蘭州地區(qū)光伏集熱器性能仿真分析

巴宗華 陳玉英 周文和

（蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院 甘肅蘭州 730070）

0 引言

自1970 年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)光伏集熱器進(jìn)行諸多研究。肖瑤等［1-4］學(xué)者對(duì)不同結(jié)構(gòu)的光伏集熱空氣器的性能進(jìn)行多項(xiàng)研究，促進(jìn)其性能的提升；胡邊等［5-12］學(xué)者對(duì)不同結(jié)構(gòu)的光伏集熱熱水器性能進(jìn)行研究，但多限于單體裝置的理論分析和實(shí)驗(yàn)工況；中國(guó)西北地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富，年日照時(shí)間可達(dá)3 200 h 以上［13］，但光伏集熱器性能、應(yīng)用等內(nèi)容研究和應(yīng)用參考亟需補(bǔ)充。

鑒于以上分析，利用數(shù)值仿真研究方法，搭建平板型光伏集熱熱水器性能仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以蘭州地區(qū)氣象參數(shù)為工況，對(duì)平板型光伏集熱熱水器性能進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究，得到蘭州地區(qū)光伏集熱器較為合理的運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)為光伏集熱器的應(yīng)用研究提供借鑒。

1 光伏集熱器及能量傳遞模型

本文以蓋管板式光伏集熱熱水器為研究對(duì)象。如圖1 所示，試件面積約1 m2，集熱器頂部蓋板采用高透光率的低鐵鋼化玻璃，向下依次為利用層壓技術(shù)附著于集熱板上表面的光伏電池板，銅、鋁或銅鋁合金材料制成的集熱板，附著于集熱板下表面的冷卻通道。同時(shí)，為防止熱量散失，集熱器周圍及流體通道間隙用保溫材料填充。

圖1 板式光伏集熱器結(jié)構(gòu)示意圖

光伏集熱器吸收的總能量E 及電池轉(zhuǎn)換電能Ev、環(huán)境散熱量El以及有效熱量Eu，分別按式（1）～（4）進(jìn)行計(jì)算。

式中：Is為太陽(yáng)輻射強(qiáng)度；τg為玻璃蓋板透射率；αv、ηv、ηrc、βv、γ分別為光伏電池太陽(yáng)能吸收率、光電效率、光伏層初效率、光伏層效率溫度因數(shù)和光伏電池填充系數(shù)；APVT、Av分別為集熱器外表面積、電池板有效面積；Tv、Trc、Tair分別為光伏電池實(shí)際和參考工作溫度，以及周圍空氣溫度；Eair、Esky分別為集熱器環(huán)境對(duì)流和天空輻射散熱量；對(duì)流和輻射綜合作用下的集熱器總熱損失系數(shù)Ul按照式（5）進(jìn)行計(jì)算。

式中：REVA、Ra、Rglass分別為EVA 材料、集熱器空腔和玻璃蓋板熱阻；集熱器外表面對(duì)流換熱系數(shù)hair和等效輻射換熱系數(shù)hrad分別按照式（6）和（7）進(jìn)行計(jì)算，其中，Vwind、ε、σ 分別為環(huán)境風(fēng)速、玻璃蓋板發(fā)射率和斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，Tglass、Tsky分別為玻璃蓋板和天空溫度，通常Tsky=0.0552Tair1.5。

光伏集熱器相關(guān)參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 光伏集熱器性能參數(shù)

此外，集熱器玻璃蓋板層數(shù)為1，流體介質(zhì)比熱容為4.19 kJ/（kg·K），組件熱損失系數(shù)為0.4 W/（m2·K），集熱器吸收率0.95，發(fā)射率0.05，玻璃蓋板透光率0.916，光伏電池額定效率參考溫度為25 ℃，電池填充系數(shù)為0.8。

2 光伏集熱器仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

2.1 氣象參數(shù)分析

本文以蘭州為光伏集熱器目標(biāo)城市，通過(guò)Meteonorm 軟件對(duì)蘭州市典型年氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)取分析。

圖2 示出蘭州典型年12 個(gè)月的月平均空氣干濕球溫度及相對(duì)濕度，蘭州地區(qū)年平均干球溫度為9.9 ℃，年平均濕球溫度為0.9 ℃；1 月最冷，平均干球溫度-4.1 ℃，平均濕球溫度-12.5 ℃，平均相對(duì)濕度52%；7 月最熱，平均干球溫度22 ℃，平均濕球溫度14.7 ℃，平均相對(duì)濕度63%。

圖2 蘭州典型年月平均溫度和相對(duì)濕度

2.2 光伏集熱器性能分析仿真模型

本文采用TRNSYS 軟件搭建的光伏集熱器性能實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)如圖3 所示。仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程遵循如下假設(shè)：集熱器內(nèi)流體溫度、速度分布均勻一致；集熱器內(nèi)流體各項(xiàng)物性參數(shù)不隨溫度變化；光伏集熱器性能參數(shù)不因長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行而降低；忽略光伏集熱器表面灰塵對(duì)性能影響。

圖3 光熱器仿真模型系統(tǒng)圖

3 結(jié)果及分析

3.1 光伏集熱器的傾角及方位角確定

根據(jù)《太陽(yáng)能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范》［14］，集熱器的朝向宜設(shè)置在正南或南偏東、西30°范圍內(nèi)，安裝傾角宜選擇在當(dāng)?shù)鼐暥取?0°范圍內(nèi)。為得到光伏集熱器蘭州地區(qū)的合理安裝參數(shù)，首先通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得到正南向安裝傾角合理值，再得到合理的方位角。

圖4 示出蘭州地區(qū)光伏集熱器正南朝向10°～55°安裝傾角范圍內(nèi)全年太陽(yáng)能入射量、供暖季太陽(yáng)能入射量以及非供暖季太陽(yáng)輻射量。由圖5 可知，光伏集熱器全年使用的安裝傾角宜為30°，此時(shí)太陽(yáng)能入射量為5 282.3 MJ；非供暖季安裝傾角宜為10°，此時(shí)太陽(yáng)能入射量為3 523.9 MJ；供暖季安裝傾角宜為50°，此時(shí)太陽(yáng)能入射量為1 939.7 MJ。

圖4 正南朝向不同傾角年太陽(yáng)能入射量

圖5 不同方位角太陽(yáng)能入射量

在確定光伏集熱器全年、供暖季、非供暖季最佳安裝傾角30°、50°、10°后，圖5 示出3 種安裝傾角下不同方位角太陽(yáng)能入射量，當(dāng)正南朝向時(shí)，3 種安裝傾角的太陽(yáng)能入射量均達(dá)到最大值。

3.2 入口水溫的影響

光伏集熱器集熱介質(zhì)入口溫度關(guān)系光伏電池板的冷卻效果、集熱器集熱量。在設(shè)置非供暖季安裝傾角10°和正南向方位角、供暖季安裝傾角50°和正南向方位角，并選取蘭州地區(qū)典型最冷日和最熱日氣象參數(shù)前提下，對(duì)光伏集熱器性能受集熱介質(zhì)入口溫度進(jìn)行分析，結(jié)果示于圖6 和圖7，光伏集熱器入口流量為10 kg/h。

圖6 非供暖季入口水溫對(duì)集熱器性能的影響

圖7 供暖季入口水溫對(duì)集熱器性能的影響

圖6 為集熱介質(zhì)不同入口溫度條件下非供暖季典型日光伏集熱器的發(fā)電率和集熱率。上午9∶00，太陽(yáng)輻射入射量為280.5 W，入口水溫10 ℃，發(fā)電率為30 W，較同一時(shí)刻15 ℃和20 ℃，分別高1.4 W 和2.5 W；集熱率為150.2 W，較同一時(shí)刻15 ℃和20 ℃，分別高17.6 W 和44.5 W。

下午14∶00，太陽(yáng)輻射入射量達(dá)到全天峰值671.9 W，10 ℃入口水溫時(shí)，發(fā)電率為64.7 W，較同一時(shí)刻15 ℃和20 ℃分別高0.6 W 和1.4 W；集熱率為402.8 W，較同一時(shí)刻15 ℃和20 ℃入口水溫時(shí)分別高7.7 W 和28.4 W。

由此看出，光伏集熱器的光電性能和光熱性能均隨著入口水溫的升高而降低。此外，9∶00～14∶00，隨著太陽(yáng)輻射入射量的不斷增強(qiáng)，集熱板溫度升高，其對(duì)光伏電池板的冷卻效果變差、與集熱流體的傳熱量大幅升高，以致入口溫度對(duì)光伏集熱器性能減弱。

圖7 為不同入口水溫條件下供暖季典型日光伏集熱器的發(fā)電率和集熱率。上午10∶00，入口水溫為10、15、20 ℃時(shí)其集熱率分別為127.3、113.9、100.4 W，較同時(shí)刻非供暖季典型工況日分別減少115.6、112.1、105.7 W。下午13∶00 時(shí)刻，入口水溫為10、15、20 ℃時(shí)的發(fā)電率均達(dá)到相應(yīng)峰值，分別為73.0、72.2、71.3 W，集熱率分為401.7、389.0、376.2 W?？梢钥闯?，由于供暖季典型日光伏電池溫度相對(duì)較低、光電性能相對(duì)穩(wěn)別定，不同入口水溫條件下光伏集熱器的發(fā)電率基本相同。由于供暖季9∶00～11∶00、16∶00～18∶00 等2 個(gè)時(shí)段的太陽(yáng)輻射變化較大。典型日光伏集熱器集熱率波動(dòng)較大，其余時(shí)刻，入口水溫對(duì)光伏集熱器的光熱性能影響規(guī)律同非供暖季。

3.3 入口流量的影響

光伏集熱器集熱介質(zhì)流量同樣關(guān)系光伏電池板的冷卻效果及集熱量。在設(shè)置非供暖季安裝傾角10°、正南向方位角和供暖季安裝傾角50°、正南向方位角，并選取蘭州地區(qū)典型最冷日、最熱日氣象參數(shù)前提下，本文對(duì)光伏集熱器性能受集熱介質(zhì)流量的影響進(jìn)行分析，結(jié)果示于圖8 和圖9，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中光伏集熱器入口溫度為10 ℃。

圖8 非供暖季入口水流量對(duì)集熱器性能的影響

圖9 供暖季入口水流量對(duì)集熱器性能的影響

圖8 為不同集熱介質(zhì)流量條件下非供暖季典型日光伏集熱器的發(fā)電率和集熱率。由圖8 可知，下午14∶00，流量為10、20、30 kg/h 時(shí)的發(fā)電率為64.66、66.77、67.50 W。發(fā)電率和集熱率均隨流量的增大小幅提升，且流量＞30 kg/h 后，影響作用不再顯著。

圖9 為不同集熱介質(zhì)流量條件下供暖季典型日光伏集熱器的發(fā)電率和集熱率。上午9∶00，流量由10 kg/h 增至50 kg/h，光伏集熱器集熱率由77.36 W 增至90.57 W。下午13∶00，集熱率達(dá)到各流量條件下的峰值，且差值相對(duì)增大。與10 kg/h 流量工況相比，流量為30 kg/h 時(shí)的光伏集熱器集熱率高約31.67 W，若繼續(xù)增加流量，集熱率提升效果相對(duì)減弱。因此，發(fā)電率和集熱率隨流量的變化規(guī)律與非供暖季相似。

4 結(jié)論

光伏集熱器能夠?qū)崿F(xiàn)光伏和光熱的雙效產(chǎn)出，尤其適于兼具電、暖用能需求的偏遠(yuǎn)農(nóng)宅建筑。本文利用TRNSYS 軟件搭建光伏集熱器性能實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)，以蘭州為目標(biāo)城市，得到光伏集熱器的安裝角度合理值、性能與集熱介質(zhì)水的入口溫度和流量的作用關(guān)系，總結(jié)如下：

（1）蘭州地區(qū)光伏集熱器全年、供暖季、非供暖季安裝傾角宜為30°、50°、10°，安裝方位角宜為正南。

（2）相同氣象條件和流量前提下，入口水溫提升會(huì)使光伏集熱器光電、光熱轉(zhuǎn)化效率均產(chǎn)生小幅降低。整體來(lái)看，光伏集熱器供暖季的光電性能優(yōu)于非供暖季，非供暖季的光熱性能優(yōu)于供暖季。

（3）相同氣象條件和入口水溫前提下，光伏集熱器的光電、光熱性能隨入口水流量的增大略有增強(qiáng)，但當(dāng)流量達(dá)到定值時(shí)，作用不再顯著。