基于COMSOL 的PV/T 組件溫度場(chǎng)仿真研究

李國(guó)軍， 陳 輝， 張佳琦， 范 磊， 李漢錕

（1.沈陽建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110168； 2.沈陽城市建設(shè)學(xué)院， 遼寧 沈陽 110167）

0 引言

在2020 年9 月22 日第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上，習(xí)近平主席在會(huì)上提出碳中和與碳達(dá)峰的雙碳目標(biāo)[1]。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)， 中國(guó)大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)， 太陽能因取之不盡、用之不竭，具有清潔無污染、使用安全、價(jià)格低廉、壽命長(zhǎng)等獨(dú)有優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是目前最為理想的新型能源[2-3]。

光伏光熱（PV/T）系統(tǒng)能夠同時(shí)提供電量和熱量，集熱器是PV/T 系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，通過集熱器可以從光伏電池板背面吸收熱量，并降低光伏電池工作溫度，從而提升光伏電池發(fā)電效率， 相較于傳統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)提高了太陽能的綜合利用率[4-5]，如何保證PV/T 系統(tǒng)發(fā)電與發(fā)熱效率同時(shí)達(dá)到最佳是當(dāng)前研究的重點(diǎn)之一[6]。 黃夢(mèng)蕭等設(shè)計(jì)了新型非晶硅太陽能PV/T 空氣集熱器解決冬季管道發(fā)生霜凍的現(xiàn)象，平均熱效率為45.70%[7]。 劉仙萍等得出較低的入口流體溫度有利于保持更高的光熱和光電轉(zhuǎn)換效率[8]。 安麗芳等得出隨著積塵密度的增大，玻璃蓋板的透射率減小，一個(gè)月的積塵量會(huì)導(dǎo)致PV/T 系統(tǒng)光電效率和輸出電功率分別下降17.84%和18.25%[9]。 Fterich Mohamed 等研究在低水流速度（0.5m/s）和高水流速度（2m/s）條件下，PV 電池的最高溫度分別達(dá)到75℃和59℃。 最大溫差為20℃，最佳熱平均效率為42.5%[10]。

以上研究對(duì)改變PV/T 組件的集熱管道形狀后，PV/T系統(tǒng)的熱效率與電效率的改變情況研究較少，基于此，筆者將搭建不同管道的PV/T 組件，在東北地區(qū)不同季節(jié)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，并結(jié)合COMSOL 軟件對(duì)PV/T 組件進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真， 為PV/T 系統(tǒng)中集熱裝置的啟停提供時(shí)間參數(shù)，得到該組件溫度及光伏光熱效率變化的具體情況， 給往后投入光伏光熱系統(tǒng)提供了參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)

光伏光熱系統(tǒng)由PV/T 組件、集熱水箱、循環(huán)泵、過濾器、板式換熱器、逆變器等裝置組成，PV/T 集熱裝置朝南布置且與水平面夾角為44°，通過水泵供水到光伏板背部的集熱器內(nèi)， 水流經(jīng)集熱管道帶走熱量傳遞到集熱水箱內(nèi)，結(jié)合吉林白城中一精鍛工廠實(shí)際進(jìn)行熱與電的使用，通常將電供給熱泵工作使用， 集熱用于居民生活用水與供暖，其系統(tǒng)示意見圖1。

圖1 系統(tǒng)示意圖Fig.1 System schematic

1.2 數(shù)據(jù)采集

分別于2021 年5 月與11 月中旬，天氣晴朗（紫外線指數(shù)≥6），在集熱管道不通水時(shí)，對(duì)吉林白城中一精鍛廠房頂部的光伏光熱板正背面溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從早8：00 到晚18：00 之間每隔15min 采集一次數(shù)據(jù)， 光伏表面的輻射率取0.85， 測(cè)得光伏板背部的平均溫度比正面高2～4°，將兩個(gè)月光伏板背部溫度取平均值，結(jié)果見圖2，測(cè)試日的日照強(qiáng)度見圖3。

圖2 溫度采集結(jié)果Fig.2 Results of temperature collection

圖3 測(cè)試日的日照強(qiáng)度Fig.3 Light intensity on the test day

2 基于COMSOL 的仿真過程

2.1 COMSOL Multiphysics 的CFD 模塊

CFD 模塊用于執(zhí)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真， 為流體流動(dòng)分析的基礎(chǔ)建模提供多種工具， 包括： 內(nèi)部和外部流動(dòng)、不可壓縮和可壓縮流動(dòng)、層流和湍流、單相流和多相流、 自由和多孔介質(zhì)流動(dòng)。 可將它與COMSOL Multiphysics 的其他附加模塊一起使用進(jìn)行多物理場(chǎng)耦合建模。RANS 湍流模型包括k-ε、Realizable k-ε、k-ω、SST、低雷諾數(shù)k-ε。 一般管道Re＞4000 為湍流狀態(tài)，由非等溫管道流接口仿真的管道雷諾數(shù)結(jié)果見圖4， 可確定本次仿真中管道部分的物理場(chǎng)接口可選擇k-ε 湍流模型。

圖4 管道雷諾數(shù)Fig.4 System schematic

2.2 COMSOL 中幾何區(qū)域的建立

首先在COMSOL 中進(jìn)行PV/T 板幾何模型建立，PV/T板的結(jié)構(gòu)如圖5 所示，包括太陽能光伏板、高粘度導(dǎo)熱硅膠、保溫板、吸熱板、集熱管道，對(duì)關(guān)鍵部件集熱管道建立三種形狀進(jìn)行仿真分析，分別是矩形管、圓柱形管與拐點(diǎn)處為弧形的矩形管。

圖5 PV/T 板結(jié)構(gòu)Fig.5 PV/T plate structiion

表1 PV/T 板參數(shù)表Tab.1 Factory parameter table

2.3 COMSOL 中的多物理場(chǎng)

對(duì)PV/T 組件進(jìn)行仿真需要用到的物理場(chǎng)有：固體和流體傳熱、湍流、表面對(duì)表面輻射傳熱與非等溫管道流，熱通量的相關(guān)方程為：

式中：Cp—等壓熱容； T—溫度；k—熱導(dǎo)率；Qwall—粘性剪切產(chǎn)生的摩擦耗散熱；Z—管道周濕；h—總傳熱系數(shù)；Text—管道外部溫度。

2.4 COMSOL 中參數(shù)設(shè)置

在仿真前根據(jù)圖2 確定PV/T 板每日溫度的變化量、天氣的變化情況、白城中一地區(qū)的經(jīng)緯度等，5 月份仿真設(shè)置的參數(shù)見圖6。

圖6 仿真參數(shù)Fig.6 Simulation paramete

3 仿真過程及結(jié)果分析

3.1 PV/T 板夏季仿真結(jié)果

對(duì)2021 年5 月實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的PV/T 板溫度進(jìn)行COMSOL 仿真，取初始環(huán)境溫度為24°，PV/T 組件背板初始溫度為65°，采用不同形狀的集熱管道，其結(jié)果見圖7。

圖7 室外溫度為24℃時(shí)集熱管道的溫度分布Fig.7 Temperature distribution of heat-collecting pipe at 24℃

由仿真結(jié)果可知采用直角方管作為集熱器內(nèi)部集熱管道時(shí)， 可將24°的軟化水升至44.4°， 用圓管可升溫至41.9°，用圓角方管可升溫至45.2°?？筛鶕?jù)PV/T 組件光熱效率與光電效率的高低來評(píng)價(jià)其性能，相關(guān)方程為：

式中：m—管道水的質(zhì)量流量； cw—循環(huán)工質(zhì)的比熱容；G—有效輻射強(qiáng)度；A—光伏板的面積；ε—物體的表面輻射率，光伏表面取0.85；T出-T進(jìn)—管道水進(jìn)出口溫差；P—光伏板輸出功率。

采用不同形狀的管道作為集熱管道的差別為： 進(jìn)出口溫度△T 與管道水的質(zhì)量流量m 不同， 方管和特制方管的管道水質(zhì)量m1=5.53kg， 圓管的管道水質(zhì)量m2=4.34kg。以5 月17 日10：00 為例進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)查詢10：00-11：00 的光照強(qiáng)度為236525.44J/m2，集熱管道每小時(shí)可通水2 次，（a）（c） 每次可通水6min 使光伏板背部溫度將至管路水溫，（b）每次可通水8min，停止通水后光伏板再升溫至平穩(wěn)需要20min 左右，根據(jù)式（9）～式（11）計(jì)算，則三種管道這1 小時(shí)的光熱效率分別為：

直角方管：

光伏背板溫度65℃時(shí)，集熱器開啟后，通入24℃冷卻水，采用直角方管和圓角方管時(shí)可在6min 左右使光伏板溫度降至平穩(wěn)，采用圓管時(shí)需8min 左右的時(shí)間；光伏板溫度降低可提升其光電效率， 并可知采用圓管時(shí)通電的時(shí)間最久，耗電最多。

圖8 光伏背板溫度下降時(shí)間Fig.8 Temperature drop time of PV backplane

3.2 PV/T 板冬季仿真結(jié)果

對(duì)2021 年11 月實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的PV/T 板溫度進(jìn)行COMSOL 仿真，取初始環(huán)境溫度為1°，PV/T 組件背板初始溫度為32.5°，仿真結(jié)果見圖9。

圖9 室外溫度為1℃時(shí)集熱管道的溫度分布Fig.9 Temperature distribution of heat-collecting pipe at 1℃

由仿真結(jié)果可知采用直角方管作為集熱器內(nèi)部集熱管道時(shí)， 可將1°的軟化水升至13.7°， 用圓管可升溫至14.5°，用圓角方管可升溫至14.5°。

冬季與夏季光熱效率計(jì)算時(shí)主要區(qū)別在于日照強(qiáng)度不同，以11 月12 日10：00 為例進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)查詢10：00-11：00 的光照強(qiáng)度為86092.721J/m2， 經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量停止通水后光伏板再升溫至平穩(wěn)需要50min 左右，根據(jù)式（9）～式（11）計(jì)算，則三種管道這一小時(shí)的光熱效率分別為：

直角方管：

3.3 仿真結(jié)果分析

PV/T 組件相較于光伏組件可以有效的降低光伏板溫度，提升其光電轉(zhuǎn)化率的同時(shí)收集熱量；經(jīng)分析在5 月份時(shí)， 采用圓角方管的光熱效率比傳統(tǒng)的圓管集熱器高8.8%，直角方管的集熱效率比圓管高15.3%；在11 月份時(shí)，三種管道的集熱效率都會(huì)下降，采用圓角方管的光熱效率比傳統(tǒng)的圓管集熱器高8.8%，直角方管的集熱效率比圓管高3.8%， 通過夏季與冬季的實(shí)驗(yàn)測(cè)試與仿真，可確定選用圓角方管的PV/T 集熱器性能最佳。

4 結(jié)論

本文通過在2021 年5 月與11 月中旬時(shí)， 對(duì)吉林白城地區(qū)搭建的PV/T 組件進(jìn)行溫度采集，查詢測(cè)試日的日照強(qiáng)度，再結(jié)合COMSOL 對(duì)采用三種集熱管道的PV/T 組件進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真，并繪制通水后光伏板溫度情況圖，通過研究得到：

5 月份時(shí)，室外溫度為24℃時(shí)，采用圓管的PV/T 集熱器可達(dá)到38.43%的光熱效率， 直角方管為41.78%，圓角方管為44.29%；11 月份時(shí)，室外溫度為1℃時(shí)，采用圓管的PV/T 集熱器可達(dá)到35.16%的光熱效率， 直角方管為36.45%，圓角方管為38.74%，可確定選用圓角方管的PV/T 集熱器性能最佳。。

集熱器開啟時(shí)，采用圓角方管時(shí)需8min 左右使光伏板溫度降至平穩(wěn)，用直角方管和圓角方管時(shí)可在6min 左右使光伏板溫度降至平穩(wěn)， 光伏板溫度降低可提升其光電效率，可確定采用圓管時(shí)通電時(shí)間最久并耗電最多，性能不如方管集熱器； 本次研究可為集熱裝置的啟停提供時(shí)間參數(shù)，給往后投入光伏光熱系統(tǒng)提供了參考。