双通道PV/T-PCM集热器光热光电性能研究

杨宗帅，康张阳，李满峰

(华北水利水电大学环境与市政工程学院， 郑州 450000)

自“碳达峰”“碳中和”提出以来，为降低对传统不可再生能源的使用需求，清洁可再生能源得到了越来越多的重视与发展。太阳能是一种清洁无污染和可再生的能源，近年来，光伏(PV)技术以其能将太阳能持续转换为高品位电能的优势得到了学者们的广泛关注。但由于光伏板温度每升高1 ℃，光电效率就下降0.5%左右[1]，因此，温度限制了光伏板对太阳能的利用效率，同时光伏板中聚集了大量的太阳辐射得热。

为将PV系统中的热量充分利用，对如何提高PV系统对太阳能的利用效率得到了众多学者的研究。AL-WAELI等[2]提出了一种光伏光热一体化(PV/T)系统，将光电技术与光热技术相结合，在系统中通入冷却介质，实现对光伏板冷却的同时，也可将系统中的热量带出加以利用。董丹等[3]根据集热器冷却介质的不同，将其分为空冷型、水冷型、制冷剂型，空冷型以运行成本较低且封装简易而作为主要研究对象。许海园等[4]对空冷型PV/T系统和PV系统的太阳能转换效率进行了研究，实验结果表明：在被动循环的条件下，空冷型PV/T系统相较PV系统的光电效率提高了约0.1%，通风后PV/T系统的光热效率在25%左右，最高综合效率可达72%。郑庆琳等[5]通过实验发现，集热器的结构对其性能会产生不同程度的影响。无空腔PV/T系统的光电效率优于有空腔系统，有空腔PV/T系统的光热效率优于无空腔系统，尽管有空腔的一次节能效率较高，但空腔的存在仍造成了光伏板上层热量的聚集，影响系统的整体性能。OMER[6]通过实验对比发现有玻璃盖板的双通道集热器系统日最大综合效率为90.48%，而在没有玻璃盖的情况下，综合效率的最高值为62.16%。与单通道结构相比，双通道集热器可以收集更多的热量，获得更高的光电效率，双通道集热器的性能优于单通道[7]。BALJIT[8]提出一种将双空气通道和水流道同时集成于太阳能集热器的系统，模拟结果表明，单流体条件下的总等效效率约为30%～60%，在双流体的情况下，最大效率可达到90%。

目前，对提高集热器太阳能利用效率的途径主要是改变集热器的系统结构以及加入相变蓄热材料。不仅可以降低光伏板表面的温度，延长对其调控时间，而且能将集热器中的热量加以利用，提高太阳能的转换效率。但常规的单通道空冷型PV/T-PCM集热器由于在玻璃盖板与光伏板之间存在空气夹层，造成了热量聚集的效应，影响对光伏板的冷却。因此，本文采用双空气通道的PV/T-PCM集热器结构，建立对应的数学模型进行数值模拟，研究双通道空冷型PV/T-PCM集热器的光电光热性能。

1 物理及数学模型

1.1 物理模型

双通道PVT-PCM集热器的模型结构如图1所示，该集热器由光伏板、玻璃板、相变蓄热材料、吸热板、橡塑板保温层以及上下层空气通道组成。玻璃板置于光伏板上方，与光伏板之间为上层空气通道。相变蓄热材料紧贴光伏板下部放置，中间为吸热板夹层，吸热板材料为铝，相变蓄热材料采用铝进行固定封装，相变蓄热材料与保温层之间为下层空气通道。光伏板电池封装部分以外为黑色吸收涂层，提高集热器对太阳辐射的集热效率。为降低集热器与外界的热交换，减少热损失，集热器外壁采用保温层进行包裹。双通道PV/T-PCM集热器结构尺寸见表1，材料的性质参数见表2。

图1 双通道PV/T-PCM集热器模型结构图

表1 双通道PV/T-PCM集热器结构尺寸 mm

表2 材料的性质参数

1.2 数学模型

双通道PVT-PCM集热器在实际的运行过程中，存在诸多的不确定性因素都会对其实际性能造成影响。在数值模拟中，为简化研究，本文做出以下假设：

1)空气为理想不可压缩流体，且不参与辐射换热；

2)集热器处于稳定条件下工作；

3)由于各层组件比较薄，忽略各层内部竖直方向的温差。

对于玻璃盖板，其能量平衡方程为：

hg,e(Tg-Te)+hg,s(Tg-Ts)=hg,pv(Tpv-Tg)+Gαg

(1)

式(1)中：hg,e为室外环境与双通道PVT-PCM集热器玻璃板间的对流换热系数，W/(m2·K)；hg,s为玻璃板与天空等效温度间的辐射换热系数，W/(m2·K)；hg,pv为玻璃板与光伏板之间的复合换热系数，W/(m2·K)；αg为玻璃板对太阳辐射的吸收率；Tg、Te、Tpv依次为玻璃板温度、环境温度以及光伏板温度，K；Ts=0.055 2Te1.5[9]。

玻璃盖板与光伏板之间的换热包括对流换热和辐射换热，二者的复合换热系数为[9]：

(2)

式(2)中：εpv、εblack分别为光伏板和黑色涂层的发射率；ka为空气的热导率，W/(m·K)；σ为斯蒂-玻尔兹曼常数；d为上通道空气层的厚度，m；Nu为玻璃板与光伏板之间对流换热的努塞尔数。

对于光伏电池层，其能量平衡方程为：

hg,pv(Tg-Tpv)+(Tab-Tpv)/Rpv,ab+G(τα)pv-ζEpv=0

(3)

式(3)中：Rpv,ab为吸热板与光伏板之间的导热热阻；(τα)pv为光伏板对透过玻璃板的太阳辐射的有效吸收率；Epv为光伏板的发电功率，W/m2；Tab为吸热板的温度，K；ζ为光伏板的填充因子。

对应参数的计算公式为[9]：

Epv=Gτgηref[1-Br(Tpv-Tref)]

(4)

式(4)中：τg为玻璃盖板对太阳辐射的透过率；ηref为标况下光伏板的发电效率；Tref为标况下光伏板的温度，K；Br为光伏板的温度系数。

吸热板的能量平衡方程为：

(Tpv-Tab)/Rpv,ab+(Tpcm-Tab)/Rpcm,ab=0

(5)

式(5)中：Rpcm,ab为吸热板与相变材料之间的导热热阻；Tpcm为相变材料的温度，K。

相变蓄热材料层的能量平衡方程为：

(Tab-Tpcm)/Rpcm,ab+hpcm,f(Tf-Tpcm)+hpcm,i(Ti-Tpcm)=0

(6)

式(6)中：hpcm,i为相变蓄热材料与保温层之间的辐射换热系数，W/(m2·K)；hpcm,f为下层通道空气与相变蓄热材料之间的对流换热系数，W/(m2·K)；Tf为下通道的空气温度，K；Ti为保温层温度，K。

下风道中空气的能量平衡方程为：

(7)

底部保温层的能量平衡方程为：

hf,i(Tf-Ti)+hpcm,i(Tpcm-Ti)+hi,e(Ti-Te)=0

(8)

式(8)中：hi,e为保温层与室外环境之间的对流换热系数，W/(m2·K)。

1.3 边界条件和数值求解方法

上下层空气通道进口的边界条件均设定为压力进口，出口边界条件为速度出口，出口空气流速根据下文不同工况时空气的质量流量以及通道横截面积计算获得。外界气象参数条件通过编写用户自定义函数并将其导入Fluent求解器中，近壁面的边界层网格进行加密处理，壁面设定为无滑移壁面。集热器外壁与环境之间存在对流换热，因此外侧壁面均选择Convection边界条件。光伏模块层与上层空气通道以及相变蓄热材料与下层空气通道均存在流体与固体壁面的对流和固体壁面之间的导热，是流固耦合的传热现象，将其考虑为有厚度的面，采用耦合的边界条件。玻璃盖板采用Mix混合型边界条件，包括与环境的对流和与天空的辐射换热。选择瞬态的计算方法，选用RNGk-ε湍流模型，在高雷诺数及漩涡流动时具有更高的计算精度，PCM的相变选择融化凝固模型(Solidification&Melting)，采用有限容积法对微分控制方程进行离散，采用SIMPLE算法进行速度和压力的迭代计算，动量、能量以及湍流耗散率方程均选择二阶迎风格式，选择默认的松弛因子。

1.4 光伏光热集热器效率评价方法

双通道空冷型PV/T-PCM集热器光热效率取集热器空气得热量与光伏板太阳辐照得热量之比：

(9)

光电效率取光伏板输出功率与光伏板实际太阳辐照得热之比：

(10)

式(9)～(10)中：A为集热器的采光面积，m2；G为太阳辐射强度，W/m2；m为集热器内空气总质量流量，kg/s；Tout为出风口平均空气温度，K；Tin为进风口空气温度，K；Ac为光伏电池总面积，m2；Qpcm为相变蓄热材料的得热量，J。

集热器的综合效率为[10]：

(11)

式(11)中：ηpower为火力发电厂的热电转化效率，一般为0.4；ζ为光伏板电池的封装因子。

2 模拟结果及分析

2.1 网格无关性验证

双通道PV/T-PCM集热器网格划分示意图如图2所示，采用ANSYS软件对该模型进行结构化六面体网格划分。因各层壁处流动情况较为复杂，为得到更精确的计算结果，需在计算区域边界处对网格进行加密处理。双通道PV/T-PCM集热器网格划分细节示意图如图3所示。

图2 双通道PV/T-PCM集热器网格划分示意图

图3 双通道PV/T-PCM集热器网格划分细节示意图

在光伏板横竖中轴线上均匀选取五个测温点位，选择工作时间点为9:00时各测温点位的温度。光伏板各测温点位温度随网格数的变化如图4所示，模型网格数量分别划分为60万、110万、164万、224万和270万。由图可知，光伏板各测温点位温度随着网格数量的增加而逐渐升高。3号测温点位变化最大，网格数由60万增加到224万，温度变化了3.45%，由224万增加到270万时变化了0.28%。其余点位温度网格数由60万增加到164万时均有较大提升。此后，持续增大网格数对计算结果的影响较小，因此，综合考虑计算时间及精确度，选用224万级的网格数。

图4 光伏板各测温点位温度随网格数的变化

2.2 模型验证及误差分析

参考文献[16]中的实验条件以及结果对该数值模型进行有效性验证。其中集热器内空气流速为1.05 m/s，环境风速为2.0 m/s，模拟的环境温度及太阳辐照度与实验中各时刻对应值相同，建立与实验结构尺寸相同的数值模型，验证对象为同一天中不同时刻光伏板表面温度的变化，双通道PV/T-PCM集热器的光伏板温度实验值和模拟值对比如图5所示。

图5 双通道PV/T-PCM集热器的光伏板温度实验值和模拟值对比

光伏板温度的实验与模拟值曲线的相关性由二者的协方差和标准差求得，公式如(12)所示，其曲线相关系数r=0.962 82，因此，双通道PVT-PCM集热器光伏板表面温度的模拟值与实验值一致性较好。因此，该模型可用于双通道PVT-PCM集热器的数值模拟研究。

r=E{[x-E(x)]·[y-E(y)]}/{sqrt[x-E(x)]2·sqrt[y-E(y)]2}

(12)

x、y分别为光伏板不同时刻模拟与实验的温度值。

2.3 单层下空气通道与双通道PVT-PCM集热器效率对比

在整个模拟过程中，PV/T-PCM集热器考虑其与环境之间的对流换热以及与天空的辐射换热，模型水平放置，光伏板表面以及上下层空气通道出口的温度均采用面积加权平均值，进口温度为环境温度。模拟过程为瞬态，选择拉萨地区夏至日前后辐照度最高当天的气象参数，时间为8:00～17:00，采用Origin软件对其进行拟合，并将拟合后的函数通过Fluent的编译功能进行加载，当天的太阳辐照度和环境温度拟合曲线如图6所示。

图6 太阳辐照度和环境温度拟合曲线

单层下空气通道与双通道PVT-PCM集热器截面图如图7所示。

图7 单层与双层PVT-PCM集热器截面图

单层下空气通道和双层空气通道PVT-PCM集热器的综合效率对比如图8所示，选择集热器内空气质量流量均为0.059 7 kg/s进行对比，二者随时间变化趋势基本一致，全天综合效率最高值均出现在12:30前后，此时太阳辐照度为全天最大值，15:00以后，太阳辐照度降低，由于相变蓄热材料存在延迟放热，集热器中的空气得到相变蓄热材料中的热量而导致综合效率的小幅增长，17:00左右，由于相变蓄热材料与空气的温差降低，空气得热量下降而导致综合效率降低。与双通道PVT-PCM集热器相比，由于单层下空气通道光伏板上侧无空气流过，光伏板内大部分热量被聚集而无法及时被空气带出，降低了集热器热量的利用效率，计算时间段内双通道平均综合效率较单通道提高了15%左右。

图8 单层下空气通道与双通道PV/T-PCM集热器的综合效率对比

2.4 空气质量流量对双通道PVT-PCM集热器效率的影响

图9为不同空气质量流量下双通道PVT-PCM集热器光热效率变化。由图9可知，不同流量的工况下，集热器的光热效率随太阳辐照度的变化基本一致，8:00到12:30集热器的光热效率呈上升趋势，12:30达到最大值为73.3%。而13:00以后由于太阳辐照度降低，集热器光热效率开始下降。15:00之后，由于太阳辐照度处于较低水平，同时下通道中的空气与相变蓄热材料对流热交换，由于相变蓄热材料延时调节，其相变释放的热量使出口空气温度仍保持较高的水平，因此光热效率有一定的提升。17:00以后，由于光伏板温度下降，相变蓄热材料的得热率降低，上下层通道中的空气得热量均减少光热效率开始下降。集热器光热效率最大和最小值分别为空气质量流量为0.059 7 kg/s和0.026 5 kg/s，光热效率最大提高了27%，计算时间段内平均提高了20.35%。

图9 不同空气质量流量下双通道PVT-PCM集热器光热效率变化

图10为不同空气质量流量下双通道PVT-PCM集热器光电效率变化。由图10可知，随着时间增加太阳辐照度升高，光电效率有明显的下降趋势，8:00以后由于辐照度上升光伏板温度迅速升高，光电效率下降较快。10:30到12:30相变蓄热材料相变吸收光伏板中的能量，对光伏板的温度进行调控，光电效率下降较为平缓，13:00到14:30之间，辐照度降低但仍保持较高水平，相变蓄热材料中因储存了大量热量而保持较高的温度，对光伏板的调控作用下降，集热器光电效率逐渐降低。15:00以后，太阳辐照水平较低，光电效率逐渐升高。集热器光电效率最大和最小值分别为空气质量流量为0.059 7 kg/s和0.026 5 kg/s，光电效率最大提高了1.98%，平均提高了1.05%。

图10 不同空气质量流量下双通道PVT-PCM集热器光电效率变化

图11为不同空气质量流量下双通道PVT-PCM集热器综合效率变化，由图可知，当空气质量流量为0.059 7 kg/s时，集热器的综合效率较大，全天最大综合效率为86.1%，计算时间段内平均综合效率为77.7%，相比空气质量流量为0.026 5 kg/s时分别提高了13.7%和10.5%。随着空气质量流量由0.026 5 kg/s增加到0.059 7 kg/s，综合效率最大值增长率由6.9%下降到1.45%。

图11 不同空气质量流量下双通道PVT-PCM集热器综合效率变化

2.5 上下通道进口面积比n对双通道PV/T-PCM集热器效率的影响

表3为双通道PV/T-PCM集热器上下层通道进口面积比。

表3 双通道PV/T-PCM集热器上下层通道进口面积比

选择最佳的集热器空气质量流量0.059 7 kg/s，改变上下层空气通道进口面积比n而集热器内空气质量流量均为0.059 7 kg/s，分析n对PV/T-PCM集热器光热及光电效率的影响。

由图12可知，当集热器内空气质量流量一定、上下层通道进口风速一定时，n增大，双通道PV/T-PCM集热器的光电效率升高。n增大时，上层通道中的空气质量流量增加，单位时间内可带走更多光伏板中聚集的热量，将光伏板的温度调控在较低的范围。但单层上空气通道时，即上下通道面积比为无穷，光电效率呈下降趋势，这是由于相变蓄热材料层下方无空气流过，热量聚集在相变蓄热材料中导致光伏板温度相对较高，n为1.67时，集热器的光电效率较大，相比单通道时最大光电效率提高了4.96%，计算时间段内平均光电效率为11.06%，相比单通道时提高了1.63%。

图12 不同上下通道进口面积比对双通道PVT-PCM集热器光电效率的影响

由图13可知，当集热器空气质量流量、上下层通道进口风速一定时，双通道PV/T-PCM集热器的光热效率随n的增大而升高。光伏板为集热器的直接热源，聚集了大量的太阳辐射，增加上层空气通道中的空气质量流量可以更高效的带走集热器中的热量，提高光电光热效率。下层通道中的空气得热主要来自于相变蓄热材料与光伏板之间的导热交换而导致相变蓄热后的温升，进口空气与相变蓄热材料间的温差相比与光伏板间较小，因此，增加上层通道中空气的质量流量可以带走集热器中更多的热量。当集热器内的空气质量流量一定时，单层上空气通道的空气与集热器之间有最大的温差，最大光热效率为75.6%。

图13 不同上下通道进口面积比对双通道PVT-PCM集热器光热效率的影响

由图14可知，当集热器为单层上空气通道时，双通道PV/T-PCM集热器的综合效率较大，全天最大综合效率为89.4%。当集热器内空气质量流量为0.059 8 kg/s，n由0.6增加为单层上空气通道时，计算时间段内集热器的平均综合效率增大了6.18%。

图14 不同上下通道进口面积比对双通道PVT-PCM集热器综合效率的影响

3 结语

(1)双通道PV/T-PCM集热器可以明显改善光伏板局部热量聚集而导致的温度过高的缺点，增加空气与集热器内部的对流换热，相比单层下空气通道时，计算时间段内集热器的综合效率可以提高15%左右。

(2)当双通道PV/T-PCM集热器的结构一定时，空气质量流量对集热器的综合效率有较大的影响。当空气质量流量为0.059 8 kg/s时，全天最大综合效率为86.1%，计算时间段内平均综合效率为77.7%，相比空气质量流量为0.026 5 kg/s时分别提高了13.7%和10.5%。随着空气质量流量由0.026 5 kg/s增加到0.059 8 kg/s，综合效率最大值增长率由6.9%下降到1.45%。

(3)当集热器内的空气质量流量为一定值时，增大n可以提高集热器的综合效率。当集热器为单层上空气通道时光热效率最大，但同时光电效率最低。因此在实际工程中，若集热器内空气质量流量一定时，需要高品位的电能，可采用双通道的集热器结构，如果注重光热的利用，可以选择风道在光伏板上方的单通道结构。