PV/T集熱器優(yōu)化設(shè)計及實驗

梁子偉，簡林樺，閆金州，關(guān)欣（上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，上海 200093）

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研究開發(fā)

PV/T集熱器優(yōu)化設(shè)計及實驗

梁子偉，簡林樺，閆金州，關(guān)欣
（上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，上海 200093）

摘要：光伏/光熱（photovoltaic/thermal collector，PV/T）集熱器是光伏光熱系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能好壞直接決定著太陽能綜合利用率的高低，因此 PV/T集熱器的設(shè)計對光伏光熱系統(tǒng)的性能研究有著重要的作用。本文對PV/T集熱器結(jié)構(gòu)和傳熱熱阻進行了分析，采用Fluent軟件對不同的輻照度、結(jié)構(gòu)尺寸和流量共75種工況下的PV/T集熱器的熱性能進行了數(shù)值模擬；并對PV/T集熱器進行了優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)設(shè)計結(jié)果搭建了試驗臺，對PV/T集熱器的集熱效率與發(fā)電效率進行了研究。研究結(jié)果表明：集熱器內(nèi)最佳冷卻水流量為 0.008kg/s，光伏電池和集熱面積最佳比D/W=0.4。隨著歸一化溫差的增大，PV/T集熱器的光電效率與集熱效率均不斷降低，光電效率預(yù)測值與實驗值的最大誤差22.5%，平均集熱效率0.63，最大集熱效率達到0.75。

關(guān)鍵詞：PV/T集熱器；熱阻分析；數(shù)值模擬；光電效率；集熱效率；優(yōu)化設(shè)計；傳熱

第一作者：梁子偉（1990—），男，碩士研究生，從事高效換熱器及強化傳熱方向研究。聯(lián)系人：關(guān)欣，博士，副教授，從事高效換熱器及強化傳熱方向研究。E-mail cindy-guan@163.com。

光伏熱泵系統(tǒng)是一種全新的太陽能熱電聯(lián)用系統(tǒng)，光伏/光熱集熱器（photovoltaic/thermal collector，簡寫為PV/T集熱器）是光伏熱泵系統(tǒng)的一個關(guān)鍵部件。它的性能好壞直接決定著太陽能綜合利用率的高低，因此PV/T集熱器的設(shè)計對光伏熱泵系統(tǒng)的性能研究有著重要的作用。

目前，學(xué)術(shù)界對空冷型PV/T集熱器研究比較多［1-4］，縱觀PV/T的研究和發(fā)展歷程，空冷型PV/T集熱器仍屬于比較早期的研究對象，大部分是以冷卻太陽電池為目的，由于空氣的比熱容較小，回收的熱量往往比較分散，利用價值也比較低，于是人們又把目光逐漸集中在水冷型 PV/T。而水冷型PV/T集熱器的研究對系統(tǒng)性能進行模型預(yù)測的較多，重慶大學(xué)崔文智等［5］對PV/T系統(tǒng)進行了動態(tài)特性分析，建立了太陽能PV/T系統(tǒng)的二維動態(tài)模型，并用Fluent軟件模擬了PV/T系統(tǒng)的性能特征。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)季杰等［6-8］研究了光伏-太陽能熱泵系統(tǒng)的綜合性能，還設(shè)計了一種全鋁扁盒式自然循環(huán)的PV/T熱水系統(tǒng)，并對其進行了實驗研究。汪云云等［9］建立了串、并聯(lián)兩種光伏連接電路的數(shù)學(xué)模型，分別在最大功率跟蹤模式和定壓運行模式下，對單晶硅、多晶硅、硅薄膜、三結(jié)非晶硅4種太陽電池組成的PV/T系統(tǒng)中的開路電壓、短路電路、填充因子、最大功率、光電轉(zhuǎn)換效率等關(guān)鍵參數(shù)受溫度因素的影響進行分析。然而對于集熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面涉及較少，且目前的研究多集中在管板式結(jié)構(gòu)方面。雖然也有一些集熱效率高的結(jié)構(gòu)提出，如二次吸熱體結(jié)構(gòu)［10］和雙層吸收式流道結(jié)構(gòu)［11］，但這些結(jié)構(gòu)要么采用特殊的光伏電池導(dǎo)致成本高昂，要么增加了太陽能的輻射損失，降低光電效率，所以高性價比的PV/T集熱器結(jié)構(gòu)的開發(fā)是一個需要解決的問題。本文作者課題組針對這方面也做出了相關(guān)的研究，2010年劉鵬等［12］對PV/T系統(tǒng)進行了合理的假設(shè)，建立了一維數(shù)學(xué)模型，對光伏電池玻璃蓋板表面溫度、系統(tǒng)水箱中水的溫度等變量進行了數(shù)值模擬，并搭建了PV/T系統(tǒng)綜合實驗臺，對系統(tǒng)電性能與熱性能進行了測試。2012年關(guān)欣等［13］提出了太陽能光伏熱水系統(tǒng)概念，實現(xiàn)了對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中電池冷卻系統(tǒng)的低品位熱能的利用。

本文利用仿真技術(shù)對PV/T集熱器進行優(yōu)化設(shè)計，同時根據(jù)優(yōu)化設(shè)計得到的結(jié)果搭建試驗臺，對PV/T集熱器的集熱效率與發(fā)電效率進行研究，為提高能源利用率提供理論基礎(chǔ)。

1 PV/T集熱器的熱阻分析

PV/T集熱器包括玻璃蓋板、EVA膠膜、硅電池、TPT背板等幾個部件。采用一種簡易的管板式結(jié)構(gòu)，它與一般的管板式PV/T集熱器不同的是，采用矩形管代替原有的圓管，增加了管道與集熱板之間的接觸面積，如圖1所示。各層材料的熱物理性質(zhì)如表1所示。

圖1 PV/T集熱器

表1 光伏集熱器的各層熱物性參數(shù)

從PV/T集熱器的自身結(jié)構(gòu)來看，太陽能電池產(chǎn)生的熱量主要集中在中間層，而電池的厚度很小，從四周散失的熱量非常低，因此近似可認為四周為絕熱，熱量全通過PV/T集熱器的上下表面導(dǎo)出。根據(jù)傳熱學(xué)相關(guān)知識計算PV/T集熱器各層之間的熱阻的大致范圍，如表2所示。

表2中，Ta為環(huán)境溫度；Tb為背板表面溫度；Tc為光伏電池節(jié)溫度；Tg為玻璃蓋板表面溫度；Tsky為大氣溫度；Tw為冷卻水溫度。光伏集熱器各層的厚度和導(dǎo)熱系數(shù)由表1可以得出。

Tsky為大氣溫度，根據(jù)1967年Whiller提出的簡化公式求得，見式（1）。

ha根據(jù)1977年Churchill提出的半經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式求得，見式（2），其中u為表面風速。

hb通過Burmeister公式計算，見式（3）。

表2 PV/T集熱器各層熱阻計算

式中，hw根據(jù)Nu=0.023Re0.8Pr0.4得出。

從表2可以看出，光伏組件各層的導(dǎo)熱熱阻相比輻射熱阻和對流換熱熱阻，幾乎可以忽略，因此可將光伏組件看成一個整體來考慮，然后根據(jù)熱平衡式求出表面溫度Tg和電池結(jié)溫Tc之間的關(guān)系即可。因此光伏集熱器可以簡化為如圖2所示模型。對硅電池各層列熱平衡方程如式（4）～式（6）。

圖2 熱阻簡化模型

代入數(shù)據(jù)，則可求出硅電池的溫度表達式，見式（7）。

式中，H為PV組件表面接收到的太陽輻照度；α為PV組件對于太陽輻射的吸收率；ηpv為光電轉(zhuǎn)化效率；D為冷卻水槽道寬度；W為光伏電池的寬度；twi、two分別為冷卻水進出口溫度；Mw為冷卻水的質(zhì)量流量；qw為冷卻水的吸熱量。

由以上表達式可知，硅電池節(jié)溫Tc只與組件表面溫度 Tg、冷卻水進出口溫升 two-twi、質(zhì)量流量Mw以及結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，因此可將組件看成一個整體進行分析，然后通過上述兩式求電池節(jié)溫Tc。

2 光伏集熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

前人對于管板式PV/T集熱器的管道均采用銅管作為材料，主要是出于提高系統(tǒng)的熱性能角度考慮，而通過前面的熱阻分析可知，實際上這部分導(dǎo)熱熱阻占總熱阻很小的一部分，幾乎可以不考慮，因此，從節(jié)約成本的角度，可把材料換成鋁，在對實際換熱性能影響很小的情況下，節(jié)約制造成本。

為分析鋁制PV/T集熱器性能的優(yōu)劣，同時參考他人關(guān)于集熱器的相關(guān)數(shù)值模擬工作［10］，本文利用Fluent軟件對光伏熱泵系統(tǒng)中需要用到的鋁制管板式PV/T集熱器的性能進行數(shù)值模擬。由上述分析可知，單晶硅電池的節(jié)點溫度只跟PV/T集熱器的表面溫度、進口水溫、環(huán)境參數(shù)以及集熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)等外部條件有關(guān)，因此，可以將PV板看成一個各向同性的平板，物性根據(jù)材料的比重折算成平均物性。具體數(shù)據(jù)如表3所示。

由于實際使用的光伏組件中硅電池一般按 4×9布置，在寬度方向近似處理成4個周期，因此寬度方向的計算域取實際尺寸的1/4即可，其三維模型如圖3所示。

模型采用的邊界條件如表4所示。

采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法對模型進行網(wǎng)格劃分，并且對模型在太陽輻照度分別為400W/m2、600W/m2、800W/m2，光伏電池與集熱器面積 D/W分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5，冷卻水進口溫度為282K，冷卻水流量分別采為0.002kg/s、0.004kg/s、0.006kg/s、0.008 kg/s、0.010 kg/s共75種工況下進行仿真計算。具體的仿真計算結(jié)果如圖 4與圖 5所示。

冷卻水流量為0.004kg/s下，不同D/W下的硅電池節(jié)溫Tc熱效率η曲線如圖4所示。圖4中Tc為單晶硅電池節(jié)溫，D為冷卻槽道直徑，W為電池寬度，η為集熱效率。由圖4可以看出，隨著集熱器冷卻管道接觸面積和電池板表面積比D/W增大，電池板節(jié)溫在不斷降低，當D/W ＞0.4時，3個熱流密度下太陽電池的節(jié)溫均趨于平緩，說明再增加冷卻管道的數(shù)量對于單晶硅電池的冷卻效果已經(jīng)不明顯，且此時的集熱效率也在較優(yōu)的范圍（40%～60%）。

表3 光伏組件的物性參數(shù)

圖3 模型三維示意圖

表4 物理模型邊界條件

圖4 不同面積比下的太陽電池溫度和集熱效率

D/W=0.4時，不同工況下各節(jié)點溫度和集熱效率如圖5所示。由圖5可知，隨著流量的增加，硅電池節(jié)溫呈下降趨勢，集熱效率同時在不斷增大，說明增大冷卻水的流量可既提高系統(tǒng)的集熱性能，又降低硅電池的溫度。且當冷卻水流量為0.008kg/s時，再增大流量，對硅電池節(jié)溫下降已不明顯，說明此形式的 PV/T集熱器性能較優(yōu)的流量為0.008kg/s。

3 光伏熱泵系統(tǒng)實驗研究

根據(jù)相關(guān)設(shè)計計算結(jié)果，同時參考他人關(guān)于光伏熱泵的相關(guān)工作及本課題組相關(guān)的研究工作，自行搭建了光伏熱泵系統(tǒng)實驗臺，研究PV/T集熱器的光電效率和集熱效率。

3.1 實驗系統(tǒng)簡介

PV/T熱泵系統(tǒng)如圖6所示。系統(tǒng)主要包括PV/T集熱器、蓄熱水箱、蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥、恒溫水箱及管路閥門等部件。

3.2 實驗結(jié)果

3.2.1光電效率

由于在室外實驗，輻照度、環(huán)境溫度以及環(huán)境風速不能完全受控，實驗時通過大量的測量數(shù)據(jù)，再篩選出環(huán)境參數(shù)盡量相同的實驗數(shù)據(jù)擬合光電效率和溫度之間的預(yù)測公式，見式（8）。

圖5 不同流量下的太陽能電池溫度和集熱效率

圖6 光伏熱泵系統(tǒng)實物圖

圖7 PV/T光電效率

其中參考溫度Tr選為25C°，光電效率的實驗值和預(yù)測值如圖 7所示，預(yù)測值的誤差上限為22.5%。

3.2.2 集熱效率

集熱器的集熱效率計算公式如式（9）。

式中，G為集熱器單位面積的輻照度，W/m2；τα為集熱板的透射比與吸收比的乘積；K為集熱器表面與外界環(huán)境的換熱系數(shù)，W/（m2·K）；Ti為吸熱板溫度，℃；Ta為環(huán)境溫度，℃。

對光伏熱泵系統(tǒng)中的PV/T集熱器的集熱效率進行測試，當日平均風速 0.7m/s，平均環(huán)境溫度26.5℃，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合集熱效率和歸一化溫差之間關(guān)系如圖8所示。由圖可見集熱器的熱效率不是常數(shù)而是變數(shù)，集熱器的效率與集熱器工作溫度、環(huán)境溫度和太陽輻照度有關(guān)系。集熱器進口水溫度越低或環(huán)境溫度越高，集熱器熱效率越高；反之，集熱器工作溫度越高，環(huán)境溫度越低，集熱器的熱效率越低。

隨著歸一化溫差的增大，PV/T集熱器的集熱效率不斷降低，平均集熱效率0.63，最大集熱效率達到0.75，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合的PV/T集熱器集熱效率預(yù)測公式如式（10）。

冷卻水進口溫度為282K時，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得出集熱效率分布如圖8所示。

圖8 PV/T集熱效率

4 結(jié) 論

本文主要對PV/T集熱器的傳熱過程進行了熱阻分析，并利用Fluent中工況下的PV/T集熱器的熱性能進行了數(shù)值模擬，并且搭建了試驗臺，進行了相關(guān)實驗，得出如下結(jié)論。

（1）對于管板式PV/T集熱器，管道自身材料的導(dǎo)熱熱阻占整個熱阻比例很小，幾乎可以忽略，因此管道可以采用較為便宜的鋁材，這樣能在對系統(tǒng)的集熱性能影響不大的情況下，節(jié)省制造成本。

（2）根據(jù)模擬計算的結(jié)果可知，隨著冷卻水流量和光伏電池與集熱面積比D/W的增加，PV/T集熱器的集熱效率逐漸增大，但存在一個相對經(jīng)濟且性能較優(yōu)的流量0.008kg/s，和一個較佳的結(jié)構(gòu)尺寸D/W=0.4。

（3）根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)擬合出了PV/T集熱器光電效率和集熱效率公式。隨著歸一化溫差的增大，PV/T集熱器的光電效率與集熱效率均不斷降低，光電效率預(yù)測值與實驗值的最大誤差22.5%，最大平均集熱效率0.63，最大集熱效率達到0.75。

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Optimization design and experimental study on collector of photovoltaic/thermal

LIANG Ziwei，JIAN Linhua，YAN Jinzhou，GUAN Xin
（School of Energy and Power Engineering，Shanghai University of Science and Technology，Shanghai 200093，China）

Abstract:The photovoltaic/thermal（PV/T） collector is a critical component of the photovoltaic thermal system. Performance quality directly decides high or low of comprehensive utilization of solar energy. Therefore，the design of the PV/T collector has an important role on research in the performance of the photovoltaic solar-thermal system. In this paper，the analysis structure and heat resistance of the PV/T collector，simulation of the thermal performance of the PV/T collector in aluminum tube plate under 75 kinds of working conditions，including irradiance types，structure size and flow conditions by using the Fluent software，and optimal design for the PV/T collector，according to the result of design to build the test rig，the collection efficiency and power efficiency of PV/T collector were studied. The results showed that the better cooling water flow rate （Q=0.008kg/s） and area ratio （D/W=0.4） of the collector were obtained. With the increase of the normalized temperature difference，the photoelectric efficiency and the collection efficiency of PV/T collector decreased. The maximum error of the predicted values and experimental values of the photoelectric efficiency was 22.5 percent. The average collection efficiency is 0.63. The county thermal efficiency reaches 0.75.

Key words:photovoltaic/thermal collector（PV/T）；thermal resistance analysis；numerical simulation；photoelectric efficiency；collection efficiency；optimal design；heat transfer

中圖分類號：TK 519

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6613（2016）05-1326-06

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.05.010

收稿日期：2015-11-06；修改稿日期：2015-12-15。