新型平板太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器傳熱特性的數(shù)值研究

孫 健，徐銀文，黃章峰，李 杰

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403）

新型平板太陽(yáng)能PV/T空氣集熱器傳熱特性的數(shù)值研究

孫 健，徐銀文，黃章峰，李 杰

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403）

摘 要：文中設(shè)計(jì)了一款新型PV/T一體化空氣集熱器，建立了新型PV/T空氣系統(tǒng)內(nèi)部傳熱過(guò)程的一維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，并利用差分法對(duì)模型進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)一體化系統(tǒng)的性能及影響因素進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：在一定的光照強(qiáng)度下，隨著空氣質(zhì)量流量增加，電池板溫度Tp逐漸下降，空氣溫升逐漸降低；而熱效率、光電轉(zhuǎn)化效率、聯(lián)合效率隨空氣流量的增加有所升高。模型的建立為高性能太陽(yáng)能PV/T一體化空氣集熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供較好理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：PV/T；數(shù)值模擬；耦合特性

E-mail:ajian933@163.com

0　 引 言

在全球范圍內(nèi)，隨著能源越來(lái)越緊張，環(huán)境也逐漸惡化，太陽(yáng)能作為一種清潔的可再生能源日益受到了人們的重視。太陽(yáng)能的利用方式主要有兩種，一種是光能轉(zhuǎn)換成熱能，另一種是光能直接轉(zhuǎn)換成電能，即光伏發(fā)電系統(tǒng)。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，太陽(yáng)能電池的發(fā)電功率一般為10%-15%，大部分的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能散失在空氣中。此外，如果熱量沒(méi)有被及時(shí)排走，就會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)能電池溫度升高，從而直接降低太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率[1]。太陽(yáng)能PV/T系統(tǒng)主要目的是在保證太陽(yáng)能電池安全穩(wěn)定運(yùn)行情況下，通過(guò)降低電池溫度來(lái)增大光轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)收集太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成的熱量，收集的熱量在不同地方都有不同的用途。例如：建筑供熱，干燥陶瓷坯體等。

為了設(shè)計(jì)出高效、廉價(jià)的且能適應(yīng)不同實(shí)際環(huán)境的太陽(yáng)能PV/T系統(tǒng)，研究人員進(jìn)行了大量研究工作。Ong[2]建立了穩(wěn)態(tài)的數(shù)學(xué)模型并為預(yù)測(cè)四種平板太陽(yáng)能空氣集熱器的傳熱性能提供了解決方案。Sopian等[3]提出了新型雙通道太陽(yáng)能集熱器，并在穩(wěn)態(tài)的條件下，把其和單通道太陽(yáng)能集熱器的性能進(jìn)行了比較。Garg and Adhikar[4]對(duì)預(yù)測(cè)太陽(yáng)能PV/T系統(tǒng)瞬態(tài)性能提出了一個(gè)計(jì)算機(jī)仿真模型。他們?cè)O(shè)計(jì)的是進(jìn)口的空氣在吸收板和背部板之間流動(dòng)，后來(lái)，Garg和Adhikar[5]對(duì)在單通道PV/T空氣集熱器加上一個(gè)復(fù)合拋物面聚光鏡，并在穩(wěn)態(tài)的條件下，進(jìn)行了能量傳遞的理論分析。Hegazy[6]比較研究了四種光電性能的太陽(yáng)能空氣集熱器，并為每種類型的集熱器建立了數(shù)學(xué)模型且進(jìn)行了數(shù)值求解。Sopian等[7]在穩(wěn)態(tài)的條件下，對(duì)雙通道PV/T太陽(yáng)能集熱器的理論研究和實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行了進(jìn)一步的深化。Sopain[8]也對(duì)單通道和雙通道太陽(yáng)能集熱器的進(jìn)行了成本—收益的計(jì)算。Tripanagnotopoulos 等[9]建立和測(cè)試了以水和空氣為流動(dòng)介質(zhì)的集熱器。Zondag等[10]比較了七種不同設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能集熱器的熱效率和光電轉(zhuǎn)換效率。Othman等[11]設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)帶有翅片的雙通道太陽(yáng)能集熱器的原型。Othman等[12]在穩(wěn)態(tài)的條件下，還從理論和實(shí)驗(yàn)上面研究了翅片固定在吸收板背部的雙通道PV/T空氣集熱器的傳熱性能。

為了分析電熱聯(lián)供PV/T空氣系統(tǒng)的運(yùn)行特性和能量利用效率，優(yōu)化空氣集熱器的運(yùn)行參數(shù)。文中建立了帶有強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)的平板太陽(yáng)能PV/T雙通道空氣回流集熱器非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，采用數(shù)值分析的方法對(duì)模型進(jìn)行了計(jì)算，對(duì)空氣質(zhì)量流速、入射光強(qiáng)度對(duì)集熱器的熱、電及總效率的影響進(jìn)行了分析，研究結(jié)果可為該類系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)與運(yùn)行及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論上的參考依據(jù)。

圖1　帶翅片雙通道太陽(yáng)能PV/T集熱系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of double pass PV/T air collector with fins

圖2　PV/T集熱系統(tǒng)傳熱過(guò)程熱阻網(wǎng)絡(luò)圖Fig.2 Schematic of heat resistance network of hybrid photovoltaic/thermal system

1　空氣集熱器組成及傳熱過(guò)程

1.1系統(tǒng)組成

圖1是一種雙通道回流式帶有翅片的PV/T空氣集熱器及其傳熱過(guò)程原理圖。該熱電一體化集熱器主要由透明的低鐵玻璃蓋板、風(fēng)機(jī)、電池板、吸熱板和翅片及保溫層組成。陽(yáng)光透過(guò)上表面玻璃蓋板進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)，照射到電池和吸熱板表面上，電池板沿系統(tǒng)長(zhǎng)度方向采用串聯(lián)方式連接，冷卻電池的空氣通過(guò)風(fēng)機(jī)從上部通道進(jìn)入系統(tǒng)，再沿吸熱板背部裝有翅片的下部通道內(nèi)流出，翅片強(qiáng)化了空氣與吸熱板間的換熱。系統(tǒng)底部和側(cè)部采取了保溫度措施，以減少系統(tǒng)向環(huán)境的散熱。圖2是該結(jié)構(gòu)集熱器傳熱過(guò)程的熱阻網(wǎng)絡(luò)圖。玻璃通過(guò)上表面以對(duì)流和輻射的方式向天空和環(huán)境中散熱，下表面則通過(guò)對(duì)流和輻射的方式與吸熱板和電池板進(jìn)行換熱。吸熱板下表面及翅片通過(guò)對(duì)流和通道內(nèi)的空氣進(jìn)行換熱，且通過(guò)輻射的方式和底板進(jìn)行熱交換，底板通過(guò)導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射向環(huán)境散熱。

1.2系統(tǒng)傳熱過(guò)程的數(shù)學(xué)模型

為簡(jiǎn)化分析，對(duì)系統(tǒng)的傳熱過(guò)程作了如下的假設(shè)：傳熱過(guò)程是非穩(wěn)態(tài)，并且是一維的；空氣通道是光滑的且不漏氣；忽略系統(tǒng)各表面的熱容對(duì)傳熱過(guò)程的影響；沒(méi)有轉(zhuǎn)化成電能的太陽(yáng)能全部轉(zhuǎn)化成了熱能被吸熱板和電池板吸收；電池板，吸熱板和玻璃蓋板的溫度不沿流體流動(dòng)的方向變化，只隨時(shí)間變化，只是時(shí)間的函數(shù)；在離散后的單元內(nèi)各表面溫度是均勻一致的；由于電池板很薄和吸熱板接觸良好，忽略它們內(nèi)部的傳熱熱阻，每個(gè)單元里電池和吸熱板的溫度是相等；根據(jù)上述假設(shè)，可以列出系統(tǒng)各表面的能量平衡關(guān)系：

對(duì)玻璃板：

對(duì)吸熱板：

肋效率：

對(duì)下部空氣通道：

對(duì)背部板:

能量平衡方程中的對(duì)流和輻射換熱系數(shù)分別以下腳標(biāo)‘c ’和 ‘r’表示，及相應(yīng)的空氣的熱物性參數(shù)可根據(jù)文獻(xiàn)[2,4,5]中提供的有關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算。

2　系統(tǒng)的性能參數(shù)

系統(tǒng)獲得的熱，電效率及總能量效率可以通過(guò)下面的公式進(jìn)行計(jì)算。

表1　一體化系統(tǒng)參數(shù)值一覽表Tab.1 Parameters of PV/T air collector

3　計(jì)算結(jié)果與討論

通過(guò)Matlab語(yǔ)言編寫(xiě)程序來(lái)求解能量方程組。在求解過(guò)程中，在不同的參數(shù)和條件下，基于時(shí)間上采取一階向前差分，空間上采取二階中心差分來(lái)計(jì)算PV/T太陽(yáng)能集熱器的傳熱特性。計(jì)算中系統(tǒng)的相關(guān)的特性參數(shù)，如表1中所示。系統(tǒng)的外型尺寸：吸熱平板的尺寸為L(zhǎng)=2 m，W=0.8 m，背部肋片高度H=0.12 m，厚度δ=1.5 mm；平板表面沿長(zhǎng)度方向布置4排規(guī)格為130 mm×120.5 mm的太陽(yáng)能電池板，覆蓋率為80%。

當(dāng)入口空氣溫度為30 ℃時(shí)，在不同光照強(qiáng)度時(shí)，空氣的質(zhì)量流量對(duì)電池板溫度的影響如圖3所示。結(jié)果表明在一定的光照強(qiáng)度下，電池板的溫度Tp隨著空氣質(zhì)量流量的增加而逐漸下降。當(dāng)入口空氣質(zhì)量不變時(shí)，電池板的溫度隨著光照強(qiáng)度的增加而升高。仔細(xì)觀察還可以從圖中發(fā)現(xiàn)，電池溫度升高的幅度在較低入口空氣質(zhì)量流量下更加明顯，而隨著質(zhì)量流量的提高升高的幅度越來(lái)越小。這主要是因?yàn)榭諝獾亩▔簾崛荼容^小，當(dāng)空氣流量較小時(shí)，在一定的光照強(qiáng)度下空氣的溫度升比較快，對(duì)電池的冷卻效果變差，造成電池溫升比較大。光伏電池板溫度的增加會(huì)降低光電轉(zhuǎn)化效率。因此，為了維持較高的光伏轉(zhuǎn)化效率，必須使電池板在較低的溫度下工作，也就是要保持一個(gè)合理的空氣入口流速。圖4空氣進(jìn)出口的溫度差值(即空氣在上下通道內(nèi)溫度的升高)與空氣的質(zhì)量流量有關(guān)系。從圖可以看出，在不同的光照強(qiáng)度下，空氣溫度升高的數(shù)值隨著空氣質(zhì)量流量增加而降低，并且在質(zhì)量流量不變的情況下，高光照強(qiáng)度時(shí)比低光照強(qiáng)度條件下空氣溫度升高的值要大。

圖5展示的是在不同光照強(qiáng)度下，當(dāng)空氣質(zhì)量流量為0.06 kg/s，流體在上部通道和下部通道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，空氣溫度的變化情況。從圖中可以看出，不管是在上部通道還是在下部通道，流體在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中溫度都是升高的，因?yàn)橄虏客ǖ烙欣咂淖饔茫姵匕迳嵩黾?，所以下部通道流體溫度升高的幅度會(huì)更大。圖6顯示的是在光照強(qiáng)度為700 W/ m2時(shí)，空氣質(zhì)量流量變化對(duì)PV/T空氣系統(tǒng)的熱、電及光電總效率的影響情況。從圖中可以看出，系統(tǒng)的各效率隨空氣質(zhì)量流量的增加而增大，光照強(qiáng)度為700 W/m2時(shí)，空氣質(zhì)量流量為0.1 kg/s時(shí)系統(tǒng)總效率可以達(dá)到80%，系統(tǒng)的熱效率接近65%，電效率接近15%。系統(tǒng)的總效率較單一的熱利用或電利用都有明顯的提高。

圖3　不同光照強(qiáng)度下質(zhì)量流量對(duì)電池板溫度的影響Fig. 3 Effects of mass flow rate of the air on temperature of solar cell at different radiation intensity

圖4　不同光照強(qiáng)度下質(zhì)量流量對(duì)空氣溫度的影響Fig. 4 Effects of mass flow rate of the air on temperature of the air at different radiation intensity

圖5　不同光照強(qiáng)度下空氣溫度沿集熱器長(zhǎng)度變化情況Fig. 5 Variation of temperature of the air along the length of the collector at different radiation intensity

圖6　在一定光照強(qiáng)度下質(zhì)量流量對(duì)系統(tǒng)各效率的影響Fig. 6 Effects of mass flow rate of the air on efficiencies of the collector at co

4　結(jié) 論

建立了以空氣作為冷卻介質(zhì)的新型太陽(yáng)能PV/ T系統(tǒng)一維非穩(wěn)態(tài)傳熱及熱、電性能數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值求解發(fā)現(xiàn)：冷卻空氣質(zhì)量流量、光照強(qiáng)度和入口空氣的溫度是影響電池板表面溫度和系統(tǒng)熱、電及總效率的主要因素。在一定的光照強(qiáng)度下，電池板的溫度隨著空氣質(zhì)量流量的增加是逐漸下降的；在一定的質(zhì)量流量下，電池板的溫度隨著光照強(qiáng)度的增加而升高。在不同的光照強(qiáng)度下，空氣溫升隨著質(zhì)量流量的升高而降低；在相同的質(zhì)量流量情況下，高光照強(qiáng)度比低光照強(qiáng)度時(shí)空氣溫升要大。系統(tǒng)的熱、電及總效率隨空氣質(zhì)量流量的增加而增大，光照強(qiáng)度為700 W/m2時(shí)，空氣質(zhì)量流量為0.1 kg/s時(shí)系統(tǒng)總效率可以達(dá)到80%。

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通信聯(lián)系人：孫健(1973-)，男，博士，副教授。

Received date: 2014-07-19. Revised date: 2014-08-23.

Correspondent author:SAN Jian(1973-), male, Ph . D., Associate professor.

Numerical Simulation of Thermal Performance of a New Type of Flat-Plate Solar PV/T Air Collector

SUN Jian, XU Yinwen, HUANG Zhangfeng, LI Jie
(Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, Jiangxi, China)

Abstract:In this paper, a new type of integrated solar PV/T air collector is designed. A one-dimensional unsteady mathematical model is developed, the internal heat transfer process is calculated by finite difference approach. The performance of PV/T solar air collector is predicted under different parameters and conditions. Results indicate that the temperature of solar cell and outlet air decrease with the increase of air mass flow rate under the same incident solar intensity. Then, the thermal efficiency, electrical efficiency and total efficiency of PV/T system increase with the rising of the inlet air mass flow rate. The models provide valuable theoretical basis for the optimal design of highperformance solar PV/T integrated air system.

Key words:PV/T; numerical simulation; coupled properties

中圖分類號(hào)：TQ174.75

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-2278(2015)01-0078-05

DOI：10.13957/j.cnki.tcxb.2015.01.017

收稿日期：2014-07-19。

修訂日期：2014-08-23。

基金項(xiàng)目：江西省對(duì)外科技合作項(xiàng)目(編號(hào)：20142BDH80024)。