曲线斜率和曲线截距分别为温度变化条件下太阳能光伏热水器日有用得热量温度损失系数k和环境温度T为零时的q17，T值q0；(5)给出日有用得热量q17，T与光伏组件温度T的函数关系式。本发明可预测太阳能光伏热水器的产能，供设计方参考使用；可根据使用方当地气象和使用需求，配置不同类型的光伏组件和贮热水箱。

Description

太阳能光伏热水器性能评测方法
技术领域
本发明涉及一种用于太阳能光伏热水器性能评测的方法，属于太阳能光伏热水器性能评测技术领域。
背景技术
太阳能作为一种绿色、可再生的清洁能源，广泛应用于热水、取暖领域，且一直备受消费的青睐。但同时，由于太阳能热水器冬季热性能较差，且安装于建筑楼体外部可能受到遮挡，日照时间不足。因此，将太阳能光伏组件与热水***结合形成了太阳能光伏热水器，如CN102645017A公开的《一种太阳能光伏热水器》，CN102095248A公开的《一种动态电加热的储水式热水器》。
太阳能光伏热水***，利用光伏组件将光转化为电能，将光伏组件产生的电为电热供能，通过电加热的方式对水进行加热，可以避免冬季由于气温过低造成的热损过大的问题，同时用电线代替介质管路可以减少线损，可将光伏板放置在楼顶。温度低对光伏组件有利，可以在保持较高转换效率。光伏组件的发电效率受温度影响明显，随着温度升高光伏组件的发电效率会降低。
由于在不同的温度工况下光伏组件的转换效率不同，使得太阳能光伏热水器的性能也是变化的，目前还没有评价不同太阳能光伏热水器的性能表现的方法。
发明内容
本发明针对在不同的温度工况下光伏组件的转换效率不同如何评测不同太阳能光伏热水器性能的问题，提供一种准确的太阳能光伏热水器性能评测方法，可用于预测太阳能光伏热水器的产能及配置不同类型的光伏组件和贮热水箱。
本发明的太阳能光伏热水器性能评测方法，包括以下步骤：
(1)将太阳能光伏热水器中的光伏组件置于不同环境温度中，测试光伏组件处于一个特定环境温度条件下时(如处于30℃、20℃、10℃、0℃、-30℃、-20℃和-10℃环境温度)，一段时间内太阳能光伏热水器的贮热水箱中水的得热量；
所述一段时间指早上8点到下午16点。
所述水的得热量的具体公式为：
QS，T＝CW×ρW×VS×(te-tb)，
式中：Qs，T：光伏组件处于温度T环境条件下，贮热水箱中水的得热量，MJ；
CW：水的比热容，J/(kg·℃)；
ρw：水的密度，kg/m3；
Vs：贮热水箱容水量，m3；
tb：初始贮水温度，℃；
te：终止贮水温度，℃。
(2)计算日有用得热量，并转换为辐照量为17MJ/m2下的日有用得热量；
所述日有用得热量的计算公式为：
Figure BDA0002371847490000021
式中：qT：光伏组件处于温度T环境条件下，日有用得热量，MJ/m2；
Ac：光伏组件轮廓采光面积，m2。
所述辐照量为17MJ/m2下的日有用得热量的转换公式：
Figure BDA0002371847490000022
式中：q17，T：光伏组件处于温度T环境条件下，辐照量为17MJ/m2时日有用得热量，MJ/m2；
H：光伏组件采光面上太阳辐照量，MJ/m2。
(3)计算太阳能光伏热水器的转换效率；
所述太阳能光伏热水器的转换效率的计算公式为：
Figure BDA0002371847490000023
式中：qT：光伏组件处于温度T环境条件下，日有用得热量，MJ/m2；
H：光伏组件轮廓采光面上太阳辐照量，MJ/m2。
(4)按上述步骤，将光伏组件分别置于不同的环境温度(光伏组件温度T)下，重复进行测试，得到不同环境温度条件下测得的17MJ/m2时日有用得热量q17，T数据，绘制辐照量为17MJ/m2时日有用得热量q17，T与光伏组件温度T关系的q17-T曲线图，进行一次线性拟合，得出曲线斜率和曲线截距，曲线斜率和曲线截距分别为温度变化条件下太阳能光伏热水器日有用得热量温度损失系数k和环境温度T为零时的q17，T值q0。
所述不同的环境温度至少为30℃、20℃、10℃、0℃、-30℃、-20℃和-10℃。
(5)给出辐照量为17MJ/m2时日有用得热量q17，T与光伏组件温度T的函数关系式；
所述辐照量为17MJ/m2时日有用得热量q17，T与光伏组件温度T的函数关系，表示为：
q17，T＝k·T+q0。
根据这个函数关系可以判断预测太阳能光伏热水器的产能，相同环境温度下日有用得热量q17，T越多产能越高。
所设计的光伏组件采光面积A与贮热水箱容量的关系可表示为：
Figure BDA0002371847490000024
式中：A：设计的光伏组件采光面积，m2；
CW：水的比热容，J/(kg·℃)；
ρw：水的密度，kg/m3；
V：设计的贮热水箱容量，m3；
△T：设计的贮热水箱中水的温升，℃；
q17，T：辐照量为17MJ/m2时日有用得热量，MJ/m2。
根据上式选择光伏组件类型和贮热水箱的容量，使光伏组件与贮热水箱达到最佳配置。
本发明具有以下特点：
1.通过测试典型环境条件下太阳能光伏热水器的不同得热量，给出辐照量17MJ/m2条件下日有用得热量q17，T与不同试验环境温度T的关系图和函数关系式，可用于预测不同天气条件下太阳能光伏热水器的产能，供产品选型设计时参考使用。
2.提供一种太阳能光伏热水器温度损失系数评估方法，用于产品设计师通过调节控制太阳能光伏热水器中光伏组件的温度，进而改变产品的得热性能。
附图说明
图1是辐照量为17MJ/m2时日有用得热量q17，T与光伏组件温度T的关系示意图。
具体实施方式
本发明提供一种环境温度变化条件下太阳能光伏热水器性能评测方法，用于得出不同环境温度条件下，不同类型光伏、不同功率的光伏组件与不同容量贮热水箱耦合***的得热性能，进而改进产品设计选型配置、设计新型产品。
具体测试过程如下所述。
(1)将太阳能光伏热水器中的光伏组件置于不同环境温度中，测试光伏组件分别处于30℃、20℃、10℃、0℃、-30℃、-20℃和-10℃环境条件下时，一段时间内太阳能光伏热水器的贮热水箱中水的得热量；
所述一段时间指早上8点到下午16点。
所述水的得热量的具体公式为：
QS，T＝CPW×ρW×VS×(te-tb)，
式中：Qs，T：光伏组件处于温度T环境条件下，贮热水箱中水的得热量，MJ；
CPW：水的比热容，J/(kg·℃)；
ρw：水的密度，kg/m3；
Vs：贮热水箱容水量，m3；
tb：初始贮水温度，℃；
te：终止贮水温度，℃。
(2)计算日有用得热量，并转换为辐照量为17MJ/m2下的日有用得热量；
所述日有用得热量的计算公式为：
Figure BDA0002371847490000031
式中：qT：光伏组件处于温度T环境条件下，日有用得热量，MJ/m2；
Ac：光伏组件轮廓采光面积，m2。
所述辐照量为17MJ/m2下的日有用得热量的转换公式：
Figure BDA0002371847490000032
式中：q17，T：光伏组件处于温度T环境条件下，辐照量为17MJ/m2时日有用得热量，MJ/m2；
H：光伏组件采光面上太阳辐照量，MJ/m2。
(3)计算太阳能光伏热水器的转换效率；
所述太阳能光伏热水器的转换效率的计算公式为：
Figure BDA0002371847490000041
式中：qT：光伏组件处于温度T环境条件下，日有用得热量，MJ/m2；
H：光伏组件轮廓采光面上太阳辐照量，MJ/m2。
(4)绘制辐照量为17MJ/m2时日有用得热量q17，T与光伏组件温度T关系的q17-T曲线图；
将光伏组件分别置于30℃、20℃、10℃、0℃、-30℃、-20℃和-10℃七个不同的环境温度下，重复进行测试，获得每一个环境温度条件下测得的17MJ/m2时日有用得热量q17，T数据。利用不同环境温度条件下测得的17MJ/m2时日有用得热量q17，T数据，绘制辐照量为17MJ/m2时日有用得热量q17，T与光伏组件温度T关系的q17-T曲线图，利用曲线拟合的数学工具进行一次线性拟合。其中曲线斜率即为太阳能光伏热水器日有用得热量温度损失系数k，曲线截距即为温度T为零时的q17，T值q0(q0为光伏组件处于温度T＝0℃的环境条件下，辐照量为17MJ/m2时日有用得热量，MJ/m2)。
由此，得出温度变化条件下，太阳能光伏热水器日有用得热量温度损失系数k和光伏组件处于温度T＝0℃的环境条件下，辐照量为17MJ/m2时日有用得热量q0(MJ/m2)。
除了30℃、20℃、10℃、0℃、-30℃、-20℃和-10℃七个不同的环境温度以外，也可获得更多环境温度条件下测得的17MJ/m2时日有用得热量q17，T。
(5)给出辐照量为17MJ/m2时日有用得热量q17，T与光伏组件温度T的函数关系式；
所述辐照量为17MJ/m2时日有用得热量q17，T与光伏组件温度T的函数关系，表示为：
q17，T＝k·T+q0；
式中：k：温度损失系数；
q0：光伏组件处于温度T＝0℃的环境条件下，辐照量为17MJ/m2时日有用得热量，MJ/m2。也就是q0为温度T为零时的q17，T值。
根据上述给出的辐照量为17MJ/m2时日有用得热量q17，T与光伏组件温度T的关系曲线图和函数关系式，可预测太阳能光伏热水器的产能，相同环境温度下日有用得热量越多产能越高，供设计方参考使用。
此外，可根据使用方当地气象和使用需求，配置不同类型的光伏组件和贮热水箱。所涉及的光伏组件采光面积A与贮热水箱容量的关系式为：
Figure BDA0002371847490000042
式中：A：设计的光伏组件采光面积，m2；
CW：水的比热容，J/(kg·℃)；
ρw：水的密度，kg/m3；
V：设计的贮热水箱容量，m3；
△T：设计的贮热水箱中水的温升，℃；
q17，T：辐照量为17MJ/m2时日有用得热量，MJ/m2。
根据上式选择光伏组件类型和贮热水箱的容量，使光伏组件与贮热水箱达到最佳配置。

Claims (2)

1.一种太阳能光伏热水器性能评测方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)将太阳能光伏热水器中的光伏组件置于不同环境温度中，测试光伏组件处于一个特定环境温度条件下时，一段时间内太阳能光伏热水器的贮热水箱中水的得热量；
(2)计算日有用得热量，并转换为辐照量为17MJ/m2下的日有用得热量；
(3)计算太阳能光伏热水器的转换效率；
(4)按上述步骤，将光伏组件分别置于不同的环境温度下，重复进行测试，得到不同环境温度条件下测得的17MJ/m2时日有用得热量q17，T数据，绘制辐照量为17MJ/m2时日有用得热量q17，T与光伏组件温度T关系的q17-T曲线图，进行一次线性拟合，得出曲线斜率和曲线截距，曲线斜率和曲线截距分别为温度变化条件下太阳能光伏热水器日有用得热量温度损失系数k和环境温度T为零时的q17，T值q0；不同的环境温度至少为30℃、20℃、10℃、0℃、-30℃、-20℃和-10℃；
(5)给出辐照量为17MJ/m2时日有用得热量q17，T与光伏组件温度T的函数关系式；
所述辐照量为17MJ/m2时日有用得热量q17，T与光伏组件温度T的函数关系，表示为：
q17，T＝k·T+q0；
根据辐照量为17MJ/m2时日有用得热量q17，T与光伏组件温度T的关系曲线图和函数关系式，预测太阳能光伏热水器的产能，相同环境温度下日有用得热量越多产能越高。
2.根据权利要求1所述太阳能光伏热水器性能评测方法，其特征是，所述步骤(3)中太阳能光伏热水器的转换效率的计算公式为：
Figure FDA0004268697650000011
其中：
Figure FDA0004268697650000012
QS，T＝CPW×ρW×VS×(te-tb)；
式中：qT：光伏组件处于温度T环境条件下，日有用得热量，MJ/m2；
H：光伏组件轮廓采光面上太阳辐照量，MJ/m2；
Qs，T：光伏组件处于温度T环境条件下，贮热水箱中水的得热量，MJ；
Ac：光伏组件轮廓采光面积，m2；
CPW：水的比热容，J/(kg·℃)；
ρw：水的密度，kg/m3；
Vs：贮热水箱容水量，m3；
tb：初始贮水温度，℃；
te：终止贮水温度，℃。
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