板管－鋁槽式水冷PV/T集熱器優(yōu)化設(shè)計與研究

東南大學能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室 ■ 徐亮亮 黃亞繼 王永興 王昕曄 程誠 袁琦

一 引言

光伏光熱PV/T集熱器(Photovoltaic Thermal Collector)通過冷卻太陽能電池得到低溫熱量，在提高電池效率的同時還能回收利用產(chǎn)生的低溫熱量。PV/T集熱器輸出的熱水溫度一般在40～60℃，適用于家庭熱水和其他對低溫熱量有大量需求的公用、民用領(lǐng)域[1]，尤其在建筑節(jié)能領(lǐng)域具有非常廣闊的發(fā)展前景[2]。

早在1976年Martin Wolf就對應(yīng)用于住宅的光伏發(fā)電與加熱的組合系統(tǒng)進行了分析，證明了光電系統(tǒng)與光熱系統(tǒng)組合是切實可行的[3]。以水和空氣作為傳熱介質(zhì)的PV/T系統(tǒng)的主要概念由Kern和Russell[4]于1978年首次提出。此后，世界各國研究者們相繼對PV/T系統(tǒng)進行了理論和實驗研究。Hendrie S D[5]于1979年提出PV/T集熱器的理論模型，為P V/T的后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。1981～1985年，Raghuraman P[6,7]提出并使用了數(shù)值方法預測PV/T的集熱性能。Bergene T等[8]建立了管板式PV/T二維穩(wěn)態(tài)模型，預測系統(tǒng)電能和熱能的產(chǎn)出，分析了管徑與吸熱板寬度之比對系統(tǒng)性能的影響。Trpanagnostopoulos Y等[9]針對12種不同形式的PV/T集熱器進行了實驗研究，并給出了各自的效率曲線，結(jié)果顯示，增加玻璃蓋板使得熱效率提高了30%，但是由于光損失導致電效率降低了16%。重慶大學的崔文智等[10]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。中國科學技術(shù)大學的季杰、裴剛等[11～13]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。天津大學趙軍等[14]設(shè)計制作了一種非晶硅的PV/T結(jié)構(gòu)，實驗研究后分析了該PV/T結(jié)構(gòu)在天津地區(qū)的性能特征。

本文從強化傳熱角度著眼，設(shè)計了一種板管－鋁槽式的水冷PV/T集熱器，并對其進行了數(shù)值模擬研究。

使用數(shù)值模擬方法對系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計具有提高效率、縮短周期、減少成本等諸多優(yōu)點。然而現(xiàn)有文獻中，數(shù)值模擬在PV/T中的應(yīng)用主要集中在系統(tǒng)的性能分析和理論分析方面，在PV/T系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用并不多見，這正是本文的創(chuàng)新所在。

二 PV/T系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究的PV/T系統(tǒng)由水路、電路和數(shù)據(jù)傳輸三部分組成，如圖1所示。其中，PV電池板的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 PV/T系統(tǒng)流程圖

圖2 PV組件結(jié)構(gòu)圖

1 芯片

在玻璃表面上沉積TCO膜，作前電極，即正極；在TCO上沉積非晶硅p-i-n層，作發(fā)電層；再在n層上沉積Al膜，作背電極，即負極。

2 鋁帶

電池芯片的正負極通過點焊機在Al膜上焊接Al帶來導出電流，Al帶寬2.5mm，厚0.1mm。

3 EVA

在芯片上敷設(shè)EVA熱熔膠，電流邊的Al帶位于EVA下，在上方離短邊100mm處彎折Al帶，把Al帶翻折于EVA上引電壓邊方向布置，從背板玻璃的圓孔(ˉ=10mm)穿出；EVA經(jīng)過高溫熔融后把電池芯片和背板玻璃粘接在一起。

4 背玻璃

采用4 m m浮法玻璃作為組件的背板，通過EVA把電池芯片和背玻璃粘接成一個整體。

5 接線盒

用硅膠將接線盒粘在背玻璃上，并用烙鐵把鋁帶焊接在接線盒的接線柱上。

集熱器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用管板式結(jié)構(gòu)，本文的結(jié)構(gòu)與一般管板式結(jié)構(gòu)的區(qū)別是，加入了一種強化換熱的鋁槽。將直徑10mm的銅管嵌入到圖3所示的鋁槽中，與整個鋁槽形成一個整體結(jié)構(gòu)，具有安裝方便、換熱面積大、換熱速率快等優(yōu)點。

圖3 集熱器結(jié)構(gòu)示意圖

三 PV/T集熱器數(shù)值模擬

1 PV/T系統(tǒng)效率評價

考慮到熱能和電能的品質(zhì)不同，PV/T系統(tǒng)綜合效率采用Huang B J等[15]提出的光熱光電性能綜合效率。

其中，ηT為PV/T系統(tǒng)的綜合效率；ηe為PV/T集熱器電效率；ηp為常規(guī)火力發(fā)電廠的發(fā)電效率，取0.38；ηth為PV/T集熱器熱效率。

PV/T集熱器熱效率ηth是指單位集熱器面積輸出的熱量與入射太陽能的能量之比，表達式為：

其中，Qu為輸出的熱量，W；Ac為集熱器的面積，m2；G為入射的太陽能能量，W/m2；Tf,o為流體的出口，K；Tf,i為進口溫度，K；m為流體的質(zhì)量流率，kg/s；Cp為流體熱容，J/(kg·K)。

電效率ηe的計算公式為：

其中，ηref為光伏發(fā)電最大功率點，取12%；θpv為PV電池的溫度系數(shù)，取0.5%K-1；T為工作溫度，取電池板中心溫度；Tref為標準工況，取25℃。

2 太陽輻射量的計算

以2011年11月11日南京地區(qū)中午12:00數(shù)據(jù)作為參考數(shù)據(jù)按以下系列公式進行計算。

(1)太陽常數(shù)Isc(2)大氣質(zhì)量m

大氣光線的實際路線與次最短路程之比稱為大氣質(zhì)量，表達式為：

其中，θZ為太陽天頂角；αs為太陽高度角。

(3)大氣透明度P

(4)時角ω

時角在數(shù)值上等于離正午的時間h乘以15?。

(5)赤緯角

赤緯角可用Cooper方程近似計算：

δ=23.45sin(360?284+n)365

其中，n為一年中的日期序號。

(6)方位角γs

方位角是太陽光線在地平面上投影和地平面上正南方向之間的夾角。

(7)太陽高度角αs

太陽高度角為太陽光線與其在地平面上投影線之間的夾角，計算式為：

其中，ˉ為當?shù)鼐暥龋沪臑樘柍嗑暯牵沪貫闀r角。

(8)太陽天頂角θz

太陽天頂角為太陽光線與地平面法線之間的夾角。

(9)到達地面的法向太陽直射輻照度In

其中，γ為日地變化修正值；Isc為太陽常數(shù)；P為大氣透明度。

(10)水平面上的太陽直射輻照度Ib

(11)平面上的散射輻照度Id

(12)太陽入射角

(13)傾斜面上的小時太陽直射輻照度

(14)傾斜面上的小時散射輻照量

(15)地面反射輻照量

其中，ρ與地表的覆蓋狀態(tài)有關(guān)，在一般情況下，可取ρ=0.2。

(16)傾斜面上的小時太陽總輻照量——天空各向同性模型

以上公式得到的太陽能數(shù)據(jù)見表1。

表1 太陽輻射參數(shù)計算表

3 建立物理模型

(1)網(wǎng)格劃分

采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對三維集熱模型進行網(wǎng)格劃分，模型網(wǎng)格數(shù)在50萬～100萬之間。

(2)條件假設(shè)

假設(shè)每個PV模塊的側(cè)邊為絕熱邊界，彼此互不影響；假設(shè)連接管路保溫效果優(yōu)良，忽略其熱損；不考慮玻璃蓋板表面灰塵、污垢對采光的影響。

(3)參數(shù)設(shè)置

物理模型的參數(shù)建立見表2。

表2 模型參數(shù)表

4 模擬結(jié)果

針對上述建立的模型，本文利用通用計算流體力學(CFD)軟件Fluent考慮管間距、水流量、入口水溫、保溫層厚度等因素對PV/T性能的影響進行了模擬計算。文中的電池板溫度取電池板的平均溫度作為效率計算的溫度值。

(1)水流量對PV/T系統(tǒng)性能的影響

模型設(shè)置管間距為50mm，進口水溫為環(huán)境溫度，分別設(shè)置流量為15、20、25、30、35L/h。

圖4為集熱器出口水溫和電池板溫度隨水流量的變化關(guān)系。可以看出，出口水溫和電池板溫度均隨流量的增加而減小，電池板溫度（平均溫度）低于出口水溫5℃左右。導致電池板的平均溫度比出口水溫低的原因是：離集熱器入口較近的管段水的溫度較低，對電池板的冷卻較好，使得此管段相應(yīng)的背板溫度低于出口水溫且溫差較大，隨著傳熱的進行冷卻水與背板之間的傳熱溫差越來越小，使得接近水流出口附近的電池板溫度高于出口水溫，取平均值后電池背板溫度低于出口溫度。當流量＞30L/h時，出口水溫＜40℃，熱利用價值較低。

圖4 不同流量下出口水溫及電池板溫度變化曲線

圖5為不同流量下系統(tǒng)的綜合效率。從圖5可以看出，在一定范圍內(nèi)，隨著流量的增加，系統(tǒng)的綜合效率、熱效率和電效率均逐漸增大。流量從15L/h增加到20L/h時，三種效率增加速度最快，流量在20 ～25L/h時，熱效率和綜合效率的增加速度最慢，在整個過程中電效率隨流量的增速則是較均勻的趨于平緩。當流量為35L/h時，系統(tǒng)的電效率為11.6%，熱效率為52.5%，綜合效率為83.02%。

圖5 流量影響下的效率曲線

電效率的高低并非唯一需要考慮的指標，還要考慮出口水溫的高低，因此電效率最高值所對應(yīng)的流量并非最佳流量。綜合圖3和圖4分析可知，當水流量在20L/h時，出口水溫可達到約51℃，同時流量從15L/h升高到20L/h時電效率的增速最高，達到0.116%/(L/h),且與流量為35L/h時的電效率相差不到1%。熱效率在此流量區(qū)間的增速也是最高的，達到0.772%/(L/h)。綜合分析以上數(shù)據(jù)，20L/h即為該模擬系統(tǒng)的最佳流量值。

(2)管間距對PV/T系統(tǒng)性能的影響

模型中設(shè)置管間距分別為6 0 m m、7 0 m m、80mm、90mm、100mm對PV/T系統(tǒng)進行了模擬計算，計算的流量為15L/h。計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 管間距影響下的出口水溫及電池溫度曲線

圖6為U型管管間距對出水溫度和電池溫度的影響。可以看出，管間距在60～80mm時，出水溫度隨著管間距的增大而升高，而電池溫度隨著間距的增大而降低；管間距在80～100mm時，出水溫度隨管間距的增大而降低，而電池溫度隨著間距的增大而升高。在計算模擬范圍內(nèi)，出水溫度和電池溫度均在管間距等于80mm時出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。

圖7為熱效率、電效率和綜合效率隨管間距的變化曲線。從圖中可以明顯看出，管間距在60～100mm時，電效率和熱效率以及綜合效率的變化規(guī)律均是先增大后減小，其變化轉(zhuǎn)折點為80mm，即在集熱器管間距為80mm時系統(tǒng)的電效率和熱效率及綜合效率均達到最大值。綜合考慮圖6，當管間距為80mm時出口水溫達到最大值，背板溫度達到最小值，由此可以得出，該系統(tǒng)的最佳管間距為80mm。

圖7 管間距影響下的效率曲線

(3)入口水溫對PV/T系統(tǒng)性能影響

模型中入口水溫選取5個模擬工況，為明確表達入口水溫的高低，將入口水溫與環(huán)境溫度之差(ti-ta)作為分析的變量，分別設(shè)置入口溫度邊界條件為ti-ta=-5℃、-3℃、0℃、3℃、5℃。

圖8為集熱器出口水溫和電池溫度隨集熱器進口水溫的變化。從圖中可以看出，出口水溫和電池溫度均隨進口溫度的升高而升高，并且出口溫度高于電池板的平均溫度，與前述規(guī)律相似。當入口水溫低于環(huán)境溫度5℃時，模擬計算所得的系統(tǒng)的出口水溫to約為57.9℃；當入口ti-ta=0℃時，to約達到61.9℃；當入口ti-ta=5℃，to達到67.2℃。按平均值計算，入口溫度每升高1℃可以導致出口水溫升高0.93℃，電池板溫度升高0.95℃，可見電池板升溫幅度略大于出口水溫。

圖8 入口水溫影響下的出口水溫及電池溫度曲線

圖9為熱效率，電效率和系統(tǒng)的綜合效率隨著入口水溫的變化曲線。可以明顯看出，三種效率隨著入口水溫的升高均呈減小趨勢，其中電效率隨著入口水溫呈近似直線下降趨勢，斜率近似為0.057%/℃，可見，在一定范圍內(nèi)入口水溫對電效率的輸出影響較小。熱效率和綜合效率在入口溫差介于-3～0℃時下降的速度較其他階段要快。

圖9 入口水溫影響下的效率曲線

綜合圖8和圖9分析可得，出口水溫和各效率隨著入口水溫的變化特性相反，因此選擇中間溫度作為參考入口水溫較為合適。通過模擬所得最佳的入口水溫應(yīng)與環(huán)境溫度一致，即18℃。

(4)保溫層厚度對PV/T系統(tǒng)性能影響

保溫層厚度設(shè)置為10mm、30mm、50mm、70mm、90mm，計算結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖10為出口水溫和背板溫度關(guān)于保溫層厚度的變化曲線。可以看出，出口水溫和背板溫度均隨著保溫層厚度的增加而升高。原因是，保溫厚度增大時背板的散熱條件變得惡劣，不利于電池板的散熱，從而使得電池溫度上升；而另外一方面向外界的熱損失減小后就意味水流吸收的熱量增大，所以導致出口水溫有所升高。從平均值來看，當保溫層每升高10mm時，出水口溫度約升高0.5℃，電池溫度約升高0.4℃。

圖10 保溫層厚度影響下的出口水溫與電池溫度曲線

圖11為熱效率、電效率和系統(tǒng)綜合效率關(guān)于保溫層厚度的變化曲線。其中，熱效率和綜合效率均隨著保溫厚度增加而升高，而電效率與之相反，隨著保溫層厚度的升高而下降。保溫層厚度小于30mm時，熱效率隨保溫層厚度增加而增加的速率較大，達到1.5%/10mm，隨后增速逐漸變緩，約為0.21%/10mm。保溫層增加過程中，電效率從10.25%的降低到10%，平均下降速率為0.031%/10mm。

綜合分析可得，當保溫層厚度為30mm時，集熱器出口水溫和各效率均處于較高水平，綜合考慮經(jīng)濟性和效率，選取30mm作為該系統(tǒng)最佳保溫層厚度。

(5)電效率和熱效率對各種影響因素的敏感度分析

通過模擬計算的結(jié)果進行分析可得出不同影響因素對電效率和熱效率的影響，如圖12、圖13所示。圖中單位%/(L·h?1)表示流量每增加1L/h電效率或者熱效率的平均變化量，依此類推。從圖11可以看出，一定范圍內(nèi)，電效率對水流量的敏感度最大，平均值為0.076%/(L·h?1)；其次是入口水溫，為?0.057%℃；再次為管間距(管間距＜80mm時)，為0.035%/cm；影響最小的是保溫層厚度，為?0.023%/cm。從圖12中可以得出，一定范圍內(nèi)，熱效率對保溫層厚度的敏感度最大，達到0.53%/cm；其次是水流量，為0.38%/(L·h?1)；管間距的影響大小與水流量的影響接近，大小為0.37%/cm；熱效率對入口水溫的敏感度最小，大小為?0.17%/℃。

圖13 熱效率對各種影響因素的平均敏感度分析

四 結(jié)論

通過對PV/T系統(tǒng)的數(shù)值模擬計算分析了水流量、管間距、入口水溫和保溫層厚度對系統(tǒng)性能的影響，在模擬計算工況范圍內(nèi)，可得出以下結(jié)論：

(1)出口水溫隨著流量的增加而降低，電效率、熱效率及綜合效率隨著流量的增加而下降，且流量大于30L/h時水溫低于40℃，熱利用價值大大降低。流量從15L/h增加到20L/h時，三種效率增加速度最快，且此時出口水溫較高達到51℃。繼續(xù)增加流量對各效率的貢獻減小且加劇出口水溫下降。因此，選取20L/h作為系統(tǒng)的最佳流量值。

(2)出口水溫和電效率、熱效率及綜合效率隨著管間距的變化過程中，在間距為80mm時均存在一個峰值，此時各參數(shù)均達到最佳值，故80mm為該集熱器的最佳管間距值。

(3)出口水溫隨著入口水溫的升高而升高，電效率、熱效率及綜合效率隨著入口水溫的升高而下降，且影響較為均勻。因此選擇入口水溫的中間點作為最佳入口水溫，即與環(huán)境溫度相等。

(4)出口水溫隨著保溫層厚度的增加而升高，熱效率和綜合效率隨著保溫層厚度的增加而升高，電效率隨著保溫層厚度的增加而降低。當保溫層厚度為30mm時，出口水溫和各效率均處于較高水平，綜合考慮經(jīng)濟性和效率，選取30mm作為該系統(tǒng)最佳保溫層厚度。

(5)電效率對水流量的敏感度最大，對保溫層厚度的敏感度最小；而熱效率對保溫層厚度的敏感度最大，對入口水溫的敏感度最小。

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