新型集熱結(jié)構(gòu)的PV/T組件冷卻模擬研究

楊先亮，牛 帥，王江江，譚 昊

（華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定071003）

0 引言

對(duì)于光伏組件，常用的集熱系統(tǒng)有管板式系統(tǒng)和扁盒式系統(tǒng)。一直以來，學(xué)者們對(duì)兩種系統(tǒng)做了多方面的研究與改進(jìn)。文獻(xiàn)[1]對(duì)不同冷卻結(jié)構(gòu)的光伏光熱系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明回形冷卻結(jié)構(gòu)的冷卻效果較好，且回形冷卻結(jié)構(gòu)綜合效率高達(dá)40%。文獻(xiàn)[2]進(jìn)行了U管水冷裝置的對(duì)流傳熱模型建立及實(shí)驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[3]把正常的管板式的銅管換成了鋁方管，采用蛇形的布置方式形成管板式結(jié)構(gòu)，在厚度和間距都與銅管一樣的情況下，鋁管的減重率達(dá)到 61.28%。文獻(xiàn)[4]對(duì)太陽(yáng)能集熱器上多V形肋片的傳熱和流體流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值研究。文獻(xiàn)[5]采用Fluent軟件對(duì)鋁制矩形集熱器進(jìn)行模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終得出最大集熱效率達(dá)到0.75。文獻(xiàn)[6]采用銅管水來降溫和上表面水降溫并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比較，結(jié)果與固定傾角 PV系統(tǒng)相比電池轉(zhuǎn)換效率分別提高0.3%和 3%。文獻(xiàn)[7]使用 CFD方法數(shù)值模擬了光伏板集熱器中的流動(dòng)及傳熱過程，通過對(duì)幾種流道長(zhǎng)寬比的比較，得出了矩形管流截面的最佳長(zhǎng)寬比為5:1。文獻(xiàn)[8]通過數(shù)值模擬的方法，對(duì)PV/T系統(tǒng)兩平行板通道中有交錯(cuò)肋板的強(qiáng)制對(duì)流換熱設(shè)計(jì)進(jìn)行了理論分析，得出最佳交錯(cuò)肋片板長(zhǎng)度應(yīng)在兩平行板流道水力直徑的 1.58～1.75倍之間。文獻(xiàn)[9]建立了水冷蛇形管平板 PV/T集熱器的三維模型，研究了多種因素對(duì)溫度分布的影響，包括管間距，吸收材料，入口速度和管排排列。文獻(xiàn)[10]采用疊片和縱向散熱片兩種不同設(shè)計(jì)的新型散熱片，從翅片高度、翅節(jié)距、翅片厚度、翅片數(shù)和傾斜角度等方面確定了最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)。文獻(xiàn)[11-13]在以空氣為媒介的冷卻流道中加入不同類型的肋片也增加了粗糙度并改善了換熱效果。

目前大多數(shù)研究因?yàn)樾Ч话恪⒀b置成本過高或槽道加工復(fù)雜等因素沒有得到更好地應(yīng)用。文獻(xiàn)[14]提出了一種基于光伏發(fā)電余熱的戶式地源熱泵供暖系統(tǒng)，而在搭建光伏光熱系統(tǒng)時(shí)，仍采用傳統(tǒng)的扁盒式集熱冷卻板。當(dāng)電池溫度每升高1℃，電池效率約降低0.5%。隨著2020年光伏發(fā)電項(xiàng)目相關(guān)政策的改變，補(bǔ)貼有所減少，若能對(duì)光伏組件的溫度再次降低，則光伏發(fā)電量也能增加，那么對(duì)于光伏發(fā)電余熱與熱泵聯(lián)合供能系統(tǒng)也能在北方寒冷農(nóng)村地區(qū)大力推進(jìn)。因此，本文在扁盒式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立了一種內(nèi)部具有凸包結(jié)構(gòu)的新型冷卻板，主要以降低光伏板背板溫度、提高出口溫度以及增加集熱效率為目的展開研究。

1 PV/T冷卻背板模型

1.1 物理模型

以型號(hào)JKM275PP-60的光伏組件作為本次模擬參考標(biāo)準(zhǔn)，利用Gambit軟件建立了冷卻板物理模型，模板參數(shù)：1 650 mm×975 mm×20 mm，左側(cè)面前方和右側(cè)面后方有一個(gè)15 mm直徑的圓作為進(jìn)水口和出水口，為了使水流可以更好地充滿集熱板，在板內(nèi)第一排凸包前面設(shè)計(jì)一個(gè)帶有圓孔的擋板，凸包直徑30 mm，凸包間距15 mm，凸包高度為10 mm，寬21個(gè)，長(zhǎng)35個(gè)，模型局部如圖1所示。

圖1 新型集熱板模型Fig. 1 Model of the new collector

1.2 邊界條件

由于簡(jiǎn)化了物理模型，本文把斜面上的輻射強(qiáng)度直接當(dāng)作冷卻板的熱流密度，并考慮到存在散熱損失等因素，引進(jìn)了散熱損失系數(shù)，取φ=0.9，則實(shí)際照射到冷卻板上的熱量如式（1）。

式中：ψ為實(shí)際照射到冷卻板上的熱量；E為斜面上的太陽(yáng)輻照強(qiáng)度；A1為光伏板單塊面積；φ為散熱損失系數(shù)。

大部分地區(qū)在夏季時(shí)有多個(gè)時(shí)刻的太陽(yáng)輻射量都超過1 000 W/m2，因此取1 000 W/m2作為一個(gè)常用的參考值，而通過公式（1）計(jì)算可得ψ=900 W/m2，并將其作為冷卻板上方的熱流密度值；選擇流體進(jìn)口溫度288 K；冷卻板設(shè)計(jì)進(jìn)出口管直徑為15 mm，左上方側(cè)面為進(jìn)口，右下方側(cè)面為出口，單進(jìn)單出；由于該光伏光熱系統(tǒng)與地源熱泵聯(lián)合供能，根據(jù)地埋管的流速得出流量在0.073 kg/s～0.216 kg/s[14]之間，壁面的邊界條件均為無滑移條件。

1.3 數(shù)學(xué)模型

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

能量方程：

本文模擬假設(shè)條件如下：

（1）忽略流體重力影響，并且流體密度不隨溫度變化；

（2）為簡(jiǎn)化模型，忽略上部的玻璃層、上層粘膠層、太陽(yáng)電池片層、下層粘膠層，僅對(duì)冷卻背板層進(jìn)行模擬；

（3）太陽(yáng)照射到冷卻板的輻射強(qiáng)度為熱流密度；

（4）流體為不可壓縮流體，模型中流體的流動(dòng)為三維定常流動(dòng)；

（5）冷卻板背板為絕熱條件，忽略除上板厚度之外的板厚。

在Fluent中的設(shè)置采用RNG k-epsilon湍流模型。該模型在計(jì)算中采用SIMPLEC壓強(qiáng)—速度關(guān)聯(lián)式，離散格式選用二階迎風(fēng)格式。

1.4 熱性能參數(shù)

冷卻背板熱效率：

雷諾數(shù)：

傳熱系數(shù)：

努塞爾數(shù)：

摩擦因子：

光滑流道的努塞爾數(shù)：

光滑流道的摩擦因子：

熱工水力性能參數(shù)：

式中：q為冷卻背板出口集熱量；ψ為實(shí)際照射到冷卻板上的熱量；U為通道內(nèi)水流流速；de為通道內(nèi)水力直徑；ν為流體運(yùn)動(dòng)黏度；qb為壁面熱流密度；Tw為通道壁面溫度；Tf為流體平均溫度；h為傳熱系數(shù)；λ為流體熱導(dǎo)率；Δp為流體流經(jīng)通道壓損；L為通道長(zhǎng)度；ρ為流體密度；Pr為普朗特?cái)?shù)。

1.5 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

冷卻板模型采用軟件Gambit繪制而成，體網(wǎng)格用 TGrid的方法，模型被劃分成四面體網(wǎng)格，通過改變網(wǎng)格的大小，把網(wǎng)格數(shù)量分別劃分為184.32萬、199.85萬、226.24萬。本文主要以模擬冷卻板的出口溫度和背板溫度展開研究，因此選擇出口截面平均溫度值進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，當(dāng)流量為0.073 kg/s時(shí)，網(wǎng)格數(shù)與出口溫度關(guān)系如表1所示。

表1 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證表Tab. 1 Grid independence validation

由表1可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)超過184.32萬時(shí)，出口平均溫度計(jì)算差別很小，再增加網(wǎng)格數(shù)量不會(huì)顯著增加網(wǎng)格的計(jì)算精度，因此本文選擇網(wǎng)格數(shù)量為184.32萬基本可以滿足計(jì)算需求。

二環(huán)路北段（西便門和東便門一線以北） 中央分隔帶為防撞墩，防眩設(shè)施為防眩板，二環(huán)路南段（西便門和東便門一線以南）中央分隔帶為綠化帶，防眩設(shè)施采用植物防眩。

2 不同流量的冷卻板模擬分析

2.1 不同流量下的冷卻板背板溫度變化

模型1：凸包直徑30 mm，凸包間距15 mm，凸包高度10 mm，寬21個(gè)，長(zhǎng)35個(gè)；流量在0.073 kg/s～0.216 kg/s之間選擇 0.073 kg/s、0.093 kg/s、0.111 kg/s、0.139 kg/s、0.216 kg/s 5種。不同流量對(duì)冷卻板背板溫度變化影響如圖2所示。

圖2 不同流量下背板溫度場(chǎng)變化Fig. 2 Change of temperature field of back plate under different flow rates

由圖2可以看出，背板溫度場(chǎng)隨著流量的變化相應(yīng)地變化。對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得到相應(yīng)的背板平均溫度如圖3所示。

圖3 不同流量下的背板平均溫度Fig. 3 Mean temperature of back plate under different flow rates

由圖3可以看出：背板溫度隨進(jìn)口流量增加而降低，整體雖有遞減趨勢(shì)，但并不是線性變化。由參考文獻(xiàn)[14]可知最佳光伏組件轉(zhuǎn)換效率對(duì)應(yīng)的光伏背板溫度為 297.87 K，即背板溫度只要低于297.87 K皆可保證轉(zhuǎn)換效率不會(huì)降低，而由圖3中可知這幾種流量下的背板溫度皆可滿足。

2.2 不同流量下的冷卻板出口溫度變化

冷卻板出口溫度場(chǎng)變化如圖4所示。

圖4 不同流量下出口截面溫度場(chǎng)變化Fig. 4 Change of temperature field of outlet under different flow rates

圖4中出口截面溫度場(chǎng)隨著流量的變化相應(yīng)地變化，通過處理和分析，得到相應(yīng)的出口截面平均溫度如圖5所示。

圖5 不同流量下的出口平均溫度Fig. 5 Mean temperature of outlet under different flow rates

由圖 5可知出口平均溫度隨進(jìn)口流量的增加而降低，冷卻效果隨流量增加而更好，出口溫度卻降低；模擬 5種不同流量的進(jìn)出口壓差分別為 61.67 Pa、102.32 Pa、143.81 Pa、224.77 Pa、539.14 Pa；經(jīng)計(jì)算集熱效率分別為0.86、0.87、0.86、0.86、0.85。

不同流量摩擦因子和熱工水力性能參數(shù)的變化如圖6所示。

圖6 不同流量的摩擦因子和熱工水力性能參數(shù)Fig. 6 Friction factor and thermal-hydraulic performance parameters under different flow rates

結(jié)合圖3分析，5種流量的背板溫度皆可滿足要求，而集熱效率相比較變化不大。進(jìn)出口壓差則隨著流量增加而增大，摩擦因子隨著流量增加而增大，熱工水力性能參數(shù)減小。因此，確定0.073 kg/s為光伏光熱系統(tǒng)中的最佳流量。

3 冷卻板優(yōu)化模擬分析

3.1 不同凸包間距、高度對(duì)結(jié)果的影響

對(duì)冷卻板進(jìn)行優(yōu)化處理，第一種優(yōu)化為模型2，增大凸包的間距，從15 mm增加到30 mm，寬方向的個(gè)數(shù)變成16，長(zhǎng)方向個(gè)數(shù)變成26，在其它條件都不變的情況下進(jìn)行模擬，冷卻板溫度場(chǎng)結(jié)果如圖7所示。

圖7 增大凸包間距對(duì)冷卻板溫度場(chǎng)的影響Fig. 7 Influence of temperature field of cooling plate by increasing convex hull spacing

模型3和模型4是對(duì)凸包的高度進(jìn)行優(yōu)化，從模型1的10 mm增加到15 mm和18 mm，其它條件不變，對(duì)模型進(jìn)行模擬，冷卻板溫度場(chǎng)結(jié)果如圖8所示。

圖8 增大凸包高度對(duì)冷卻板溫度場(chǎng)的影響Fig. 8 Influence of temperature field of cooling plate by increasing convex hull height

對(duì)于4種模型進(jìn)行模擬并從幾個(gè)熱性能參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示。

表2 4種不同模型熱性能參數(shù)比較分析Tab. 2 Comparison and analysis of thermal performance parameters of four different models

由表 2的幾種性能參數(shù)比較分析可以看出模型3和模型4相對(duì)較好。模型4冷卻板的凸包高度為18 mm時(shí)，背板溫度和出口溫度與模型 3比較差別較小，集熱效率相同，而壓差變大會(huì)增加流體運(yùn)動(dòng)的困難性，因此選擇模型 3更合適。

3.2 其它冷卻板模型分析

3.2.1 空板冷卻板模擬分析

當(dāng)模型為空板，其它條件都與前面相同時(shí)，冷卻板溫度場(chǎng)結(jié)果如圖9所示。

圖9 空板溫度場(chǎng)的變化Fig. 9 Variation in the temperature field of the empty plate

3.2.2 扁盒式冷卻板模擬分析

對(duì)傳統(tǒng)的扁盒式冷卻板以相同條件下進(jìn)行模擬，冷卻板溫度場(chǎng)結(jié)果如圖10所示。

圖10 扁盒式冷卻板溫度場(chǎng)的變化Fig. 10 Variation of temperature field of flat box cooling plate

3.2.3 兩種冷卻板與新型集熱板比較分析

通過模擬結(jié)果對(duì)空板模型、扁盒式模型和新型冷卻板模型3的幾個(gè)性能參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表3所示。

表3 性能參數(shù)分析比較表Tab. 3 Comparison and analysis of performance parameters

與表3中的模型3相比，空板模型的背板溫度過高，出口溫度較低，集熱效率偏低，各熱性能參數(shù)較低。相同條件下模型3這種新型集熱結(jié)構(gòu)與扁盒式冷卻板比較，新型集熱結(jié)構(gòu)背板溫度減少了6.5 K，出口溫度增加了0.99 K，集熱效率增加了0.26，各熱性能參數(shù)有了較大的提升。

本文的集熱效率計(jì)算是在已經(jīng)引入散熱系數(shù)后得出的數(shù)值，因此不可與其它研究直接比較，須乘系數(shù)0.9可得相對(duì)參考值。文獻(xiàn)[5]的矩形冷卻板在數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)后其最大集熱效率為0.75，與本文選擇的模型3計(jì)算后的集熱效率參考值0.81相比，少了0.06，故此模型可為之后應(yīng)用PV/T系統(tǒng)提供新的參考。

4 結(jié)論

（1）選擇5種不同流量對(duì)冷卻板進(jìn)行模擬，分析不同流量對(duì)溫度場(chǎng)的影響，綜合背板溫度、出口溫度變化、集熱效率、進(jìn)出口壓差、摩擦因子、熱工水力性能參數(shù)、努塞爾數(shù)和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)確定0.073 kg/s為光伏光熱系統(tǒng)中的最佳流量。

（2）從4種模型中選擇凸包直徑15 mm、凸包間距15 mm、凸包高度為15 mm作為最佳模型，此時(shí)背板平均溫度為295.31 K，出口截面平均溫度為293.41 K，冷卻背板熱效率為0.9。

（3）相同條件下模型3這種新型集熱結(jié)構(gòu)與扁盒式冷卻板比較，新型集熱結(jié)構(gòu)背板溫度減少了6.5 K，出口溫度增加了0.99 K，集熱效率增加了 0.26，而摩擦因子、熱工水力性能參數(shù)、努塞爾數(shù)、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)這幾個(gè)熱性能參數(shù)有了較大的提升，從而表明凸包型的冷卻板冷卻效果優(yōu)于傳統(tǒng)的扁盒式。