板管－铝槽式水冷PV/T集热器优化设计与研究

东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室 ■ 徐亮亮 黄亚继 王永兴 王昕晔 程诚 袁琦

一 引言

光伏光热PV/T集热器(Photovoltaic Thermal Collector)通过冷却太阳能电池得到低温热量，在提高电池效率的同时还能回收利用产生的低温热量。PV/T集热器输出的热水温度一般在40～60℃，适用于家庭热水和其他对低温热量有大量需求的公用、民用领域[1]，尤其在建筑节能领域具有非常广阔的发展前景[2]。

早在1976年Martin Wolf就对应用于住宅的光伏发电与加热的组合系统进行了分析，证明了光电系统与光热系统组合是切实可行的[3]。以水和空气作为传热介质的PV/T系统的主要概念由Kern和Russell[4]于1978年首次提出。此后，世界各国研究者们相继对PV/T系统进行了理论和实验研究。Hendrie S D[5]于1979年提出PV/T集热器的理论模型，为P V/T的后续研究奠定了基础。1981～1985年，Raghuraman P[6,7]提出并使用了数值方法预测PV/T的集热性能。Bergene T等[8]建立了管板式PV/T二维稳态模型，预测系统电能和热能的产出，分析了管径与吸热板宽度之比对系统性能的影响。Trpanagnostopoulos Y等[9]针对12种不同形式的PV/T集热器进行了实验研究，并给出了各自的效率曲线，结果显示，增加玻璃盖板使得热效率提高了30%，但是由于光损失导致电效率降低了16%。重庆大学的崔文智等[10]对PV/T系统进行了动态特性分析，建立了太阳能PV/T系统的二维动态模型，并用Fluent软件模拟了PV/T系统的性能特征。中国科学技术大学的季杰、裴刚等[11～13]研究了光伏－太阳能热泵系统的综合性能，还设计了一种全铝扁盒式自然循环的PV/T热水系统，并对其进行了实验研究。天津大学赵军等[14]设计制作了一种非晶硅的PV/T结构，实验研究后分析了该PV/T结构在天津地区的性能特征。

本文从强化传热角度着眼，设计了一种板管－铝槽式的水冷PV/T集热器，并对其进行了数值模拟研究。

使用数值模拟方法对系统进行优化设计具有提高效率、缩短周期、减少成本等诸多优点。然而现有文献中，数值模拟在PV/T中的应用主要集中在系统的性能分析和理论分析方面，在PV/T系统优化设计中的应用并不多见，这正是本文的创新所在。

二 PV/T系统结构

本文研究的PV/T系统由水路、电路和数据传输三部分组成，如图1所示。其中，PV电池板的结构如图2所示。

图1 PV/T系统流程图

图2 PV组件结构图

1 芯片

在玻璃表面上沉积TCO膜，作前电极，即正极；在TCO上沉积非晶硅p-i-n层，作发电层；再在n层上沉积Al膜，作背电极，即负极。

2 铝带

电池芯片的正负极通过点焊机在Al膜上焊接Al带来导出电流，Al带宽2.5mm，厚0.1mm。

3 EVA

在芯片上敷设EVA热熔胶，电流边的Al带位于EVA下，在上方离短边100mm处弯折Al带，把Al带翻折于EVA上引电压边方向布置，从背板玻璃的圆孔(¯=10mm)穿出；EVA经过高温熔融后把电池芯片和背板玻璃粘接在一起。

4 背玻璃

采用4 m m浮法玻璃作为组件的背板，通过EVA把电池芯片和背玻璃粘接成一个整体。

5 接线盒

用硅胶将接线盒粘在背玻璃上，并用烙铁把铝带焊接在接线盒的接线柱上。

集热器的结构如图3所示，采用管板式结构，本文的结构与一般管板式结构的区别是，加入了一种强化换热的铝槽。将直径10mm的铜管嵌入到图3所示的铝槽中，与整个铝槽形成一个整体结构，具有安装方便、换热面积大、换热速率快等优点。

图3 集热器结构示意图

三 PV/T集热器数值模拟

1 PV/T系统效率评价

考虑到热能和电能的品质不同，PV/T系统综合效率采用Huang B J等[15]提出的光热光电性能综合效率。

其中，ηT为PV/T系统的综合效率；ηe为PV/T集热器电效率；ηp为常规火力发电厂的发电效率，取0.38；ηth为PV/T集热器热效率。

PV/T集热器热效率ηth是指单位集热器面积输出的热量与入射太阳能的能量之比，表达式为：

其中，Qu为输出的热量，W；Ac为集热器的面积，m2；G为入射的太阳能能量，W/m2；Tf,o为流体的出口，K；Tf,i为进口温度，K；m为流体的质量流率，kg/s；Cp为流体热容，J/(kg·K)。

电效率ηe的计算公式为：

其中，ηref为光伏发电最大功率点，取12%；θpv为PV电池的温度系数，取0.5%K-1；T为工作温度，取电池板中心温度；Tref为标准工况，取25℃。

2 太阳辐射量的计算

以2011年11月11日南京地区中午12:00数据作为参考数据按以下系列公式进行计算。

(1)太阳常数Isc(2)大气质量m

大气光线的实际路线与次最短路程之比称为大气质量，表达式为：

其中，θZ为太阳天顶角；αs为太阳高度角。

(3)大气透明度P

(4)时角ω

时角在数值上等于离正午的时间h乘以15¡。

(5)赤纬角

赤纬角可用Cooper方程近似计算：

δ=23.45sin(360¡284+n)365

其中，n为一年中的日期序号。

(6)方位角γs

方位角是太阳光线在地平面上投影和地平面上正南方向之间的夹角。

(7)太阳高度角αs

太阳高度角为太阳光线与其在地平面上投影线之间的夹角，计算式为：

其中，¯为当地纬度；δ为太阳赤纬角；ω为时角。

(8)太阳天顶角θz

太阳天顶角为太阳光线与地平面法线之间的夹角。

(9)到达地面的法向太阳直射辐照度In

其中，γ为日地变化修正值；Isc为太阳常数；P为大气透明度。

(10)水平面上的太阳直射辐照度Ib

(11)平面上的散射辐照度Id

(12)太阳入射角

(13)倾斜面上的小时太阳直射辐照度

(14)倾斜面上的小时散射辐照量

(15)地面反射辐照量

其中，ρ与地表的覆盖状态有关，在一般情况下，可取ρ=0.2。

(16)倾斜面上的小时太阳总辐照量——天空各向同性模型

以上公式得到的太阳能数据见表1。

表1 太阳辐射参数计算表

3 建立物理模型

(1)网格划分

采用非结构化网格对三维集热模型进行网格划分，模型网格数在50万～100万之间。

(2)条件假设

假设每个PV模块的侧边为绝热边界，彼此互不影响；假设连接管路保温效果优良，忽略其热损；不考虑玻璃盖板表面灰尘、污垢对采光的影响。

(3)参数设置

物理模型的参数建立见表2。

表2 模型参数表

4 模拟结果

针对上述建立的模型，本文利用通用计算流体力学(CFD)软件Fluent考虑管间距、水流量、入口水温、保温层厚度等因素对PV/T性能的影响进行了模拟计算。文中的电池板温度取电池板的平均温度作为效率计算的温度值。

(1)水流量对PV/T系统性能的影响

模型设置管间距为50mm，进口水温为环境温度，分别设置流量为15、20、25、30、35L/h。

图4为集热器出口水温和电池板温度随水流量的变化关系。可以看出，出口水温和电池板温度均随流量的增加而减小，电池板温度（平均温度）低于出口水温5℃左右。导致电池板的平均温度比出口水温低的原因是：离集热器入口较近的管段水的温度较低，对电池板的冷却较好，使得此管段相应的背板温度低于出口水温且温差较大，随着传热的进行冷却水与背板之间的传热温差越来越小，使得接近水流出口附近的电池板温度高于出口水温，取平均值后电池背板温度低于出口温度。当流量＞30L/h时，出口水温＜40℃，热利用价值较低。

图4 不同流量下出口水温及电池板温度变化曲线

图5为不同流量下系统的综合效率。从图5可以看出，在一定范围内，随着流量的增加，系统的综合效率、热效率和电效率均逐渐增大。流量从15L/h增加到20L/h时，三种效率增加速度最快，流量在20 ～25L/h时，热效率和综合效率的增加速度最慢，在整个过程中电效率随流量的增速则是较均匀的趋于平缓。当流量为35L/h时，系统的电效率为11.6%，热效率为52.5%，综合效率为83.02%。

图5 流量影响下的效率曲线

电效率的高低并非唯一需要考虑的指标，还要考虑出口水温的高低，因此电效率最高值所对应的流量并非最佳流量。综合图3和图4分析可知，当水流量在20L/h时，出口水温可达到约51℃，同时流量从15L/h升高到20L/h时电效率的增速最高，达到0.116%/(L/h),且与流量为35L/h时的电效率相差不到1%。热效率在此流量区间的增速也是最高的，达到0.772%/(L/h)。综合分析以上数据，20L/h即为该模拟系统的最佳流量值。

(2)管间距对PV/T系统性能的影响

模型中设置管间距分别为6 0 m m、7 0 m m、80mm、90mm、100mm对PV/T系统进行了模拟计算，计算的流量为15L/h。计算结果如图6所示。

图6 管间距影响下的出口水温及电池温度曲线

图6为U型管管间距对出水温度和电池温度的影响。可以看出，管间距在60～80mm时，出水温度随着管间距的增大而升高，而电池温度随着间距的增大而降低；管间距在80～100mm时，出水温度随管间距的增大而降低，而电池温度随着间距的增大而升高。在计算模拟范围内，出水温度和电池温度均在管间距等于80mm时出现转折。

图7为热效率、电效率和综合效率随管间距的变化曲线。从图中可以明显看出，管间距在60～100mm时，电效率和热效率以及综合效率的变化规律均是先增大后减小，其变化转折点为80mm，即在集热器管间距为80mm时系统的电效率和热效率及综合效率均达到最大值。综合考虑图6，当管间距为80mm时出口水温达到最大值，背板温度达到最小值，由此可以得出，该系统的最佳管间距为80mm。

图7 管间距影响下的效率曲线

(3)入口水温对PV/T系统性能影响

模型中入口水温选取5个模拟工况，为明确表达入口水温的高低，将入口水温与环境温度之差(ti-ta)作为分析的变量，分别设置入口温度边界条件为ti-ta=-5℃、-3℃、0℃、3℃、5℃。

图8为集热器出口水温和电池温度随集热器进口水温的变化。从图中可以看出，出口水温和电池温度均随进口温度的升高而升高，并且出口温度高于电池板的平均温度，与前述规律相似。当入口水温低于环境温度5℃时，模拟计算所得的系统的出口水温to约为57.9℃；当入口ti-ta=0℃时，to约达到61.9℃；当入口ti-ta=5℃，to达到67.2℃。按平均值计算，入口温度每升高1℃可以导致出口水温升高0.93℃，电池板温度升高0.95℃，可见电池板升温幅度略大于出口水温。

图8 入口水温影响下的出口水温及电池温度曲线

图9为热效率，电效率和系统的综合效率随着入口水温的变化曲线。可以明显看出，三种效率随着入口水温的升高均呈减小趋势，其中电效率随着入口水温呈近似直线下降趋势，斜率近似为0.057%/℃，可见，在一定范围内入口水温对电效率的输出影响较小。热效率和综合效率在入口温差介于-3～0℃时下降的速度较其他阶段要快。

图9 入口水温影响下的效率曲线

综合图8和图9分析可得，出口水温和各效率随着入口水温的变化特性相反，因此选择中间温度作为参考入口水温较为合适。通过模拟所得最佳的入口水温应与环境温度一致，即18℃。

(4)保温层厚度对PV/T系统性能影响

保温层厚度设置为10mm、30mm、50mm、70mm、90mm，计算结果如图9和图10所示。

图10为出口水温和背板温度关于保温层厚度的变化曲线。可以看出，出口水温和背板温度均随着保温层厚度的增加而升高。原因是，保温厚度增大时背板的散热条件变得恶劣，不利于电池板的散热，从而使得电池温度上升；而另外一方面向外界的热损失减小后就意味水流吸收的热量增大，所以导致出口水温有所升高。从平均值来看，当保温层每升高10mm时，出水口温度约升高0.5℃，电池温度约升高0.4℃。

图10 保温层厚度影响下的出口水温与电池温度曲线

图11为热效率、电效率和系统综合效率关于保温层厚度的变化曲线。其中，热效率和综合效率均随着保温厚度增加而升高，而电效率与之相反，随着保温层厚度的升高而下降。保温层厚度小于30mm时，热效率随保温层厚度增加而增加的速率较大，达到1.5%/10mm，随后增速逐渐变缓，约为0.21%/10mm。保温层增加过程中，电效率从10.25%的降低到10%，平均下降速率为0.031%/10mm。

综合分析可得，当保温层厚度为30mm时，集热器出口水温和各效率均处于较高水平，综合考虑经济性和效率，选取30mm作为该系统最佳保温层厚度。

(5)电效率和热效率对各种影响因素的敏感度分析

通过模拟计算的结果进行分析可得出不同影响因素对电效率和热效率的影响，如图12、图13所示。图中单位%/(L·h−1)表示流量每增加1L/h电效率或者热效率的平均变化量，依此类推。从图11可以看出，一定范围内，电效率对水流量的敏感度最大，平均值为0.076%/(L·h−1)；其次是入口水温，为−0.057%℃；再次为管间距(管间距＜80mm时)，为0.035%/cm；影响最小的是保温层厚度，为−0.023%/cm。从图12中可以得出，一定范围内，热效率对保温层厚度的敏感度最大，达到0.53%/cm；其次是水流量，为0.38%/(L·h−1)；管间距的影响大小与水流量的影响接近，大小为0.37%/cm；热效率对入口水温的敏感度最小，大小为−0.17%/℃。

图13 热效率对各种影响因素的平均敏感度分析

四 结论

通过对PV/T系统的数值模拟计算分析了水流量、管间距、入口水温和保温层厚度对系统性能的影响，在模拟计算工况范围内，可得出以下结论：

(1)出口水温随着流量的增加而降低，电效率、热效率及综合效率随着流量的增加而下降，且流量大于30L/h时水温低于40℃，热利用价值大大降低。流量从15L/h增加到20L/h时，三种效率增加速度最快，且此时出口水温较高达到51℃。继续增加流量对各效率的贡献减小且加剧出口水温下降。因此，选取20L/h作为系统的最佳流量值。

(2)出口水温和电效率、热效率及综合效率随着管间距的变化过程中，在间距为80mm时均存在一个峰值，此时各参数均达到最佳值，故80mm为该集热器的最佳管间距值。

(3)出口水温随着入口水温的升高而升高，电效率、热效率及综合效率随着入口水温的升高而下降，且影响较为均匀。因此选择入口水温的中间点作为最佳入口水温，即与环境温度相等。

(4)出口水温随着保温层厚度的增加而升高，热效率和综合效率随着保温层厚度的增加而升高，电效率随着保温层厚度的增加而降低。当保温层厚度为30mm时，出口水温和各效率均处于较高水平，综合考虑经济性和效率，选取30mm作为该系统最佳保温层厚度。

(5)电效率对水流量的敏感度最大，对保温层厚度的敏感度最小；而热效率对保温层厚度的敏感度最大，对入口水温的敏感度最小。

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