被動調(diào)節(jié)模式環(huán)路熱管型光伏光熱系統(tǒng)性能分析

李 洪，張 曼，孫 躍，韓志鵬

被動調(diào)節(jié)模式環(huán)路熱管型光伏光熱系統(tǒng)性能分析

李 洪，張 曼，孫 躍，韓志鵬

（1. 燕山大學(xué)河北省建筑低碳清潔供熱技術(shù)創(chuàng)新中心，秦皇島 066004；2. 燕山大學(xué)河北省土木工程綠色建造與智能運維重點實驗室，秦皇島 066004）

針對環(huán)路熱管型太陽能光伏光熱系統(tǒng)冬、夏季運行中的不利工況，該研究提出將空調(diào)排風(fēng)引導(dǎo)至集熱/蒸發(fā)器空氣夾層的被動式調(diào)節(jié)方法，以進一步提升系統(tǒng)的太陽能利用效率?；谫|(zhì)量、動量和能量守恒定律，借助ANSYS Fluent軟件建立了被動式調(diào)節(jié)模式下集熱/蒸發(fā)器的數(shù)學(xué)模型，模擬分析了該調(diào)節(jié)方法對熱管循環(huán)啟動和系統(tǒng)性能的影響，通過室外試驗驗證了模型的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果表明，夏季工況，采用低檔風(fēng)速調(diào)節(jié)更有利于維持熱管運行，而高檔風(fēng)速則更利于光電效率的提升；與調(diào)節(jié)前的系統(tǒng)相比，高、中、低檔風(fēng)速作用下的日均光電效率分別提高了8.4%、5.7%和3.5%，日發(fā)電量增加了8.0%，5.3%和3.5%。對不同調(diào)節(jié)策略的研究表明，第一階段采用低檔風(fēng)速的運行策略可最大程度提升太陽能光熱利用，同時保證較優(yōu)的光電效率。冬季工況下，所提調(diào)節(jié)方法可有效縮短熱管循環(huán)的啟動時間，日出半小時內(nèi)的有效集熱量增加375.7%。因此，該調(diào)節(jié)方法對2種不利工況均有一定程度改善，調(diào)節(jié)策略對系統(tǒng)性能影響較大，應(yīng)根據(jù)用戶負(fù)荷需求進行選擇與優(yōu)化。

太陽能；模型；試驗；效率；熱管

0 引 言

為解決傳統(tǒng)水冷式太陽能光伏光熱（Photovoltaic Thermal，PV/T）系統(tǒng)在寒冷地區(qū)應(yīng)用的凍結(jié)問題，眾多學(xué)者提出了太陽能PV/T技術(shù)與熱管相結(jié)合的熱管型太陽能PV/T系統(tǒng)[1-3]，有效擴大了太陽能集熱器的應(yīng)用范圍，提高了太陽能的綜合利用效率[4-5]。整體熱管由于蒸發(fā)段和冷凝段結(jié)合緊湊，不易實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的熱量傳遞。環(huán)路熱管（Loop Heat Pipe，LHP）可根據(jù)實際要求布置蒸發(fā)段、冷凝段，結(jié)構(gòu)設(shè)計和布置方式靈活，可借助外界附屬物進行散熱，適用于各種復(fù)雜的散熱場合。該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星[6]、航天器的熱控制[7]及地面電子設(shè)備[8-10]冷卻系統(tǒng)，在太陽能采集及輸運系統(tǒng)中的應(yīng)用則剛剛起步。

基于LHP的性能優(yōu)勢，Zhao等[11]通過一獨特的三通結(jié)構(gòu)將PV/T集熱器與LHP相結(jié)合，提出一種新型太陽能PV/LHP熱水系統(tǒng)，并建議LHP工作溫度應(yīng)保持在72 ℃左右，以保證理想的光伏光熱效率?；谖墨I[6]中的PV/LHP集熱器，Zhang等[12]將其與熱泵技術(shù)相結(jié)合，提出一種新型PV/LHP熱泵熱水器。研究表明，通過合理控制熱泵機組運行時間，可確保熱管環(huán)路適宜的工作溫度，進而保證系統(tǒng)較高運行效率。針對重力和動力型LHP太陽能平板集熱系統(tǒng)，季杰等[13]研究指出，重力LHP太陽能平板集熱系統(tǒng)與傳統(tǒng)水冷型集熱系統(tǒng)光熱效率相當(dāng)，動力型的則相對偏低，但是2種系統(tǒng)不存在冬季結(jié)冰和腐蝕的問題，應(yīng)用范圍更廣，使用壽命更長，因此在高緯度地區(qū)或冬季結(jié)冰的地方是傳統(tǒng)型較好的替代品。

綜上所述，在正常工作溫度范圍內(nèi)，熱管型太陽能PV/T系統(tǒng)可有效保障太陽能光電光熱綜合轉(zhuǎn)換效率[14-16]。但是，學(xué)者們同時指出，該類系統(tǒng)在夏、冬季運行中存在工作溫度過高或光熱、光電效率較低兩種典型的不利工況[11,17]。例如，Deng等[17]針對一微通道熱管型PV/T熱水系統(tǒng)的研究顯示：夏季工況下系統(tǒng)工作溫度較高，導(dǎo)致太陽能光電轉(zhuǎn)換效率較低，太陽能光熱效率逐漸下降。冬季工況下，系統(tǒng)光熱效率較低，出水溫度不能滿足用戶需求。Zhao等[11]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作溫度為72 ℃時，系統(tǒng)可獲得最高太陽能光熱轉(zhuǎn)換效率，若工作溫度繼續(xù)升高，則導(dǎo)致其太陽能光熱轉(zhuǎn)換效率明顯下降。本課題組針對PV/LHP熱水系統(tǒng)開展了一系列理論模擬[18-19]和試驗研究[20]。研究結(jié)果顯示：夏季工況下，系統(tǒng)工作溫度達到75 ℃以后，光電效率最低，光熱效率下降明顯。冬季工況下，LHP循環(huán)啟動較晚，停止運行較早，系統(tǒng)光熱效率較低[21]。若將該系統(tǒng)應(yīng)用于嚴(yán)寒/熱帶等極端氣候區(qū)，可以預(yù)見，上述2種不利工況將進一步加劇，從而導(dǎo)致熱管型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)運行性能明顯降低。

針對夏季工況中出現(xiàn)的系統(tǒng)工作溫度過高問題，Pei等[22]提出采用循環(huán)水連續(xù)冷卻方案，但該方案的實施需具備一定操作條件。Huang等[23]則選用集熱水箱蓄熱方式，但熱管冷凝器中水溫隨運行持續(xù)升高，最終導(dǎo)致熱管性能下降。Mohamed等[24]將傳統(tǒng)空氣型PV/T系統(tǒng)與空調(diào)機組相結(jié)合，夏季利用空調(diào)排風(fēng)對電池板進行降溫，降溫幅度最高可達9.46 ℃；冬季則由空氣PV/T集熱器為空調(diào)房間預(yù)熱新風(fēng)，平均節(jié)能率達24.2%。

綜上，目前針對該類系統(tǒng)2種不利工況改善方面的研究主要聚焦于夏季工況，針對冬季不利工況改善方面的研究目前鮮有涉及?；诖?，本文提出將空調(diào)房間排風(fēng)引導(dǎo)至PV/LHP集熱/蒸發(fā)器空氣夾層的被動式調(diào)節(jié)運行模式，利用空調(diào)排風(fēng)調(diào)節(jié)集熱板工作溫度，以期達到改善目標(biāo)系統(tǒng)2種不利工況下運行性能的目的。基于質(zhì)量、動量和能量守恒定律，借助ANSYS Fluent軟件建立了被動調(diào)節(jié)模式下PV/LHP集熱/蒸發(fā)器的數(shù)學(xué)模型，模擬分析了該調(diào)節(jié)模式對環(huán)路熱管循環(huán)啟動和系統(tǒng)運行性能的影響。

1 系統(tǒng)描述

本文將環(huán)路熱管型太陽能PV/T熱水系統(tǒng)進行拓展，引導(dǎo)空調(diào)房間排風(fēng)通過PV/LHP集熱器空氣流道夾層，利用自然循環(huán)的空調(diào)排風(fēng)實現(xiàn)對兩種不利工況的被動式調(diào)節(jié)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運行原理如圖1所示，系統(tǒng)主要包括PV/LHP集熱/蒸發(fā)器和蓄熱水箱。其中，核心部件PV/LHP集熱/蒸發(fā)器為管板式平板集熱器，主要包含單層玻璃蓋板、單晶硅電池板、吸熱板、吸熱管等各結(jié)構(gòu)層；蓄熱水箱采用螺旋盤管沉浸式，即熱式電加熱器作為輔助熱源。系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計參數(shù)如表1所示。

夏季工況下，當(dāng)蓄熱水箱內(nèi)水溫達到用戶需求后，將空調(diào)排風(fēng)引至集熱器空氣流道夾層，開啟被動調(diào)節(jié)運行模式；冬季工況下，LHP啟動較晚，通過開啟被動調(diào)節(jié)模式，提高系統(tǒng)輸入熱量，將系統(tǒng)啟動時間提前，進而提升系統(tǒng)光電光熱的綜合利用。

表1 系統(tǒng)主要設(shè)計參數(shù)

2 數(shù)學(xué)模型

由于PV/LHP集熱/蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、計算量較大，研究中僅針對玻璃蓋板、空氣層、集熱板、集熱管各主要結(jié)構(gòu)層及管內(nèi)工質(zhì)建立物理模型，假設(shè)條件如下：

1）忽略光伏組件、導(dǎo)熱膠等結(jié)構(gòu)對傳熱過程的影響，假定光伏組件溫度始終較集熱板溫度高出1 ℃；

2）忽略不同集熱管內(nèi)制冷劑工質(zhì)流量差異對集熱板溫度分布的影響；

3）忽略冷凝端凝結(jié)換熱效率變化對系統(tǒng)運行性能的影響，僅以冷凝管入口工質(zhì)與冷卻水之間的有效冷凝溫差作為判斷熱管循環(huán)能否啟動或連續(xù)運行的條件；

4）忽略LHP冷凝段的熱損失及管內(nèi)部工質(zhì)與管壁間的溫差，假定LHP循環(huán)能穩(wěn)定運行的最低有效冷凝溫差為10 ℃。

2.1 傳熱計算模型

PV/LHP集熱器傳熱模型連續(xù)性方程如下：

集熱器傳熱模型動量平衡方程為

集熱器傳熱模型的能量平衡方程為

投射到表面的熱流密度與離開各表面的輻射，以及各表面的空間位置有關(guān)：

式中out,j為離開表面的輻射熱流，W/m2·K；為參與輻射換熱的表面總數(shù)，F為表面相對于的角系數(shù)，。

2.2 傳質(zhì)計算模型

對于集熱管內(nèi)的沸騰過程，因液態(tài)工質(zhì)與氣態(tài)工質(zhì)之間存在貫穿現(xiàn)象，采用混合物模型對管內(nèi)傳質(zhì)進行數(shù)值計算[25-26]，連續(xù)性方程為

集熱管傳質(zhì)計算模型的動量平衡方程如下：

傳質(zhì)模型的能量平衡方程如下：

氣相工質(zhì)體積分?jǐn)?shù)由下式計算：

氣相工質(zhì)相對液相工質(zhì)的相對速度為

2.3 邊界條件設(shè)置

2.3.1 傳熱模型邊界條件

玻璃蓋板表面和空氣通道側(cè)的換熱方式為復(fù)合換熱。玻璃蓋板和空氣通道交界面、空氣通道和集熱板交界面均為氣固耦合面，熱邊界條件均設(shè)為Coupled類型。模型計算中，玻璃蓋板與吸熱板發(fā)射率分別取1和0.2。

集熱板凸起面?zhèn)鳠岱绞綖楹愣崃髅芏刃停錈崃鳛?/p>

式中ps為集熱板下表面未接觸集熱管部分熱流密度，W/m2；s為集熱管截面積，m2；cs為集熱板凸起面面積，m2；b為因工質(zhì)沸騰導(dǎo)致的管壁面熱流傳輸，W/m2。

集熱板平面?zhèn)鳠岱绞綖楹愣崃鳎?/p>

式中t為到達集熱板表面的太陽輻照，W/m2；cg為玻璃蓋板透過率，p光伏模塊光電轉(zhuǎn)化效率。

其中，因工質(zhì)沸騰導(dǎo)致的管壁熱流傳輸：

式中為工質(zhì)通過集熱管所用時長，s；b為工質(zhì)沸騰導(dǎo)致的管壁面?zhèn)鬏敓崃浚琸W×h。

時長內(nèi)因工質(zhì)沸騰產(chǎn)生的管壁面?zhèn)鬏敓崃浚?/p>

式中b為液態(tài)工質(zhì)向氣態(tài)工質(zhì)的沸騰傳質(zhì)量，kg；為工質(zhì)汽化潛熱，kJ/kg。

空氣通道入口動量邊界條件：入口類型為速度入口。本文假定空調(diào)排風(fēng)以自然對流進入集熱/蒸發(fā)器，忽略其進入和離開空氣通道時的壓降。入口表壓強取10 Pa，最大風(fēng)速取0.55 m/s。

空氣通道入口熱邊界條件：入口空氣溫度取298.15 K?？諝馔ǖ莱隹跓徇吔鐥l件為自由出流。集熱板側(cè)面的熱邊界條件為絕熱。

2.3.2 集熱管傳質(zhì)模型邊界條件

在蒸發(fā)-冷凝模型中，單位時間單位相界面面積由液態(tài)工質(zhì)向氣態(tài)工質(zhì)傳遞的質(zhì)量如下[27]：

式中sat為平均壓力下液態(tài)工質(zhì)飽和溫度，取233 K，為混合相工質(zhì)平均溫度，K。

集熱管入口邊界條件：入口類型為速度入口，入口風(fēng)速由集熱管內(nèi)的沸騰速率確定，入口工質(zhì)溫度與集熱板溫度相同。集熱管管壁邊界條件：選擇恒定壁面溫度類型。集熱管出口邊界條件：出口類型為自由出流。

3 結(jié)果與分析

基于上述模型及文獻[18]中所采用的太陽能光電、光熱性能計算方法模擬分析被動調(diào)節(jié)前后系統(tǒng)性能的變化規(guī)律，并對比分析不同調(diào)節(jié)策略對系統(tǒng)性能的影響。同時，基于室外試驗測試數(shù)據(jù)驗證所建模型的準(zhǔn)確性。

3.1 夏季工況性能模擬

以廣州地區(qū)為例，選取夏季典型工況對系統(tǒng)性能進行模擬分析。所選典型工況的逐時平均太陽輻射強度為704 W/m2，環(huán)境溫度在25.4～31.7 ℃范圍內(nèi)波動。系統(tǒng)開始運行時，冷卻水的計算溫度取當(dāng)月逐時平均環(huán)境溫度。用戶熱水需求溫度取45 ℃，為確保系統(tǒng)的供熱性能，被動調(diào)節(jié)模式在水箱內(nèi)水溫達標(biāo)后啟動，即下午13：00開始以被動調(diào)節(jié)模式運行，直至系統(tǒng)運行結(jié)束?？照{(diào)房間排風(fēng)溫度取25 ℃，空氣通道入口流速峰值為0.55 m/s。因此，入口風(fēng)速分別取低（0.11 m/s）、中（0.33 m/s）、高（0.55 m/s）三檔研究系統(tǒng)性能的變化。

3.1.1 入口風(fēng)速對性能的影響

由圖2a可以看出，從被動調(diào)節(jié)開始至系統(tǒng)運行結(jié)束包含兩個階段：第一階段從啟動被動式調(diào)節(jié)到LHP循環(huán)停止，第二階段從LHP循環(huán)停止到系統(tǒng)運行結(jié)束。第一階段中，LHP蒸發(fā)吸熱與空調(diào)排風(fēng)冷卻吸熱同時進行，入口風(fēng)速越高，冷卻吸熱帶走的熱量越多。因此，3檔風(fēng)速對應(yīng)的有效冷凝溫差均呈下降趨勢，中、高檔風(fēng)速的尤其顯著，低檔風(fēng)速的逐漸趨于平緩，直至低于最低有效冷凝溫差，LHP循環(huán)停止。相應(yīng)地，3檔風(fēng)速下的光熱利用效率呈現(xiàn)出與有效冷凝溫差一致的變化規(guī)律。具體地，低、中、高3檔風(fēng)速下，LHP循環(huán)分別繼續(xù)運行了約69、12和6 min。因此，較低的入口風(fēng)速更有利于維持LHP循環(huán)的運行，即有利于保障太陽能光熱能量的有效利用。第二階段中，LHP循環(huán)停止，系統(tǒng)運行轉(zhuǎn)換為由空調(diào)排風(fēng)冷卻的PV發(fā)電模式。該模式下，風(fēng)速越高，冷卻效果越佳，越有利于太陽能光電性能的提升。正如圖2b所示，在被動式調(diào)節(jié)運行的第一階段，中、高檔風(fēng)速的光伏組件工作溫度直線下降，降溫幅度達12～15 ℃；而低檔風(fēng)速的溫降相對平緩。進入第二階段，3檔風(fēng)速下的工作溫度均迅速回漲。最終，低檔風(fēng)速的溫升幅度最大，溫度峰值達78 ℃，中、高檔的最高溫度分別為74和67 ℃。

系統(tǒng)的太陽能光電轉(zhuǎn)化效率如圖2c所示。下午13:00至14:00，高、中、低檔風(fēng)速作用下光伏組件的逐分鐘平均太陽能光電轉(zhuǎn)化效率分別為11.4%、11.1%和11.5%，低檔風(fēng)速的最高，可以看出：在被動調(diào)節(jié)運行初期，入口風(fēng)速控制在較低水平有利于提高系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)化效率。下午14:00以后，高、中檔風(fēng)速作用下太陽能光電轉(zhuǎn)化效率均呈上升趨勢，平均值分別為12.1%和11.8%；而此時低檔風(fēng)速的光電轉(zhuǎn)化效率相對較低，平均值僅為11.2%，即在調(diào)節(jié)中后期，增大入口風(fēng)速對改善光電轉(zhuǎn)化效率更為有利。與調(diào)節(jié)前的系統(tǒng)相比，高、中、低檔風(fēng)速作用下的日均太陽能光電轉(zhuǎn)化效率分別提高了8.4%、5.7%和3.5%，日發(fā)電量則增加了8.0%，5.3%和3.5%。所以，被動調(diào)節(jié)運行模式下，高檔風(fēng)速更利于對太陽能光電能量的有效應(yīng)用。

3.1.2 調(diào)節(jié)策略對系統(tǒng)性能的影響

根據(jù)上述分析，本文提出了3種不同的系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)策略，進一步研究不同調(diào)節(jié)策略對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。

策略1：在被動式調(diào)節(jié)運行的第一階段，將入口風(fēng)速設(shè)為0.11 m/s，待熱管循環(huán)停止運行后將風(fēng)速調(diào)至0.55 m/s；

策略2：在被動式調(diào)節(jié)運行的第一階段，將入口風(fēng)速設(shè)為0.33 m/s，待熱管循環(huán)停止運行后將風(fēng)速調(diào)至0.55 m/s；

策略3：整個被動式調(diào)節(jié)運行過程中，入口風(fēng)速恒設(shè)為0.55 m/s。

3種不同調(diào)節(jié)策略的對比如圖3所示。由圖3a可以看出，在被動式調(diào)節(jié)運行初期，采用策略2和策略3時，光伏組件的工作溫度均呈先下降后上升的變化趨勢，且策略2的平均工作溫度較低；采用策略1時，電池組件的工作溫度則始終呈現(xiàn)下降趨勢。對比圖2b與圖3a兩組結(jié)果可知，在被動式調(diào)節(jié)運行過程中，通過合理調(diào)整入口風(fēng)速可以有效抑制光伏組件工作溫度的回升，降低調(diào)節(jié)模式下的平均工作溫度，從而提升系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率，延長光伏組件的使用壽命。

3種不同調(diào)節(jié)策略所對應(yīng)的太陽能光電效率如圖3b所示?？梢缘贸?，系統(tǒng)的日均太陽能光電效率分別為11.88%，11.85%和11.83%，較調(diào)節(jié)前分別提高了8.9%，8.5%和8.4%；系統(tǒng)的日發(fā)電量亦明顯增加，較調(diào)節(jié)前上漲了8.6%，8.2%和8%。因此，調(diào)節(jié)策略1可以最大程度地提升太陽能光熱利用的同時保證較高的太陽能光電轉(zhuǎn)換效率和日發(fā)電量。

3.2 冬季工況性能分析

冬季不利工況的性能分析以北京地區(qū)為例，所選典型日為一月某天，上午8:00周圍環(huán)境溫度為-13.34 ℃，太陽輻照強度為263.27 W/m2?？諝馔ǖ赖娜肟陲L(fēng)速取0.55 m/s，環(huán)路熱管開始啟動時的冷卻水溫度取10 ℃。如圖4a所示，在調(diào)節(jié)模式運行初期，由于集熱板的溫升速度加快，更快地增大了冷凝管入口工質(zhì)與冷卻水之間的有效冷凝溫差，進而加快了PV-LHP的啟動速度。如圖 4b所示，與調(diào)節(jié)前相比，冷卻水溫和有效集熱量均有明顯上升，日出半小時后系統(tǒng)的累積有效集熱量可達0.068 kW×h，較調(diào)節(jié)前增加了375.7%；冷卻水溫度升高了0.39 ℃，較之前高出0.31 ℃。綜上，在冬季工況下，所提調(diào)節(jié)方法可以有效縮短PV-LHP循環(huán)的啟動時間，改善目標(biāo)系統(tǒng)的集熱性能。

3.3 數(shù)學(xué)模型驗證

試驗測試系統(tǒng)（圖5）安裝在秦皇島市燕山大學(xué)教學(xué)樓樓頂，選擇7月13日和12月11日為夏、冬季典型工況，分別對2種工況被動調(diào)節(jié)前的系統(tǒng)運行性能進行測試。PV/T集熱/蒸發(fā)器朝向正南布置，安裝傾角50°，水箱與集熱器高差0.6 m，工質(zhì)為R22。試驗過程中，水溫、光伏組件溫度、集熱板溫度均由Pt100熱阻測得，由數(shù)據(jù)采集儀34970A采集。環(huán)境溫度和風(fēng)速由HHF-SD1熱線風(fēng)速儀測得，玻璃蓋板表面的太陽輻照由TBQ-2輻射表測得。選取室外測試系統(tǒng)運行較為穩(wěn)定的時段進行測量，即將10:00至11:00時間段的實測值與模擬值進行對比，采用文獻[28]中所提誤差計算方法。如圖6所示，在夏季工況下，光伏組件工作溫度和光電效率的平均相對誤差分別為3.37%和5.34%。水溫與太陽能光熱效率的模擬和測試結(jié)果對比顯示，其平均相對誤差分別為0.02%與0.47%。冬季工況下，光伏組件工作溫度及水溫的平均相對誤差稍高，分別為4.56%和1.2%。誤差的產(chǎn)生與系統(tǒng)工作溫度范圍、物理模型結(jié)構(gòu)、邊界條件及其參數(shù)設(shè)定等因素有關(guān)。

4 結(jié) 論

針對環(huán)路熱管型太陽能PV/T系統(tǒng)冬、夏季運行中的兩種不利工況，本文提出將空調(diào)排風(fēng)中的冷/熱量進行回收利用的被動調(diào)節(jié)運行模式，模擬分析了調(diào)節(jié)運行模式下系統(tǒng)性能的變化規(guī)律，主要結(jié)論包括：

1）采用低檔入口風(fēng)速調(diào)節(jié)時，PV-LHP循環(huán)的運行時間是其他入口風(fēng)速的5～11倍，因此，該檔風(fēng)速的調(diào)節(jié)明顯更利于對太陽能光熱能量的有效應(yīng)用；

2）與調(diào)節(jié)前的系統(tǒng)相比，高、中、低檔風(fēng)速作用下的日均光電效率分別提高了8.4%、5.7%和3.5%，日發(fā)電量增加了8.0%，5.3%和3.5%。所以被動調(diào)節(jié)模式下，高檔風(fēng)速更利于對太陽能光電能量的有效應(yīng)用；

3）調(diào)節(jié)策略的影響研究結(jié)果表明，所提調(diào)節(jié)方法可以有效抑制光伏組件工作溫度的回升，降低調(diào)節(jié)模式下的平均工作溫度，從而提升系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率，延長光伏組件的使用壽命；與調(diào)節(jié)前的系統(tǒng)相比，系統(tǒng)的日均光電效率和日發(fā)電量均有小幅增加，其中調(diào)節(jié)策略1可以最大程度地提升系統(tǒng)的光熱利用，且具有較高的光電效率和日發(fā)電量；

4）針對冬季工況的分析顯示，所提調(diào)節(jié)方法可有效縮短PV-LHP循環(huán)的啟動時間，改善目標(biāo)系統(tǒng)的集熱性能。

[1] Zhang B Z, Lv J, Yang H X, et al. Performance analysis of a heat pipe PV/T system with different circulation tank capacities. Applied Thermal Engineering, 2015, 87: 89-97.

[2] 王玲瓏，吳薇，趙士林，等. 建筑一體化的蓄能型太陽能熱泵熱水器初步研究[J]. 南京師范大學(xué)學(xué)報：工程技術(shù)版，2013，13(3)：45-51.

Wang Linglong, Wu Wei, Zhao Shiling, et al. Preliminary study of storage type solar heat pump water heater integrated with buildings[J]. Journal of Nanjing Normal University(Engineering and Technology Edition), 2013, 13(3): 45-51. (in Chinese with English abstract)

[3] 陳紅兵，姚華寧，龔雨桐，等. 新型平板熱管式太陽能 PV/T 集熱系統(tǒng)的性能研究[J]. 可再生能源，2019，37(8)：1139-1145.

Chen Hongbing, Yao Huaning, Gong Yutong, et al. Performance study of a novel flat plate heat pipe solar PV/T collector system[J]. Renewable Energy Resources, 2019, 37(8): 1139-1145. (in Chinese with English abstract)

[4] Hu M K, Zheng R C, Pei G, et al. Experimental study of the effect of inclination angle on the thermal performance of heat pipe photovoltaic/thermal (PV/T) systems with wickless heat pipe and wire-meshed heat pipe[J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 106: 651-660.

[5] 王瑞祥，常旭東，唐文濤，等. 建筑用太陽能熱管式光伏光熱系統(tǒng)優(yōu)化[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程，2020，20(15)：6073-6080.

Wang Ruixiang, Chang Xudong, Tang Wentao, et al. Optimization of tube photovoltaic and thermal system for buildings[J]. Science Technology and Engineering, 2020, 20(15): 6073-6080. (in Chinese with English abstract)

[6] 孟慶亮，楊濤，于志，等. 空間遙感器用環(huán)路熱管瞬態(tài)數(shù)值模擬與在軌驗證[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2020，46；No.333(11)：50-60.

Meng Qingliang, Yang Tao, Yu Zhi, et al. Transient numerical simulation and on-orbit verification of loop heat pipe used for space remote sensor[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2020, 46;No.333(11):50-60.

[7] Su Q, Chang S N, Song M J, et al. An experimental study on the heat transfer performance of a loop heat pipe system with ethanol-water mixture as working fluid for aircraft anti-icing[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2019, 139: 280-292.

[8] Anand S, Senthi K M, Balasubramanian K R, et al. An experimental study on thermal management of concentrated photovoltaic cell using loop heat pipe and heat sink[J]. Heat Transfer-Asian Research, 2019, 48(6): 2456-2477.

[9] 謝明君，王建，孫彤輝. 某無人機功放載荷被動散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 中國設(shè)備工程，2019，20：142-144.

[10] Du S, Zhang Q, Hou P L, et al. Experimental study and steady-state model of a novel plate loop heat pipe without compensation chamber for CPU cooling[J]. Sustainable Cities and Society, 2020, 53:101894.

[11] Zhao X D, Wang Z Y, Tang Q. Theoretical investigation of the performance of a novel loop heat pipe solar water heating system for use in Beijing China[J]. Applied Thermal Engineering, 2010, 30(16): 2526-2536.

[12] Zhang X X, Zhao X D, Shen J C, et al. Dynamic performance of a novel solar photovoltaic/loop-heat-pipe heat pump system[J], Applied Energy, 2014, 114: 335-352.

[13] 季杰. 基于平板集熱的太陽能光熱利用新技術(shù)研究及應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2018.

[14] 張濤，朱群志，張?zhí)K陽，等. 環(huán)形重力熱管式PV/T系統(tǒng)與常規(guī)PV/T系統(tǒng)的對比實驗研究[J]. 太陽能學(xué)報，2017, 38(12)：3251-3258.

Zhang Tao, Zhu Qunzhi, Zhang Suyang, et al. Comparative experimental study of loop thermosyphon PV/T system and common PY/T system[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2017, 38(12): 3251-3258. (in Chinese with English abstract)

[15] 陳紅兵，李寶武，王聰聰，等. 新型平板熱管式PV/T熱泵系統(tǒng)的集熱模塊優(yōu)化研究[J]. 熱科學(xué)與技術(shù)，2021, 20(4)：357-363.

Chen Hongbing, Li Baowu, Wang Congcong, et al. Optimization study on the collector module of the novel flat plate heat pipe PV/T heat pump system[J]. Thermal Science and Technology, 2021, 20(4): 357-363. (in Chinese with English abstract)

[16] Zhang, T, Zheng W , Wang L, et al. Experimental study and numerical validation on the effect of inclination angle to the thermal performance of solar heat pipe photovoltaic/thermal system[J]. Energy, 2021, 223(8), 120020.

[17] Deng Y C, Quan Z H, Zhao Y H, et al. Experimental research on the performance of household-type photovoltaic–thermal system based on micro-heat-pipe array in Beijing[J]. Energy Conversion and Management, 2015, 106: 1039-1047.

[18] Li H, Sun Y. Performance optimization and benefit analyses of a photovoltaic loop heat pipe/solar assisted heat pump water heating system[J], Renewable Energy, 2019, 134: 1240-1247.

[19] 李洪，孫躍，付新書. 新型太陽能光伏—環(huán)路熱管/熱泵熱水系統(tǒng)[J]. 太陽能學(xué)報，2020，41(4)：59-66.

Li Hong, Sun Yue, Fu Xinshu. A novel solar photovoltaic loop heat pipe/heat pump water heating system[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2020, 41(4): 59-66. (in Chinese with English abstract)

[20] 李洪，侯平煒，孫躍. 太陽能光伏環(huán)路熱管熱水系統(tǒng)光電光熱性能試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(7)：235-240.

Li Hong, Hou Pingwei, Sun Yue. Experience study on a solar photovoltaic/loop-heat-pipe water heating system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(7): 235-240. (in Chinese with English abstract)

[21] Li Hong, Sun Y. Operational performance study on a photovoltaic loop heat pipe/solar assisted heat pump water heating system[J]. Energy and Buildings, 2018, 158: 861-872.

[22] Pei G, Fu H D, Zhang T, et al. A numerical and experimental study on a heat pipe PV/T system[J]. Solar Energy, 2011, 85(5): 911-921.

[23] Huang B J, Lee J P, Chyng J P. Heat pipe enhanced solar-assisted heat pump water heater[J]. Solar Energy, 2005(3), 78: 375-381.

[24] Mohamed A, Ali M, Tahar Z. Design and analysis of a BIPV/T system with two applications controlled by an air handling unit[J]. Energy Conversion and Management, 2018, 175: 49-66.

[25] 劉馨，王洪利，張率華，等. 基于fluent的R1234yf套管式蒸發(fā)器模擬[J]. 華北理工大學(xué)：自然科學(xué)版，2018，2(40)：18-29.

Liu Xin, Wang Hongli, Zhang Shuaihua, et al. Simulation of double-tube evaporator with R1234yf based on fluent[J]. Journal of North China University of Science and Technology: Natural Science Edition, 2018, 2(40): 18-29. (in Chinese with English abstract)

[26] 江帆，黃鵬. FLUENT 高級應(yīng)用與實例分析[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2008：53-82.

[27] 張育民. 基于CFD的熱管兩相流數(shù)學(xué)模型與數(shù)值模擬[D]. 廣州：華南理工大學(xué)，2017：31-40.

Zhang Yuming. Mathematical Model and Numerical Simulation Based on CFD of Two-Phase Flow in Heat Pipe[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2017: 31-40. (in Chinese with English abstract)

[28] Wang Z, Duan Z, Zhao X, et al. Dynamic performance of a facade-based solar loop heat pipe water heating system[J]. Solar Energy, 2012, 86: 1632-1647.

Performance analysis of loop-heat-pipe type solar photovoltaic/thermal system under passive regulation operating mode

Li Hong, Zhang Man, Sun Yue, Han Zhipeng

(1.,-,066004,; 2.,,066004)

Solar photovoltaic/thermal (PV/T) collectors using the heat pipe cooling technology are expected to be a new generation in the field of solar PV/T utilization, compared with the conventional flat plate. However, there are still two adverse operating conditions of PV/T systems in winter and summer. In summer, the photoelectric efficiency of the system decreases to be the lowest, while the photothermal efficiency reduces obviously, when the operating temperature reaches 75 ℃. In winter, the heat pipe loop starts to work late, due to the relatively weak solar radiation at low ambient temperature. Such working performance of the system can get worse under two adverse operating conditions, particularly in severe cold or tropical areas. In this study, a passive regulation was proposed to recycle the exhausted air from the air conditioning system, further to regulate the working temperature of solar photovoltaic/thermal collectors. In summer, the exhausted air was sent to the air layer between the absorber plate and the glass cover in the LHP-PV/T collector at the required water temperature. In winter, the exhausted air was sent to the air layer at sunrise. As such, the absorber plate was used to absorb the thermal energy from both the exhausted air and the solar radiation. Accordingly, the cycle of LHP started earlier, in order to improve the solar energy utilization efficiency of the system. A mathematical model of PV/T collector was established to explore the influence of system regulation on performances and circulation start of LHP using ANSYS Fluent software. Several assumptions were also proposed to simplify the model and reduce the amount of calculation, as well as some boundary conditions, such as the flow, thermal and momentum. The system operating performances were simulated before and after passive regulation, thereby compareing the influence of different regulation strategies on system performance. Additionally, a self-developed system outdoor was constructed to verify the accuracy of the model. A field test was also carried out under a typical working condition in summer in Qinhuangdao City, Hebei Province, China. Correspondingly, an outdoor test system was selected to operate in a relatively stable period, where the measured value was collected to compare with the simulated from 10:00 a.m. to 11:00 a.m. The simulation and test results show that the average relative errors were 0.02% and 0.47% for the water temperature and the solar thermal efficiency, respectively. The simulation and test results shows that the calculation accuracy of model was within the acceptable range of engineering design. Furthermore, the lower wind speed under the regulation mode was more conducive to the the heat pipe operation in summer, whereas, the higher wind speed greatly contributed improving the photoelectric efficiency of system. Different strategies of regulation demonstrated that the lower wind speed at the beginning of regulation mode contributed significantly to the solar thermal energy for better photoelectric efficiency of system. In winter, the regulation greatly advanced the starting time of LHP circulation, while the effective solar heat collection increased by 375.7% within half an hour after sunrise.

solar energy; models; test; efficiency; heat pipe

李洪，張曼，孫躍，等. 被動調(diào)節(jié)模式環(huán)路熱管型光伏光熱系統(tǒng)性能分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37(16)：205-211.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.026 http://www.tcsae.org

Li Hong, Zhang Man, Sun Yue, et al. Performance analysis of loop-heat-pipe type solar photovoltaic/thermal system under passive regulation operating mode[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(16): 205-211. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.026 http://www.tcsae.org

2021-03-16

2021-06-15

河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項目（ZD2018031）；河北省重點研發(fā)計劃項目（20374505D）

李洪，博士，副教授，Email：be_leecandy@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.026

TE0

A

1002-6819(2021)-16-0205-07