基于COMSOL 的PV/T 组件温度场仿真研究

李国军， 陈 辉， 张佳琦， 范 磊， 李汉锟

（1.沈阳建筑大学 机械工程学院， 辽宁 沈阳 110168； 2.沈阳城市建设学院， 辽宁 沈阳 110167）

0 引言

在2020 年9 月22 日第七十五届联合国大会上，习近平主席在会上提出碳中和与碳达峰的双碳目标[1]。为实现该目标， 中国大力发展新能源产业， 太阳能因取之不尽、用之不竭，具有清洁无污染、使用安全、价格低廉、寿命长等独有优势，被认为是目前最为理想的新型能源[2-3]。

光伏光热（PV/T）系统能够同时提供电量和热量，集热器是PV/T 系统的关键部件，通过集热器可以从光伏电池板背面吸收热量，并降低光伏电池工作温度，从而提升光伏电池发电效率， 相较于传统的光伏发电系统提高了太阳能的综合利用率[4-5]，如何保证PV/T 系统发电与发热效率同时达到最佳是当前研究的重点之一[6]。 黄梦萧等设计了新型非晶硅太阳能PV/T 空气集热器解决冬季管道发生霜冻的现象，平均热效率为45.70%[7]。 刘仙萍等得出较低的入口流体温度有利于保持更高的光热和光电转换效率[8]。 安丽芳等得出随着积尘密度的增大，玻璃盖板的透射率减小，一个月的积尘量会导致PV/T 系统光电效率和输出电功率分别下降17.84%和18.25%[9]。 Fterich Mohamed 等研究在低水流速度（0.5m/s）和高水流速度（2m/s）条件下，PV 电池的最高温度分别达到75℃和59℃。 最大温差为20℃，最佳热平均效率为42.5%[10]。

以上研究对改变PV/T 组件的集热管道形状后，PV/T系统的热效率与电效率的改变情况研究较少，基于此，笔者将搭建不同管道的PV/T 组件，在东北地区不同季节进行现场测量，并结合COMSOL 软件对PV/T 组件进行温度场仿真， 为PV/T 系统中集热装置的启停提供时间参数，得到该组件温度及光伏光热效率变化的具体情况， 给往后投入光伏光热系统提供了参考。

1 实验系统

1.1 系统原理及结构

光伏光热系统由PV/T 组件、集热水箱、循环泵、过滤器、板式换热器、逆变器等装置组成，PV/T 集热装置朝南布置且与水平面夹角为44°，通过水泵供水到光伏板背部的集热器内， 水流经集热管道带走热量传递到集热水箱内，结合吉林白城中一精锻工厂实际进行热与电的使用，通常将电供给热泵工作使用， 集热用于居民生活用水与供暖，其系统示意见图1。

图1 系统示意图Fig.1 System schematic

1.2 数据采集

分别于2021 年5 月与11 月中旬，天气晴朗（紫外线指数≥6），在集热管道不通水时，对吉林白城中一精锻厂房顶部的光伏光热板正背面温度进行数据采集，从早8：00 到晚18：00 之间每隔15min 采集一次数据， 光伏表面的辐射率取0.85， 测得光伏板背部的平均温度比正面高2～4°，将两个月光伏板背部温度取平均值，结果见图2，测试日的日照强度见图3。

图2 温度采集结果Fig.2 Results of temperature collection

图3 测试日的日照强度Fig.3 Light intensity on the test day

2 基于COMSOL 的仿真过程

2.1 COMSOL Multiphysics 的CFD 模块

CFD 模块用于执行计算流体动力学仿真， 为流体流动分析的基础建模提供多种工具， 包括： 内部和外部流动、不可压缩和可压缩流动、层流和湍流、单相流和多相流、 自由和多孔介质流动。 可将它与COMSOL Multiphysics 的其他附加模块一起使用进行多物理场耦合建模。RANS 湍流模型包括k-ε、Realizable k-ε、k-ω、SST、低雷诺数k-ε。 一般管道Re＞4000 为湍流状态，由非等温管道流接口仿真的管道雷诺数结果见图4， 可确定本次仿真中管道部分的物理场接口可选择k-ε 湍流模型。

图4 管道雷诺数Fig.4 System schematic

2.2 COMSOL 中几何区域的建立

首先在COMSOL 中进行PV/T 板几何模型建立，PV/T板的结构如图5 所示，包括太阳能光伏板、高粘度导热硅胶、保温板、吸热板、集热管道，对关键部件集热管道建立三种形状进行仿真分析，分别是矩形管、圆柱形管与拐点处为弧形的矩形管。

图5 PV/T 板结构Fig.5 PV/T plate structiion

表1 PV/T 板参数表Tab.1 Factory parameter table

2.3 COMSOL 中的多物理场

对PV/T 组件进行仿真需要用到的物理场有：固体和流体传热、湍流、表面对表面辐射传热与非等温管道流，热通量的相关方程为：

式中：Cp—等压热容； T—温度；k—热导率；Qwall—粘性剪切产生的摩擦耗散热；Z—管道周湿；h—总传热系数；Text—管道外部温度。

2.4 COMSOL 中参数设置

在仿真前根据图2 确定PV/T 板每日温度的变化量、天气的变化情况、白城中一地区的经纬度等，5 月份仿真设置的参数见图6。

图6 仿真参数Fig.6 Simulation paramete

3 仿真过程及结果分析

3.1 PV/T 板夏季仿真结果

对2021 年5 月实验测试得到的PV/T 板温度进行COMSOL 仿真，取初始环境温度为24°，PV/T 组件背板初始温度为65°，采用不同形状的集热管道，其结果见图7。

图7 室外温度为24℃时集热管道的温度分布Fig.7 Temperature distribution of heat-collecting pipe at 24℃

由仿真结果可知采用直角方管作为集热器内部集热管道时， 可将24°的软化水升至44.4°， 用圆管可升温至41.9°，用圆角方管可升温至45.2°。可根据PV/T 组件光热效率与光电效率的高低来评价其性能，相关方程为：

式中：m—管道水的质量流量； cw—循环工质的比热容；G—有效辐射强度；A—光伏板的面积；ε—物体的表面辐射率，光伏表面取0.85；T出-T进—管道水进出口温差；P—光伏板输出功率。

采用不同形状的管道作为集热管道的差别为： 进出口温度△T 与管道水的质量流量m 不同， 方管和特制方管的管道水质量m1=5.53kg， 圆管的管道水质量m2=4.34kg。以5 月17 日10：00 为例进行计算，经查询10：00-11：00 的光照强度为236525.44J/m2，集热管道每小时可通水2 次，（a）（c） 每次可通水6min 使光伏板背部温度将至管路水温，（b）每次可通水8min，停止通水后光伏板再升温至平稳需要20min 左右，根据式（9）～式（11）计算，则三种管道这1 小时的光热效率分别为：

直角方管：

光伏背板温度65℃时，集热器开启后，通入24℃冷却水，采用直角方管和圆角方管时可在6min 左右使光伏板温度降至平稳，采用圆管时需8min 左右的时间；光伏板温度降低可提升其光电效率， 并可知采用圆管时通电的时间最久，耗电最多。

图8 光伏背板温度下降时间Fig.8 Temperature drop time of PV backplane

3.2 PV/T 板冬季仿真结果

对2021 年11 月实验测试得到的PV/T 板温度进行COMSOL 仿真，取初始环境温度为1°，PV/T 组件背板初始温度为32.5°，仿真结果见图9。

图9 室外温度为1℃时集热管道的温度分布Fig.9 Temperature distribution of heat-collecting pipe at 1℃

由仿真结果可知采用直角方管作为集热器内部集热管道时， 可将1°的软化水升至13.7°， 用圆管可升温至14.5°，用圆角方管可升温至14.5°。

冬季与夏季光热效率计算时主要区别在于日照强度不同，以11 月12 日10：00 为例进行计算，经查询10：00-11：00 的光照强度为86092.721J/m2， 经现场测量停止通水后光伏板再升温至平稳需要50min 左右，根据式（9）～式（11）计算，则三种管道这一小时的光热效率分别为：

直角方管：

3.3 仿真结果分析

PV/T 组件相较于光伏组件可以有效的降低光伏板温度，提升其光电转化率的同时收集热量；经分析在5 月份时， 采用圆角方管的光热效率比传统的圆管集热器高8.8%，直角方管的集热效率比圆管高15.3%；在11 月份时，三种管道的集热效率都会下降，采用圆角方管的光热效率比传统的圆管集热器高8.8%，直角方管的集热效率比圆管高3.8%， 通过夏季与冬季的实验测试与仿真，可确定选用圆角方管的PV/T 集热器性能最佳。

4 结论

本文通过在2021 年5 月与11 月中旬时， 对吉林白城地区搭建的PV/T 组件进行温度采集，查询测试日的日照强度，再结合COMSOL 对采用三种集热管道的PV/T 组件进行温度场仿真，并绘制通水后光伏板温度情况图，通过研究得到：

5 月份时，室外温度为24℃时，采用圆管的PV/T 集热器可达到38.43%的光热效率， 直角方管为41.78%，圆角方管为44.29%；11 月份时，室外温度为1℃时，采用圆管的PV/T 集热器可达到35.16%的光热效率， 直角方管为36.45%，圆角方管为38.74%，可确定选用圆角方管的PV/T 集热器性能最佳。。

集热器开启时，采用圆角方管时需8min 左右使光伏板温度降至平稳，用直角方管和圆角方管时可在6min 左右使光伏板温度降至平稳， 光伏板温度降低可提升其光电效率，可确定采用圆管时通电时间最久并耗电最多，性能不如方管集热器； 本次研究可为集热装置的启停提供时间参数，给往后投入光伏光热系统提供了参考。