太阳能光电光热综合利用模块数值模拟

童维维，方浩，马进伟，方廷勇，王立超

(1.安徽建筑大学 环境与能源工程学院，安徽 合肥 230601；2.安徽池州九华发电有限公司，安徽 池州 247100)

0 引言

太阳能空气、水集热是目前应用最成熟、最广泛的太阳能利用技术，但其存在光热转换效率低，功能单一，无法实现能源高效率利用等问题。光电光热综合利用模块由光伏(PV)电池面板和太阳能集热器共同构成，可同时收集电能和热能。集热模块利用循环工质(水或空气)吸取热量并冷却PV电池以获取热能，而PV电池在低温度下具有更好的电效率，以实现太阳能的综合利用。PV/T集热模块较单独的空气、水集热系统或光伏板表现出更好的热性能和节能效果。此外，PV/T集热模块的一体化结构，具有经济性、节省空间等优势。

PV/T集热模块因其独特的复合型构造及多功能的使用性，具有广阔的市场前景。Kern于1970年提出太阳能光伏/光热综合利用的构想，即在光伏板背面增设流道[1]。Grag研究了太阳能光伏/光热集热器，显示其电效率和热效率分别为3.35%和33.6%[2]。Chow对平板PV/T集热器的瞬时集热效率和电效率进行了全面分析[3]。Bhattarai等人分析了PV/T系统、传统集热器在不同储水量下的热性能，以及系统的存储容量、电力成本对集热器效益回收的影响[4]。郭超等对多功能太阳能PV/T集热器的空气集热和水集热进行实验研究[5-6]。结果表明，该PV/T系统在两种模式下均能提高热利用效率。孙健等研究了复合抛物面聚光型太阳能PV/T集热器，并进行实验验证[7]。还有学者对集热器的内部传热进行了数值模拟[6-8]。

本文针对所设计的PV/T集热模块，分光电—空气集热、光电—水集热模块分别进行数值模拟。光伏—空气模块，主要研究不同空气流道尺寸、空气流量值对集热性能的影响；光电—水模块，模拟不同入口水流速度下其对应的热性能变化趋势；结合设计的PV电池年均发电量、发电效率，作出系统节能分析。创新点在于建立光电—空气集热器的理论模型，利用CFD模拟三种流道尺寸的多功能模块在不同空气流量工况下的性能，结合集热效率、节能效率得到最佳流道尺寸。在空气集热的基础上，增加集热水功能，并建立简化的三维光电—水集热模型，综合考虑出口温升、节约电能等方面，优化进口水流速度值，为多功能PV/T平板集热器的应用研究提供理论依据。

1 PV/T多功能集热模块

1.1 模型设计参数简介

PV/T多功能集热模块由玻璃盖板、光伏电池、吸热板、铜管、空气流道和保温层等构成。玻璃盖板采用布纹钢化玻璃，与光伏板间隙为0.035 m，用于减少由空气流动引起的热损失及防止灰尘沉积。吸热板上附有光伏电池、背面焊接铜管，与空气流道相连，集热器四周及底部为酚醛泡沫保温层。设计的集热器采用下流道型空气流道，其结构见图1、图2所示，设计参数见表1。

图1 PV/T多功能平板集热器及下流道型空气流道模型图

图2 PV/T多功能集热模块结构示意图

1.2 建立理论模型

1.2.1 模型假设

(1)玻璃盖板与天空辐射忽略不计，太阳辐射均匀照射在集热器表面。

(2)玻璃盖板与吸热板的辐射忽略不计；

(3)PV电池板沿垂直方向一维传热，与流体的换热系数为定值；

(4)空气流道/水管内介质为不可压缩流体；

(5)集热器四周与底面的散热忽略不计；

(6)光电—水集热模式中，吸热板温度关于铜管对称分布；

1.2.2 求解模型与网格划分

本文数值模拟采用三维双精度压力基进行求解。经设计参数计算，循环工质流动时雷诺数Remin=4850＞4000，显示为湍流。对于低雷诺数流体流动，考虑到湍流耗散、湍流粘度等影响因子后，RealizableK-ε模型较为合适本次模拟。为使模拟结果更加准确，采用DO辐射模型，其具有求解所有光学深度范围辐射问题的特性。模拟过程中二阶迎风差分格式的使用可以提高求解精度，残差参数精确到10-6。根据上述求解模型，运用CFD建模后对模型进行网格划分，如图3所示。

表1 PV/T集热器设计参数表

由于考虑到网格数量对模拟结果的影响，网格独立性无关验证以0.015 m空气流道为例进行说明。在进口温度20℃、质量流量0.02 kg/s的工况下，网格划分数量为75万时其集热效率为41.31%。对吸热板周围壁面和模块进、出口进行加密后，网格数量增加至100万，但集热效率的偏差仅为0.091%，影响可忽略不计，因此本文中网格独立性无关得到证实，其它工况下模拟均按照此方法进行了验证。

图3 PV/T多功能集热模块模拟局部加密图

1.2.3 数据采用与边界条件设定

模拟的时间为2018年6月30日12：00，地点为北纬 31 °83'，东经 117 °25'(合肥市)，气象参数采用标准TMY数据并采用Boussinesq假设设定其物理参数，其中空气密度为1.225 kg/m3。集热器边界条件设定，如表2所示。

表2 集热器边界条件设定表

1.3 工作模式

光电—空气集热工作模式下，打开空气流道的进、出口，水阀保持关闭状态，空气通过进气口进入空气流道，与吸热板对流换热后沿空气流道向上流动，在出口处被收集；光电—水集热工作模式下，打开进水口并关闭空气流道的进出口，铜管中水与吸热板间接导热后升温，加热后的热水在虹吸力的作用下汇入集热水箱；综合利用模式下，空气流道、水流进出口一并打开，同时得到电能、热水和热空气。

2 系统性能评价

2.1 评价光电—空气集热系统性能方法

现行国标(GB/T26977-2011)中太阳能空气集热器的光热转换效率(ηa)定义为空气集热得到的能量与入射到集热器表面的太阳辐射量之比：

式中，cp为空气的比热容，J/(kg·K)；m 为空气的质量流量，kg/s；Tout、Tin分别为空气出、进口的温度，K；Ac为有效集热面积，取 1.512 m2。

为更全面的研究空气集热模块的热性能，需要考虑空气流动所消耗的外界功，热空气的㶲值由式(2)[13]计算：

式中，ρ为空气的密度，kg/m3；Ta为环境温度，K；Tf为流道内空气温度的平均值，K；Δp为进、出口处空气压降，pa。

2.2 评价光电—水集热系统性能方法

集热水系统的热效率定义为集热水箱内水增加的热量与模拟中集热器所获得的太阳辐照总量的比值，由式(3)[13]计算：

式中，M表示水箱内水的质量，kg，根据水流速度值折算；T1、T2分别表示铜管进、出口水温，K；Cw表示水的比热容，J/(kg·K)；H为太阳辐射能，取当天模拟参数13.42 MJ/m2。

2.3 评价系统光电性能方法

多功能集热模式下，获得热能的同时也将输出电能，考虑到电能是高品位能源，节能效率更适合评估集热模块的性能[13]，表示为：

式中，ηf为节能效率；ηpv表示光伏板的电效率；ζ为光伏板的填充系数；ηpower为电厂中热能与电能的换算系数，取值为38%。

本文所设计的PV/T集热模块具有较强的实用性，故对其理论发电量、电效率进行计算，再结合集热性能实现太阳能的综合利用。由于光伏板的工作温度影响转化效率，根据设计的工况条件，光伏电池采用晶硅材料。除此之外，集热模块不同的安装倾角，导致太阳能辐射量的累积差异也会影响光电效率，综合考虑后，本案例中集热器倾角选取为35°较为适宜。

PV面板是由72块光伏电池单元模块构成，发电量由式(5)[13]计算：

式中，HA—单位面积太阳辐照能(kW·h/m2)，根据地区气象资料，1365 kW·h/m2；K1—标准组件转换系数，0.165；K2—系统综合效率[注]，一般为 0.8±0.1，取 0.8。(注：结合温度、倾角、材料、地理位置等因素的光电效率转换系数。)

设计理论值Ep=202.9 kW·h，以供电标准煤耗310 g/kW·h校核，年节约标准煤近62.9 kg。

电效率由式(6)[13]：

式中，Epv—有效功率(W)，见式 2.7；G—太阳辐照度(W/m2)，取模拟参数 800 W/m2；S—电池组件总面积(m2)，1.125 m2；τg—玻璃盖板透射率，0.9。

有效功率Epv由式(7)[13]：

式中，ηref—标准测试条件下光伏板效率，16.5%；Br—温度系数，0.0045 K-1；Tpv—光伏电池工作温度(K)；Tref—标准测试条件下电池温度(K)，取298.15 K。

3 模拟过程及分析

3.1 光电—空气集热模块

对于光电—空气集热模块，建立0.015 m、0.025 m、0.035 m三种空气流道模型，并分别模拟在不同空气质量流量值(0.02、0.03、0.04、0.05、0.06 kg/s)下的热性能表现。模拟的各项数据见表2、表3、表4，集热效率、㶲值的变化趋势见图4、图5、图6。

模拟结果显示：光电—空气集热模块中，0.025 m空气流道的集热效率最高，其平均集热效率达到51.37%，出口空气温度最高可提升近50℃，而0.015 m空气流道的平均集热效率较低，仅有42.56%；对于温度梯度平稳的区域，0.035 m空气流道的集热性能更佳；综合集热效率、㶲值变化可知，0.015 m、0.035 m的空气流道最佳入口空气流量值为0.03 kg/s，而0.025 m的空气流道最佳入口空气流量为0.04 kg/s。

文献[5]中，作者对PV/T集热系统进行了全天性能测试，其PV/T空气集热实验中，空气流道尺寸、空气质量流量和进口温度与本模拟中的0.025 m、0.04 kg/s和20℃工况类似，集热效率为50.02%，相对效率偏差5.3%。考虑到模拟过程处于理想的工作条件，故在误差允许范围内，模拟结果正确。光电—空气集热的各项效率值见表6。

表3 光电—空气集热模块各项数据(空气流道0.015 m)

表4 光电—空气集热模块各项数据(空气流道0.025 m)

表5 光电—空气集热模块各项数据(空气流道0.035 m)

表6 光伏/空气集热各项效率值

由表6可知，0.025 m空气流道的节能效率最高，达到62.08%，0.015 m时的节能效率最低，为51.88%。

3.2 光电—水集热模块

对于光电—水集热模块，结合所作假设简化模型后，建立单根铜管的三维集热水模型。采用控制变量法依次改变进口水流速度值(0.04、0.06、0.08、0.10、0.12、0.14 m/s)，模拟得到对应的出口水温见表7，集热效率及趋势见图7。

图4 空气集热效率、㶲值变化趋势(0.015 m)

图5 空气集热效率、㶲值变化趋势(0.025 m)

图6 空气集热效率、㶲值变化趋势(0.035 m)

模拟结果表明，光电—水集热系统出口水温随着入口水流速的增加而逐渐降低，最低降至34.08℃，而此时效率达到最高的27.03%；系统在0.10 m/s的进口水流速下热性能最佳。

文献[6]中，所做实验工况与本文模拟的0.10 m/s进口流速时类似，集热效率为26.3%，相对效率偏差为5.6%，鉴于模拟工况与实际辐射情况存在的差异，模拟结果的正确性得到验证。

根据上述章节提到的集热水效率计算定义，水吸收的总热量Q：

式中，m为水箱中水的质量，设计量120kg；cp为水的比热容，取 4.2×103J/(kg·K)；ΔT为进、出口的水温差，据模拟结果取15 K。

表7 光电—水集热模拟的出口水温、集热效率

图7 集热效率、出口水温变化趋势

将热量与电能进行转换后，集热水过程至少节约电能2.1 kw·h。同样对于高品位电能，利用式(2.5)得到光电—水集热的节能效率计算结果为33.52%。

4 结论

通过CFD数值模拟本文中各工况下的PV/T综合利用模块，得到以下结论：

(1)光电—空气集热模式下，空气集热效率随空气流量的增加而提高，但所获㶲值呈降低趋势。

(2)光电—水集热模式下，随着入口水流速度的增加，出口水温逐渐降低，热效率不断提高的同时其增长趋势逐渐减缓。

(3)系统正常工作时，经过循环可将水箱中水温提高近15℃，节约电能2.1 kw·h，节能效率达到33.52%，较单独的集热水系统效率大幅提高；

(4)设计的PV面板理论年发电量近202.9 kw·h，其相当于节约标准煤62.9 kg。

综上所述，PV/T多功能平板集热器在实现对太阳能综合利用的同时，集热效率大幅提升，综合使用能力加强，节能效果更佳。