空氣-水雙工質(zhì)冷卻循環(huán)PV/T集熱器模擬研究

馬進(jìn)偉，杜 濤，方 浩

（安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

0 引言

PV/T集熱器將光伏板與平板集熱器相結(jié)合，是一種可以同時(shí)提供電能與熱能的一體化裝置，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能的綜合利用[1]，[2]。

根據(jù)冷卻工質(zhì)的不同，PV/T集熱器可以分為空冷型[3]、水冷型[4]、制冷劑型[5]，相比功能單一的太陽(yáng)能集熱器，PV/T組件具有多功能、高效率等優(yōu)勢(shì)，因此得到廣泛研究。Sarhaddi[6]對(duì)PV/T空氣集熱模塊展開(kāi)性能研究，通過(guò)優(yōu)化模型的集熱損失系數(shù)提高了模擬的準(zhǔn)確度。魯朝陽(yáng)[7]建立了空冷型PV/T集熱器數(shù)值模型，根據(jù)模擬結(jié)果分析了漸擴(kuò)、漸縮通道、空氣流量對(duì)集熱器綜合效率的影響。Aste[8]的研究表明，相比于空氣，水具有高熱容性，使得水冷式PV/T表現(xiàn)出更好的綜合性能。Rahim[9]，[10]利用搭建的水冷式PV/T實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分析太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、環(huán)境濕度等參數(shù)對(duì)集熱性能的影響。結(jié)果表明，PV/T系統(tǒng)的發(fā)電量較PV組件提高3.25%。Ramdani[11]提出將水冷通道放置在光伏板上側(cè)，并對(duì)PV/T模塊進(jìn)行數(shù)值模擬。孫勇[12]則采用Fluent構(gòu)建PV/T水集熱裝置的模型，模擬夏季工況下管間距和流量對(duì)組件性能的影響。龐瑋[13]對(duì)板管式PV/T系統(tǒng)開(kāi)展全天性實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)試了水流量大小對(duì)集熱性能影響，結(jié)果顯示，系統(tǒng)熱效率最高可達(dá)到57%。

綜上所述，目前有關(guān)PV/T集熱器的研究多為單工質(zhì)循環(huán)，而有關(guān)雙工質(zhì)冷卻循環(huán)的PV/T集熱器還少有涉及。為解決上述問(wèn)題，本文提出一種空氣-水雙工質(zhì)冷卻循環(huán)的PV/T集熱器，實(shí)現(xiàn)電能、熱水和熱空氣的同時(shí)收集，可依據(jù)日常需求調(diào)節(jié)工作模式，解決單工質(zhì)PV/T使用的局限性。本文利用CFD技術(shù)構(gòu)建PV/T組件模型，模擬不同流量、溫度工況下PV/T組件的電/熱性能，并結(jié)合溫度云圖分布數(shù)據(jù)為空氣-水雙工質(zhì)循環(huán)PV/T集熱器的設(shè)計(jì)研究提供模擬思路和理論依據(jù)。

1 雙工質(zhì)循環(huán)PV/T集熱器

1.1 物理模型

圖1為雙工質(zhì)循環(huán)PV/T集熱器模型結(jié)構(gòu)。

圖1 PV/T集熱器模型Fig.1 The schematic of PV/T collector

其中，集熱器長(zhǎng)1 730 mm、寬1 000 mm，上側(cè)與玻璃蓋板間形成15 mm的空氣夾層，下表面附有的8根細(xì)銅管與35 mm的空氣流道構(gòu)成雙工質(zhì)換熱通道。光伏電池鋪設(shè)在吸熱板表面，兩者采用EVA材料粘合，22 mm的集管設(shè)置在銅管的進(jìn)出口，構(gòu)成系統(tǒng)水回路，選擇玻璃纖維作為集熱器的保溫材料。PV/空氣工況下，關(guān)閉水流進(jìn)出口，由空氣對(duì)光伏電池進(jìn)行冷卻；PV/水工況下，關(guān)閉PV/T集熱器空氣進(jìn)出口，由水對(duì)光伏電池進(jìn)行冷卻；PV/空氣-水復(fù)合模式下，同時(shí)開(kāi)啟空氣、水流道，此時(shí)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)空氣/水雙工質(zhì)冷卻循環(huán)。

1.2 控制方程

空氣-水雙工質(zhì)冷卻循環(huán)PV/T集熱器在運(yùn)行過(guò)程中滿足以下控制方程。

PV/T集熱器運(yùn)行過(guò)程中的連續(xù)性方程為[12]

1.3 性能評(píng)價(jià)

雙工質(zhì)冷卻循環(huán)PV/T集熱效率ηth為工質(zhì)總得熱量與太陽(yáng)輻射總能的比值，計(jì)算式為

式中：ηc為標(biāo)況下光電效率，取0.13；Tc為光伏電池溫度，K。

電能相較于熱能而言，是一種高品位的能源，本文采用綜合效率ηf來(lái)評(píng)判PV/T集熱器綜合性能，其表達(dá)式為[7]

式中：ε為電能和熱能間的轉(zhuǎn)換系數(shù)，取1/0.38。

2 計(jì)算模型

2.1 模型與網(wǎng)格驗(yàn)證

雙工質(zhì)冷卻循環(huán)PV/T集熱器計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 PV/T集熱器計(jì)算模型Fig.2 Calculation model diagram of PV/T collector

通過(guò)SCDM構(gòu)建PV/T集熱器三維計(jì)算模型，利用Ansys meshing進(jìn)行網(wǎng)格劃分。以PV/T集熱器的綜合效率作為指標(biāo)，進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到2.24×106個(gè)后效率值趨于穩(wěn)定，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為3.08×106個(gè)時(shí)，綜合效率僅變化0.107%，考慮模型的精確度與計(jì)算量的大小，網(wǎng)格數(shù)采用2.24×106個(gè)。

2.2 物性參數(shù)與邊界條件

各材料物性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料物性參數(shù)Table 1 Physical parameters of the materials

模擬中，工質(zhì)入口、出口分別設(shè)置為速度入口、壓力出口邊界條件?？紤]到玻璃蓋板的對(duì)流與輻射作用，將其設(shè)為Mixed邊界條件。PV/T集熱器的保溫邊框設(shè)定為對(duì)流換熱邊界。使用C語(yǔ)言編寫(xiě)的自定義函數(shù)（udf）求解光電轉(zhuǎn)換過(guò)程。對(duì)于低速的湍流流動(dòng)，選用對(duì)旋轉(zhuǎn)流、二次流有較好解釋的realizable k-e模型，同時(shí)采用DO模型對(duì)集熱器內(nèi)的輻射換熱進(jìn)行模擬。由于溫度的變化導(dǎo)致空氣密度發(fā)生改變，因此空氣物性參數(shù)選用Boussinesq假設(shè)。太陽(yáng)能輻照度設(shè)置為893 W/m2，工質(zhì)的進(jìn)口溫度、環(huán)境溫度設(shè)為300 K，空氣、水初始速度分別為0.936，0.108 m/s。

2.3 求解方法

數(shù)值計(jì)算過(guò)程選用Fluent中的雙精度壓力基進(jìn)行求解，采用Simple算法對(duì)速度與壓力進(jìn)行耦合，Body-force-weighted作為壓力差值選擇方案，解變量梯度由Least-square-cell-based方法確定，能量、動(dòng)量方程均采用Second-order-upwind格式提高精度。

數(shù)值模擬過(guò)程中還有以下假設(shè)：①忽略電池片間距，光伏電池板按整體建模，TPT背膜等電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的接觸熱阻不做考慮；②光伏板吸收的太陽(yáng)輻照能部分轉(zhuǎn)化為電能，其余部分能量全部轉(zhuǎn)化為熱能；③光伏板、EVA材料、吸熱板為理想的無(wú)空氣間隙的粘合結(jié)構(gòu)；④集熱器的數(shù)值計(jì)算在三維穩(wěn)態(tài)條件下進(jìn)行。

2.4 模型驗(yàn)證

當(dāng)空氣質(zhì)量流量為0.039 kg/s時(shí)，改變PV/T集熱器進(jìn)口空氣溫度（283～313 K），模擬所得的集熱器出口空氣溫度與郭超[14]實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表2所示。

表2 PV/T集熱器出口空氣溫度模擬值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Table 2 Comparison of simulated and experimental air temperature at PV/T collector outlet

由表2分析可得，模擬值與實(shí)驗(yàn)值結(jié)果吻合度較高，最大相對(duì)誤差不超過(guò)1%，平均相對(duì)誤差為0.35%，因此本文的模擬結(jié)果對(duì)PV/T集熱器實(shí)驗(yàn)性能預(yù)測(cè)具有參考價(jià)值。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 工質(zhì)換熱特性

為探究工質(zhì)在集熱過(guò)程中的換熱特性，本文首先對(duì)空氣、水流量均為0.04 kg/s時(shí)的3種工況進(jìn)行數(shù)值模擬，圖3為PV/T集熱器光伏板溫度分布云圖。

圖3 PV/T集熱器光伏板分布云圖Fig.3 The temperature distribution of the PV panel

表3為PV/T集熱器在3種工作模式下的數(shù)值模擬結(jié)果。

表3 3種工況下數(shù)值模擬結(jié)果Table 3 Numerical simulation results under three conditions

結(jié)合圖3（a）可知，光伏板表面溫度分層明顯，平均溫度為331.03 K。光伏板在PV/T集熱器入口側(cè)溫度較低，這是因?yàn)槿肟趥?cè)空氣與吸熱板間的換熱量較大，隨著空氣沿流動(dòng)方向不斷被加熱，空氣與吸熱板間的溫差減小，換熱能力逐漸下降，導(dǎo)致PV/T集熱器出口側(cè)光伏板溫度明顯升高。

結(jié)合圖3（b）可知，光伏板平均溫度顯示308.05 K。水管間光伏板溫度明顯高于水管正上方的光伏板溫度，說(shuō)明水能夠有效吸收光伏板的熱量。進(jìn)一步結(jié)合圖3（a），3（b），水冷模式相比于空冷模式具有更低的光伏板溫度，這是因?yàn)樗母邿崛菪裕沟脫Q熱量較空氣大幅提升。PV/水模式的綜合效率相對(duì)PV/空氣模式能夠提升37.11%。

結(jié)合圖3（c）可知，光伏板的平均溫度為307.3 K，相較于單工質(zhì)模式，空氣-水復(fù)合模式下光伏板溫度降低的更為明顯，這是因?yàn)殡p工質(zhì)冷卻循環(huán)提升了換熱性能，吸收更多的熱能實(shí)現(xiàn)PV/T集熱器的多功能利用。復(fù)合模式下集熱器熱損為76.05 W/m2，相對(duì)PV/水模式下降了6.9%。

3.2 PV/空氣集熱性能參數(shù)分析

3.2.1 流量

圖4為PV/空氣集熱模式在變流量工況下的電、熱、綜合效率變化曲線。

圖4 空氣質(zhì)量流量對(duì)PV/T集熱器性能的影響Fig.4 Effect of air mass flow rate on the performance of PV/T collector

由圖4可知，隨著空氣流量的增加，各項(xiàng)效率呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，但增加幅度逐漸變緩?？諝饬髁坑?.01 kg/s增至0.065 kg/s過(guò)程中，熱效率由20.75%上升至38.53%，電效率由10.51%上升至11.26%，綜合效率由48.42%上升至68.18%。當(dāng)空氣流量超過(guò)0.04 kg/s時(shí)，系統(tǒng)各效率曲線的變化梯度顯著降低，考慮到進(jìn)口流量提升帶來(lái)的能量損耗，PV/T集熱器最佳運(yùn)行工況為本模擬條件下空氣集熱的經(jīng)濟(jì)性流量0.04 kg/s。

3.2.2 進(jìn)口溫度

圖5為空氣流量為0.04 kg/s時(shí)，PV/T集熱器進(jìn)口空氣溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響。由圖5可知，進(jìn)口空氣溫度由273 K提升至323 K，熱效率、電效率、綜合效率由51.69%，11.83%，82.82%減少至19.14%，10.43%，46.59%。這是因?yàn)榭諝獗葻崛葺^小，升高進(jìn)口空氣溫度使得PV/T內(nèi)部的熱量傳遞減少，同時(shí)未被吸收的熱能降低了光伏電池的轉(zhuǎn)換效率，PV/T系統(tǒng)集熱損失增加，整體工作效率下降。

圖5 進(jìn)口空氣溫度對(duì)PV/T集熱器性能的影響Fig.5 Effect of inlet air temperature on the performance of PV/T collector

圖6為PV/T集熱器進(jìn)口空氣溫度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)出口溫差與光伏板溫度的影響。

圖6 進(jìn)口空氣溫度對(duì)進(jìn)出口溫差與光伏板溫度的影響Fig.6 Effect of inlet air temperature on temperature difference and PV panel temperature

由圖6可知，隨著PV/T集熱器進(jìn)口空氣溫度的增加，光伏板溫度快速上升，但進(jìn)出口空氣溫差卻不斷縮小，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)不斷提高進(jìn)口空氣溫度的方法來(lái)得到高溫?zé)峥諝馐遣缓侠淼摹?/p>

3.3 PV/水集熱性能參數(shù)分析

3.3.1 流量

圖7顯示水為換熱工質(zhì)時(shí)，流量從0.01 kg/s變化至0.065 kg/s對(duì)PV/T集熱器性能的影響。由圖7可知，PV/T系統(tǒng)的效率隨著工質(zhì)流量增加逐漸增長(zhǎng)。水流量由0.01 kg/s增至0.03 kg/s，PV/T集熱器熱效率從45.64%提升到53.7%，上升幅度為17.65%；水流量由0.03 kg/s增至0.065 kg/s，熱效率從53.7%提升到55.46%，上升幅度僅為3.27%。相同情況下，電效率上升幅度為6.45%和

圖7 水質(zhì)量流量對(duì)PV/T集熱器性能的影響Fig.7 Effect of water mass flow rate on the performance of PV/T collector

3.3.2 環(huán)境溫度

圖8為水流量為0.02 kg/s時(shí)，環(huán)境溫度對(duì)PV/T集熱器性能的影響。0.89%，綜合效率上升幅度為12.15%和2.36%。這是因?yàn)?，?dāng)質(zhì)量流量大于0.03 kg/s時(shí)，由于吸熱板與水之間換熱能力有限，流速的增加對(duì)換熱系數(shù)影響很小。綜上所述，水集熱工況下集熱器的經(jīng)濟(jì)性流量為0.03 kg/s。結(jié)合圖7和圖4，在相同流量下，水冷型PV/T具有更高的綜合性能。

圖8 環(huán)境溫度對(duì)PV/T集熱器性能的影響Fig.8 Effect of ambient temperature on the performance of PV/T collector

表4為環(huán)境溫度對(duì)PV/T集熱器進(jìn)出口溫差與光伏板溫度的影響。結(jié)合圖8和表4可知，PV/T集熱器熱效率從34.38%增至61.78%，相對(duì)上升79%，電效率從12.47%降至12.17%，相對(duì)下降2.41%，集熱器進(jìn)出口溫差逐步增長(zhǎng)。這是因?yàn)榄h(huán)境溫度的升高，減少了PV/T集熱器和外部環(huán)境之間的對(duì)流換熱與輻射散熱，提升了熱效率。另一方面，環(huán)境溫度的上升導(dǎo)致光伏板冷卻效果變差，引起光電效率的下降，但其波動(dòng)幅度遠(yuǎn)小于熱效率的提升。因此，提升環(huán)境溫度有利于系統(tǒng)的綜合性能，其綜合效率從67.22%增至93.81%，相對(duì)上升39%。

表4 環(huán)境溫度對(duì)進(jìn)出口溫差與光伏板溫度的影響Table 4 Effect of ambient temperature on temperature difference and PV panel temperature

3.4 PV/空氣-水集熱性能參數(shù)分析

空氣-水雙循環(huán)工況下，同步改變空氣、水的質(zhì)量流量，圖9為流量0.01～0.065 kg/s下PV/T集熱器性能的變化曲線。由圖9可知，流量由0.01 kg/s增至0.03 kg/s， 熱效率從48.75%增至55.67%，漲幅14.19%；流量由0.03 kg/s增至0.065 kg/s，熱效率從55.67%增至57.22%，漲幅2.78%。相同情況下電效率漲幅為3.67%與0.8%，綜合效率漲幅為10.54%與1.76%。因此空氣-水集熱工況下推薦經(jīng)濟(jì)性流量為0.03 kg/s。由圖7和圖9對(duì)比可知，在PV/空氣-水模式中，雙工質(zhì)冷卻循環(huán)可以收集更多的熱量，系統(tǒng)的熱損失進(jìn)一步降低，PV/T集熱器的綜合性能得到提升。

圖9 空氣-水質(zhì)量流量對(duì)PV/T集熱器的影響Fig.9 Effect of air-water mass flow rate on the performance of PV/T collector

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)空氣-水雙工質(zhì)冷卻循環(huán)PV/T集熱器的三維穩(wěn)態(tài)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了不同工況下流量、溫度對(duì)PV/T集熱器性能的影響，分析模擬數(shù)據(jù)后可得到如下結(jié)論。

①變流量工況下（0.01～0.065 kg/s），PV/空氣、PV/水、PV/空氣-水復(fù)合模式綜合效率分別從48.42%，76.94%，80.27%增至68.18%，88.29%，90.15%，但其效率變化趨勢(shì)逐漸變緩，PV/水、PV/空氣-水模式流量的最優(yōu)值為0.03 kg/s，PV/空氣模式流量的最優(yōu)值為0.04 kg/s。

②PV/空氣模式下，隨著進(jìn)口空氣溫度的升高（273～323 K），PV/T集熱器的綜合效率從82.82%下降至46.59%，較高的進(jìn)口溫度使得光伏板冷卻效果降低，集熱損失增加。

③PV/水模式下，環(huán)境溫度從273 K增至313 K過(guò)程中，PV/T集熱器熱效率由34.38%提升至61.78%，但電轉(zhuǎn)化效率相對(duì)下降2.46%，電效率的波動(dòng)要遠(yuǎn)小于熱效率，因此環(huán)境溫度的升高能夠提升PV/T系統(tǒng)的綜合性能。

④相比于單工質(zhì)循環(huán)的PV/T集熱器，雙工質(zhì)PV/T集熱器具有3種工作模式，進(jìn)一步拓寬了PV/T集熱器的適用范圍，用戶可根據(jù)季節(jié)、氣候等不同應(yīng)用需求選擇適宜的工作模式。