太陽能光電光熱綜合利用模塊數值模擬

童維維，方浩，馬進偉，方廷勇，王立超

(1.安徽建筑大學 環境與能源工程學院，安徽 合肥 230601；2.安徽池州九華發電有限公司，安徽 池州 247100)

0 引言

太陽能空氣、水集熱是目前應用最成熟、最廣泛的太陽能利用技術，但其存在光熱轉換效率低，功能單一，無法實現能源高效率利用等問題。光電光熱綜合利用模塊由光伏(PV)電池面板和太陽能集熱器共同構成，可同時收集電能和熱能。集熱模塊利用循環工質(水或空氣)吸取熱量并冷卻PV電池以獲取熱能，而PV電池在低溫度下具有更好的電效率，以實現太陽能的綜合利用。PV/T集熱模塊較單獨的空氣、水集熱系統或光伏板表現出更好的熱性能和節能效果。此外，PV/T集熱模塊的一體化結構，具有經濟性、節省空間等優勢。

PV/T集熱模塊因其獨特的復合型構造及多功能的使用性，具有廣闊的市場前景。Kern于1970年提出太陽能光伏/光熱綜合利用的構想，即在光伏板背面增設流道[1]。Grag研究了太陽能光伏/光熱集熱器，顯示其電效率和熱效率分別為3.35%和33.6%[2]。Chow對平板PV/T集熱器的瞬時集熱效率和電效率進行了全面分析[3]。Bhattarai等人分析了PV/T系統、傳統集熱器在不同儲水量下的熱性能，以及系統的存儲容量、電力成本對集熱器效益回收的影響[4]。郭超等對多功能太陽能PV/T集熱器的空氣集熱和水集熱進行實驗研究[5-6]。結果表明，該PV/T系統在兩種模式下均能提高熱利用效率。孫健等研究了復合拋物面聚光型太陽能PV/T集熱器，并進行實驗驗證[7]。還有學者對集熱器的內部傳熱進行了數值模擬[6-8]。

本文針對所設計的PV/T集熱模塊，分光電—空氣集熱、光電—水集熱模塊分別進行數值模擬。光伏—空氣模塊，主要研究不同空氣流道尺寸、空氣流量值對集熱性能的影響；光電—水模塊，模擬不同入口水流速度下其對應的熱性能變化趨勢；結合設計的PV電池年均發電量、發電效率，作出系統節能分析。創新點在于建立光電—空氣集熱器的理論模型，利用CFD模擬三種流道尺寸的多功能模塊在不同空氣流量工況下的性能，結合集熱效率、節能效率得到最佳流道尺寸。在空氣集熱的基礎上，增加集熱水功能，并建立簡化的三維光電—水集熱模型，綜合考慮出口溫升、節約電能等方面，優化進口水流速度值，為多功能PV/T平板集熱器的應用研究提供理論依據。

1 PV/T多功能集熱模塊

1.1 模型設計參數簡介

PV/T多功能集熱模塊由玻璃蓋板、光伏電池、吸熱板、銅管、空氣流道和保溫層等構成。玻璃蓋板采用布紋鋼化玻璃，與光伏板間隙為0.035 m，用于減少由空氣流動引起的熱損失及防止灰塵沉積。吸熱板上附有光伏電池、背面焊接銅管，與空氣流道相連，集熱器四周及底部為酚醛泡沫保溫層。設計的集熱器采用下流道型空氣流道，其結構見圖1、圖2所示，設計參數見表1。

圖1 PV/T多功能平板集熱器及下流道型空氣流道模型圖

圖2 PV/T多功能集熱模塊結構示意圖

1.2 建立理論模型

1.2.1 模型假設

(1)玻璃蓋板與天空輻射忽略不計，太陽輻射均勻照射在集熱器表面。

(2)玻璃蓋板與吸熱板的輻射忽略不計；

(3)PV電池板沿垂直方向一維傳熱，與流體的換熱系數為定值；

(4)空氣流道/水管內介質為不可壓縮流體；

(5)集熱器四周與底面的散熱忽略不計；

(6)光電—水集熱模式中，吸熱板溫度關于銅管對稱分布；

1.2.2 求解模型與網格劃分

本文數值模擬采用三維雙精度壓力基進行求解。經設計參數計算，循環工質流動時雷諾數Remin=4850＞4000，顯示為湍流。對于低雷諾數流體流動，考慮到湍流耗散、湍流粘度等影響因子后，RealizableK-ε模型較為合適本次模擬。為使模擬結果更加準確，采用DO輻射模型，其具有求解所有光學深度范圍輻射問題的特性。模擬過程中二階迎風差分格式的使用可以提高求解精度，殘差參數精確到10-6。根據上述求解模型，運用CFD建模后對模型進行網格劃分，如圖3所示。

表1 PV/T集熱器設計參數表

由于考慮到網格數量對模擬結果的影響，網格獨立性無關驗證以0.015 m空氣流道為例進行說明。在進口溫度20℃、質量流量0.02 kg/s的工況下，網格劃分數量為75萬時其集熱效率為41.31%。對吸熱板周圍壁面和模塊進、出口進行加密后，網格數量增加至100萬，但集熱效率的偏差僅為0.091%，影響可忽略不計，因此本文中網格獨立性無關得到證實，其它工況下模擬均按照此方法進行了驗證。

圖3 PV/T多功能集熱模塊模擬局部加密圖

1.2.3 數據采用與邊界條件設定

模擬的時間為2018年6月30日12：00，地點為北緯 31 °83'，東經 117 °25'(合肥市)，氣象參數采用標準TMY數據并采用Boussinesq假設設定其物理參數，其中空氣密度為1.225 kg/m3。集熱器邊界條件設定，如表2所示。

表2 集熱器邊界條件設定表

1.3 工作模式

光電—空氣集熱工作模式下，打開空氣流道的進、出口，水閥保持關閉狀態，空氣通過進氣口進入空氣流道，與吸熱板對流換熱后沿空氣流道向上流動，在出口處被收集；光電—水集熱工作模式下，打開進水口并關閉空氣流道的進出口，銅管中水與吸熱板間接導熱后升溫，加熱后的熱水在虹吸力的作用下匯入集熱水箱；綜合利用模式下，空氣流道、水流進出口一并打開，同時得到電能、熱水和熱空氣。

2 系統性能評價

2.1 評價光電—空氣集熱系統性能方法

現行國標(GB/T26977-2011)中太陽能空氣集熱器的光熱轉換效率(ηa)定義為空氣集熱得到的能量與入射到集熱器表面的太陽輻射量之比：

式中，cp為空氣的比熱容，J/(kg·K)；m 為空氣的質量流量，kg/s；Tout、Tin分別為空氣出、進口的溫度，K；Ac為有效集熱面積，取 1.512 m2。

為更全面的研究空氣集熱模塊的熱性能，需要考慮空氣流動所消耗的外界功，熱空氣的?值由式(2)[13]計算：

式中，ρ為空氣的密度，kg/m3；Ta為環境溫度，K；Tf為流道內空氣溫度的平均值，K；Δp為進、出口處空氣壓降，pa。

2.2 評價光電—水集熱系統性能方法

集熱水系統的熱效率定義為集熱水箱內水增加的熱量與模擬中集熱器所獲得的太陽輻照總量的比值，由式(3)[13]計算：

式中，M表示水箱內水的質量，kg，根據水流速度值折算；T1、T2分別表示銅管進、出口水溫，K；Cw表示水的比熱容，J/(kg·K)；H為太陽輻射能，取當天模擬參數13.42 MJ/m2。

2.3 評價系統光電性能方法

多功能集熱模式下，獲得熱能的同時也將輸出電能，考慮到電能是高品位能源，節能效率更適合評估集熱模塊的性能[13]，表示為：

式中，ηf為節能效率；ηpv表示光伏板的電效率；ζ為光伏板的填充系數；ηpower為電廠中熱能與電能的換算系數，取值為38%。

本文所設計的PV/T集熱模塊具有較強的實用性，故對其理論發電量、電效率進行計算，再結合集熱性能實現太陽能的綜合利用。由于光伏板的工作溫度影響轉化效率，根據設計的工況條件，光伏電池采用晶硅材料。除此之外，集熱模塊不同的安裝傾角，導致太陽能輻射量的累積差異也會影響光電效率，綜合考慮后，本案例中集熱器傾角選取為35°較為適宜。

PV面板是由72塊光伏電池單元模塊構成，發電量由式(5)[13]計算：

式中，HA—單位面積太陽輻照能(kW·h/m2)，根據地區氣象資料，1365 kW·h/m2；K1—標準組件轉換系數，0.165；K2—系統綜合效率[注]，一般為 0.8±0.1，取 0.8。(注：結合溫度、傾角、材料、地理位置等因素的光電效率轉換系數。)

設計理論值Ep=202.9 kW·h，以供電標準煤耗310 g/kW·h校核，年節約標準煤近62.9 kg。

電效率由式(6)[13]：

式中，Epv—有效功率(W)，見式 2.7；G—太陽輻照度(W/m2)，取模擬參數 800 W/m2；S—電池組件總面積(m2)，1.125 m2；τg—玻璃蓋板透射率，0.9。

有效功率Epv由式(7)[13]：

式中，ηref—標準測試條件下光伏板效率，16.5%；Br—溫度系數，0.0045 K-1；Tpv—光伏電池工作溫度(K)；Tref—標準測試條件下電池溫度(K)，取298.15 K。

3 模擬過程及分析

3.1 光電—空氣集熱模塊

對于光電—空氣集熱模塊，建立0.015 m、0.025 m、0.035 m三種空氣流道模型，并分別模擬在不同空氣質量流量值(0.02、0.03、0.04、0.05、0.06 kg/s)下的熱性能表現。模擬的各項數據見表2、表3、表4，集熱效率、?值的變化趨勢見圖4、圖5、圖6。

模擬結果顯示：光電—空氣集熱模塊中，0.025 m空氣流道的集熱效率最高，其平均集熱效率達到51.37%，出口空氣溫度最高可提升近50℃，而0.015 m空氣流道的平均集熱效率較低，僅有42.56%；對于溫度梯度平穩的區域，0.035 m空氣流道的集熱性能更佳；綜合集熱效率、?值變化可知，0.015 m、0.035 m的空氣流道最佳入口空氣流量值為0.03 kg/s，而0.025 m的空氣流道最佳入口空氣流量為0.04 kg/s。

文獻[5]中，作者對PV/T集熱系統進行了全天性能測試，其PV/T空氣集熱實驗中，空氣流道尺寸、空氣質量流量和進口溫度與本模擬中的0.025 m、0.04 kg/s和20℃工況類似，集熱效率為50.02%，相對效率偏差5.3%。考慮到模擬過程處于理想的工作條件，故在誤差允許范圍內，模擬結果正確。光電—空氣集熱的各項效率值見表6。

表3 光電—空氣集熱模塊各項數據(空氣流道0.015 m)

表4 光電—空氣集熱模塊各項數據(空氣流道0.025 m)

表5 光電—空氣集熱模塊各項數據(空氣流道0.035 m)

表6 光伏/空氣集熱各項效率值

由表6可知，0.025 m空氣流道的節能效率最高，達到62.08%，0.015 m時的節能效率最低，為51.88%。

3.2 光電—水集熱模塊

對于光電—水集熱模塊，結合所作假設簡化模型后，建立單根銅管的三維集熱水模型。采用控制變量法依次改變進口水流速度值(0.04、0.06、0.08、0.10、0.12、0.14 m/s)，模擬得到對應的出口水溫見表7，集熱效率及趨勢見圖7。

圖4 空氣集熱效率、?值變化趨勢(0.015 m)

圖5 空氣集熱效率、?值變化趨勢(0.025 m)

圖6 空氣集熱效率、?值變化趨勢(0.035 m)

模擬結果表明，光電—水集熱系統出口水溫隨著入口水流速的增加而逐漸降低，最低降至34.08℃，而此時效率達到最高的27.03%；系統在0.10 m/s的進口水流速下熱性能最佳。

文獻[6]中，所做實驗工況與本文模擬的0.10 m/s進口流速時類似，集熱效率為26.3%，相對效率偏差為5.6%，鑒于模擬工況與實際輻射情況存在的差異，模擬結果的正確性得到驗證。

根據上述章節提到的集熱水效率計算定義，水吸收的總熱量Q：

式中，m為水箱中水的質量，設計量120kg；cp為水的比熱容，取 4.2×103J/(kg·K)；ΔT為進、出口的水溫差，據模擬結果取15 K。

表7 光電—水集熱模擬的出口水溫、集熱效率

圖7 集熱效率、出口水溫變化趨勢

將熱量與電能進行轉換后，集熱水過程至少節約電能2.1 kw·h。同樣對于高品位電能，利用式(2.5)得到光電—水集熱的節能效率計算結果為33.52%。

4 結論

通過CFD數值模擬本文中各工況下的PV/T綜合利用模塊，得到以下結論：

(1)光電—空氣集熱模式下，空氣集熱效率隨空氣流量的增加而提高，但所獲?值呈降低趨勢。

(2)光電—水集熱模式下，隨著入口水流速度的增加，出口水溫逐漸降低，熱效率不斷提高的同時其增長趨勢逐漸減緩。

(3)系統正常工作時，經過循環可將水箱中水溫提高近15℃，節約電能2.1 kw·h，節能效率達到33.52%，較單獨的集熱水系統效率大幅提高；

(4)設計的PV面板理論年發電量近202.9 kw·h，其相當于節約標準煤62.9 kg。

綜上所述，PV/T多功能平板集熱器在實現對太陽能綜合利用的同時，集熱效率大幅提升，綜合使用能力加強，節能效果更佳。