新型平板太陽能PV/T空氣集熱器傳熱特性的數值研究

孫 健，徐銀文，黃章峰，李 杰

（景德鎮陶瓷學院，江西 景德鎮 333403）

新型平板太陽能PV/T空氣集熱器傳熱特性的數值研究

孫 健，徐銀文，黃章峰，李 杰

（景德鎮陶瓷學院，江西 景德鎮 333403）

摘 要：文中設計了一款新型PV/T一體化空氣集熱器，建立了新型PV/T空氣系統內部傳熱過程的一維非穩態數學模型，并利用差分法對模型進行了數值計算。根據計算結果對一體化系統的性能及影響因素進行了分析。結果表明：在一定的光照強度下，隨著空氣質量流量增加，電池板溫度Tp逐漸下降，空氣溫升逐漸降低；而熱效率、光電轉化效率、聯合效率隨空氣流量的增加有所升高。模型的建立為高性能太陽能PV/T一體化空氣集熱器的優化設計提供較好理論依據。

關鍵詞：PV/T；數值模擬；耦合特性

E-mail:ajian933@163.com

0　 引 言

在全球范圍內，隨著能源越來越緊張，環境也逐漸惡化，太陽能作為一種清潔的可再生能源日益受到了人們的重視。太陽能的利用方式主要有兩種，一種是光能轉換成熱能，另一種是光能直接轉換成電能，即光伏發電系統。在光伏發電系統中，太陽能電池的發電功率一般為10%-15%，大部分的太陽能轉化為熱能散失在空氣中。此外，如果熱量沒有被及時排走，就會導致太陽能電池溫度升高，從而直接降低太陽能電池的光電轉化效率[1]。太陽能PV/T系統主要目的是在保證太陽能電池安全穩定運行情況下，通過降低電池溫度來增大光轉換效率，同時收集太陽能轉化成的熱量，收集的熱量在不同地方都有不同的用途。例如：建筑供熱，干燥陶瓷坯體等。

為了設計出高效、廉價的且能適應不同實際環境的太陽能PV/T系統，研究人員進行了大量研究工作。Ong[2]建立了穩態的數學模型并為預測四種平板太陽能空氣集熱器的傳熱性能提供了解決方案。Sopian等[3]提出了新型雙通道太陽能集熱器，并在穩態的條件下，把其和單通道太陽能集熱器的性能進行了比較。Garg and Adhikar[4]對預測太陽能PV/T系統瞬態性能提出了一個計算機仿真模型。他們設計的是進口的空氣在吸收板和背部板之間流動，后來，Garg和Adhikar[5]對在單通道PV/T空氣集熱器加上一個復合拋物面聚光鏡，并在穩態的條件下，進行了能量傳遞的理論分析。Hegazy[6]比較研究了四種光電性能的太陽能空氣集熱器，并為每種類型的集熱器建立了數學模型且進行了數值求解。Sopian等[7]在穩態的條件下，對雙通道PV/T太陽能集熱器的理論研究和實驗研究進行了進一步的深化。Sopain[8]也對單通道和雙通道太陽能集熱器的進行了成本—收益的計算。Tripanagnotopoulos 等[9]建立和測試了以水和空氣為流動介質的集熱器。Zondag等[10]比較了七種不同設計的太陽能集熱器的熱效率和光電轉換效率。Othman等[11]設計并制作了一個帶有翅片的雙通道太陽能集熱器的原型。Othman等[12]在穩態的條件下，還從理論和實驗上面研究了翅片固定在吸收板背部的雙通道PV/T空氣集熱器的傳熱性能。

為了分析電熱聯供PV/T空氣系統的運行特性和能量利用效率，優化空氣集熱器的運行參數。文中建立了帶有強化傳熱結構的平板太陽能PV/T雙通道空氣回流集熱器非穩態傳熱模型，采用數值分析的方法對模型進行了計算，對空氣質量流速、入射光強度對集熱器的熱、電及總效率的影響進行了分析，研究結果可為該類系統的性能評價與運行及優化設計提供理論上的參考依據。

圖1　帶翅片雙通道太陽能PV/T集熱系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of double pass PV/T air collector with fins

圖2　PV/T集熱系統傳熱過程熱阻網絡圖Fig.2 Schematic of heat resistance network of hybrid photovoltaic/thermal system

1　空氣集熱器組成及傳熱過程

1.1系統組成

圖1是一種雙通道回流式帶有翅片的PV/T空氣集熱器及其傳熱過程原理圖。該熱電一體化集熱器主要由透明的低鐵玻璃蓋板、風機、電池板、吸熱板和翅片及保溫層組成。陽光透過上表面玻璃蓋板進入系統內，照射到電池和吸熱板表面上，電池板沿系統長度方向采用串聯方式連接，冷卻電池的空氣通過風機從上部通道進入系統，再沿吸熱板背部裝有翅片的下部通道內流出，翅片強化了空氣與吸熱板間的換熱。系統底部和側部采取了保溫度措施，以減少系統向環境的散熱。圖2是該結構集熱器傳熱過程的熱阻網絡圖。玻璃通過上表面以對流和輻射的方式向天空和環境中散熱，下表面則通過對流和輻射的方式與吸熱板和電池板進行換熱。吸熱板下表面及翅片通過對流和通道內的空氣進行換熱，且通過輻射的方式和底板進行熱交換，底板通過導熱、對流和輻射向環境散熱。

1.2系統傳熱過程的數學模型

為簡化分析，對系統的傳熱過程作了如下的假設：傳熱過程是非穩態，并且是一維的；空氣通道是光滑的且不漏氣；忽略系統各表面的熱容對傳熱過程的影響；沒有轉化成電能的太陽能全部轉化成了熱能被吸熱板和電池板吸收；電池板，吸熱板和玻璃蓋板的溫度不沿流體流動的方向變化，只隨時間變化，只是時間的函數；在離散后的單元內各表面溫度是均勻一致的；由于電池板很薄和吸熱板接觸良好，忽略它們內部的傳熱熱阻，每個單元里電池和吸熱板的溫度是相等；根據上述假設，可以列出系統各表面的能量平衡關系：

對玻璃板：

對吸熱板：

肋效率：

對下部空氣通道：

對背部板:

能量平衡方程中的對流和輻射換熱系數分別以下腳標‘c ’和 ‘r’表示，及相應的空氣的熱物性參數可根據文獻[2,4,5]中提供的有關公式進行計算。

2　系統的性能參數

系統獲得的熱，電效率及總能量效率可以通過下面的公式進行計算。

表1　一體化系統參數值一覽表Tab.1 Parameters of PV/T air collector

3　計算結果與討論

通過Matlab語言編寫程序來求解能量方程組。在求解過程中，在不同的參數和條件下，基于時間上采取一階向前差分，空間上采取二階中心差分來計算PV/T太陽能集熱器的傳熱特性。計算中系統的相關的特性參數，如表1中所示。系統的外型尺寸：吸熱平板的尺寸為L=2 m，W=0.8 m，背部肋片高度H=0.12 m，厚度δ=1.5 mm；平板表面沿長度方向布置4排規格為130 mm×120.5 mm的太陽能電池板，覆蓋率為80%。

當入口空氣溫度為30 ℃時，在不同光照強度時，空氣的質量流量對電池板溫度的影響如圖3所示。結果表明在一定的光照強度下，電池板的溫度Tp隨著空氣質量流量的增加而逐漸下降。當入口空氣質量不變時，電池板的溫度隨著光照強度的增加而升高。仔細觀察還可以從圖中發現，電池溫度升高的幅度在較低入口空氣質量流量下更加明顯，而隨著質量流量的提高升高的幅度越來越小。這主要是因為空氣的定壓熱容比較小，當空氣流量較小時，在一定的光照強度下空氣的溫度升比較快，對電池的冷卻效果變差，造成電池溫升比較大。光伏電池板溫度的增加會降低光電轉化效率。因此，為了維持較高的光伏轉化效率，必須使電池板在較低的溫度下工作，也就是要保持一個合理的空氣入口流速。圖4空氣進出口的溫度差值(即空氣在上下通道內溫度的升高)與空氣的質量流量有關系。從圖可以看出，在不同的光照強度下，空氣溫度升高的數值隨著空氣質量流量增加而降低，并且在質量流量不變的情況下，高光照強度時比低光照強度條件下空氣溫度升高的值要大。

圖5展示的是在不同光照強度下，當空氣質量流量為0.06 kg/s，流體在上部通道和下部通道內流動時，空氣溫度的變化情況。從圖中可以看出，不管是在上部通道還是在下部通道，流體在運動的過程中溫度都是升高的，因為下部通道有肋片的作用，電池板散熱增加，所以下部通道流體溫度升高的幅度會更大。圖6顯示的是在光照強度為700 W/ m2時，空氣質量流量變化對PV/T空氣系統的熱、電及光電總效率的影響情況。從圖中可以看出，系統的各效率隨空氣質量流量的增加而增大，光照強度為700 W/m2時，空氣質量流量為0.1 kg/s時系統總效率可以達到80%，系統的熱效率接近65%，電效率接近15%。系統的總效率較單一的熱利用或電利用都有明顯的提高。

圖3　不同光照強度下質量流量對電池板溫度的影響Fig. 3 Effects of mass flow rate of the air on temperature of solar cell at different radiation intensity

圖4　不同光照強度下質量流量對空氣溫度的影響Fig. 4 Effects of mass flow rate of the air on temperature of the air at different radiation intensity

圖5　不同光照強度下空氣溫度沿集熱器長度變化情況Fig. 5 Variation of temperature of the air along the length of the collector at different radiation intensity

圖6　在一定光照強度下質量流量對系統各效率的影響Fig. 6 Effects of mass flow rate of the air on efficiencies of the collector at co

4　結 論

建立了以空氣作為冷卻介質的新型太陽能PV/ T系統一維非穩態傳熱及熱、電性能數學模型，通過對模型進行數值求解發現：冷卻空氣質量流量、光照強度和入口空氣的溫度是影響電池板表面溫度和系統熱、電及總效率的主要因素。在一定的光照強度下，電池板的溫度隨著空氣質量流量的增加是逐漸下降的；在一定的質量流量下，電池板的溫度隨著光照強度的增加而升高。在不同的光照強度下，空氣溫升隨著質量流量的升高而降低；在相同的質量流量情況下，高光照強度比低光照強度時空氣溫升要大。系統的熱、電及總效率隨空氣質量流量的增加而增大，光照強度為700 W/m2時，空氣質量流量為0.1 kg/s時系統總效率可以達到80%。

參考文獻:

[1]FLORSCHUETZ L W. Extension of the Hottel-Whillier model to the analysis of combined photovoltaic thermal flat collector. Solar Energ., 1979, 22: 361～366.

[2]ONG K S. Thermal performance of solar air heaters: Mathematical model and solution procedure. Solar Energ., 1995, 55: 93-109.

[3]SOPIAN K, YIGIT K S, LIU H T, et al. Performance analysis of photovoltaic thermal air heaters. Energ. Convers. Manage., 1996, 37: 1657-1670.

[4]GARG H P, ADHIKARI R S. Transient simulation of conversional hybrid photovoltaic/thermal (PV/T) air heating collectors. Int. J. Energy Res., 1998, 22: 547-62.

[5]GARG H P, ADHIKARI R S. Performance analysis of a hybrid Photovoltaic/Thermal (PV/T) collector with integrated CPC troughs. Int. J. Energy Res., 1999, 23: 1295-12304.

[6]HEGAZY A A. Comparative study of the performance of four photovoltaic/thermal solar air collectors. Energ. Convers. Manage., 2000, 41: 861-881.

[7]SOPIAN K, YIGIT K S, LIU H T, et al. Performance of a double pass photovoltaic thermal solar collector suitable for solar drying system. Energ. Convers. Manage., 2000, 41: 53-365.

[8]SOPIAN K, OTHMAN M Y H. On the cost-effectiveness of photovoltaic thermal solar collector. Proceeding of the World Renewable Energy Congress VI, 2000, Brighton, UK: 2057-2060.

[9]TRIPANAGNOSTOPOULOS Y, NOUSIA T, SOULIOTIS M, et al. Hybrid photovoltaic/thermal solar system. Solar Energy, 2002, 72: 217-234.

[10]ZONDAG H A, DE VRIES D W, VAN HENDEL W G J, et al. The yield of different combined Pv-thermal collector designs. Solar Energy, 2003, 74: 253-269.

[11]OTHMAN M Y, YATIM B, SOPIAN K, et al. Performance analysis of a double-pass photovoltaic/thermal (PV/T) solar collector with CPC and fins. Renewable Energy, 2005, 30: 2005-2017.

[12]OTHMAN M Y, YATIM B, SOPIAN K, et al. Performance studies on a finned double-pass photovoltaic-thermal (PV/T) solar collector. Desalination, 2007, 209: 43-49.

[13]楊世銘.傳熱學(第三版)[M]. 北京, 高等教育出版社, 1998: 162-196.

通信聯系人：孫健(1973-)，男，博士，副教授。

Received date: 2014-07-19. Revised date: 2014-08-23.

Correspondent author:SAN Jian(1973-), male, Ph . D., Associate professor.

Numerical Simulation of Thermal Performance of a New Type of Flat-Plate Solar PV/T Air Collector

SUN Jian, XU Yinwen, HUANG Zhangfeng, LI Jie
(Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, Jiangxi, China)

Abstract:In this paper, a new type of integrated solar PV/T air collector is designed. A one-dimensional unsteady mathematical model is developed, the internal heat transfer process is calculated by finite difference approach. The performance of PV/T solar air collector is predicted under different parameters and conditions. Results indicate that the temperature of solar cell and outlet air decrease with the increase of air mass flow rate under the same incident solar intensity. Then, the thermal efficiency, electrical efficiency and total efficiency of PV/T system increase with the rising of the inlet air mass flow rate. The models provide valuable theoretical basis for the optimal design of highperformance solar PV/T integrated air system.

Key words:PV/T; numerical simulation; coupled properties

中圖分類號：TQ174.75

文獻標志碼：A

文章編號：1000-2278(2015)01-0078-05

DOI：10.13957/j.cnki.tcxb.2015.01.017

收稿日期：2014-07-19。

修訂日期：2014-08-23。

基金項目：江西省對外科技合作項目(編號：20142BDH80024)。