新型集熱結構的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 能源動力與機械工程學院，河北 保定071003）

0 引言

對于光伏組件，常用的集熱系統有管板式系統和扁盒式系統。一直以來，學者們對兩種系統做了多方面的研究與改進。文獻[1]對不同冷卻結構的光伏光熱系統進行了實驗研究，結果表明回形冷卻結構的冷卻效果較好，且回形冷卻結構綜合效率高達40%。文獻[2]進行了U管水冷裝置的對流傳熱模型建立及實驗研究。文獻[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構，在厚度和間距都與銅管一樣的情況下，鋁管的減重率達到 61.28%。文獻[4]對太陽能集熱器上多V形肋片的傳熱和流體流動特性進行了數值研究。文獻[5]采用Fluent軟件對鋁制矩形集熱器進行模擬及實驗驗證，最終得出最大集熱效率達到0.75。文獻[6]采用銅管水來降溫和上表面水降溫并進行了實驗比較，結果與固定傾角 PV系統相比電池轉換效率分別提高0.3%和 3%。文獻[7]使用 CFD方法數值模擬了光伏板集熱器中的流動及傳熱過程，通過對幾種流道長寬比的比較，得出了矩形管流截面的最佳長寬比為5:1。文獻[8]通過數值模擬的方法，對PV/T系統兩平行板通道中有交錯肋板的強制對流換熱設計進行了理論分析，得出最佳交錯肋片板長度應在兩平行板流道水力直徑的 1.58～1.75倍之間。文獻[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[10]采用疊片和縱向散熱片兩種不同設計的新型散熱片，從翅片高度、翅節距、翅片厚度、翅片數和傾斜角度等方面確定了最優設計參數。文獻[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。

目前大多數研究因為效果一般、裝置成本過高或槽道加工復雜等因素沒有得到更好地應用。文獻[14]提出了一種基于光伏發電余熱的戶式地源熱泵供暖系統，而在搭建光伏光熱系統時，仍采用傳統的扁盒式集熱冷卻板。當電池溫度每升高1℃，電池效率約降低0.5%。隨著2020年光伏發電項目相關政策的改變，補貼有所減少，若能對光伏組件的溫度再次降低，則光伏發電量也能增加，那么對于光伏發電余熱與熱泵聯合供能系統也能在北方寒冷農村地區大力推進。因此，本文在扁盒式系統的基礎上建立了一種內部具有凸包結構的新型冷卻板，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JKM275PP-60的光伏組件作為本次模擬參考標準，利用Gambit軟件建立了冷卻板物理模型，模板參數：1 650 mm×975 mm×20 mm，左側面前方和右側面后方有一個15 mm直徑的圓作為進水口和出水口，為了使水流可以更好地充滿集熱板，在板內第一排凸包前面設計一個帶有圓孔的擋板，凸包直徑30 mm，凸包間距15 mm，凸包高度為10 mm，寬21個，長35個，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

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

式中：ψ為實際照射到冷卻板上的熱量；E為斜面上的太陽輻照強度；A1為光伏板單塊面積；φ為散熱損失系數。

大部分地區在夏季時有多個時刻的太陽輻射量都超過1 000 W/m2，因此取1 000 W/m2作為一個常用的參考值，而通過公式（1）計算可得ψ=900 W/m2，并將其作為冷卻板上方的熱流密度值；選擇流體進口溫度288 K；冷卻板設計進出口管直徑為15 mm，左上方側面為進口，右下方側面為出口，單進單出；由于該光伏光熱系統與地源熱泵聯合供能，根據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 數學模型

連續性方程：

動量方程：

能量方程：

本文模擬假設條件如下：

（1）忽略流體重力影響，并且流體密度不隨溫度變化；

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

（3）太陽照射到冷卻板的輻射強度為熱流密度；

（4）流體為不可壓縮流體，模型中流體的流動為三維定常流動；

（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中的設置采用RNG k-epsilon湍流模型。該模型在計算中采用SIMPLEC壓強—速度關聯式，離散格式選用二階迎風格式。

1.4 熱性能參數

冷卻背板熱效率：

雷諾數：

傳熱系數：

努塞爾數：

摩擦因子：

光滑流道的努塞爾數：

光滑流道的摩擦因子：

熱工水力性能參數：

式中：q為冷卻背板出口集熱量；ψ為實際照射到冷卻板上的熱量；U為通道內水流流速；de為通道內水力直徑；ν為流體運動黏度；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；λ為流體熱導率；Δp為流體流經通道壓損；L為通道長度；ρ為流體密度；Pr為普朗特數。

1.5 網格獨立性驗證

冷卻板模型采用軟件Gambit繪制而成，體網格用 TGrid的方法，模型被劃分成四面體網格，通過改變網格的大小，把網格數量分別劃分為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行網格無關性驗證，當流量為0.073 kg/s時，網格數與出口溫度關系如表1所示。

表1 網格無關性驗證表Tab. 1 Grid independence validation

由表1可以發現，當網格數超過184.32萬時，出口平均溫度計算差別很小，再增加網格數量不會顯著增加網格的計算精度，因此本文選擇網格數量為184.32萬基本可以滿足計算需求。

二環路北段（西便門和東便門一線以北） 中央分隔帶為防撞墩，防眩設施為防眩板，二環路南段（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，長35個；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，背板溫度場隨著流量的變化相應地變化。對上述數據進行處理分析，得到相應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：背板溫度隨進口流量增加而降低，整體雖有遞減趨勢，但并不是線性變化。由參考文獻[14]可知最佳光伏組件轉換效率對應的光伏背板溫度為 297.87 K，即背板溫度只要低于297.87 K皆可保證轉換效率不會降低，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

冷卻板出口溫度場變化如圖4所示。

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

圖4中出口截面溫度場隨著流量的變化相應地變化，通過處理和分析，得到相應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種不同流量的進出口壓差分別為 61.67 Pa、102.32 Pa、143.81 Pa、224.77 Pa、539.14 Pa；經計算集熱效率分別為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Fig. 6 Friction factor and thermal-hydraulic performance parameters under different flow rates

結合圖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，熱工水力性能參數減小。因此，確定0.073 kg/s為光伏光熱系統中的最佳流量。

3 冷卻板優化模擬分析

3.1 不同凸包間距、高度對結果的影響

對冷卻板進行優化處理，第一種優化為模型2，增大凸包的間距，從15 mm增加到30 mm，寬方向的個數變成16，長方向個數變成26，在其它條件都不變的情況下進行模擬，冷卻板溫度場結果如圖7所示。

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

模型3和模型4是對凸包的高度進行優化，從模型1的10 mm增加到15 mm和18 mm，其它條件不變，對模型進行模擬，冷卻板溫度場結果如圖8所示。

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

對于4種模型進行模擬并從幾個熱性能參數進行分析，結果如表2所示。

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

由表 2的幾種性能參數比較分析可以看出模型3和模型4相對較好。模型4冷卻板的凸包高度為18 mm時，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，而壓差變大會增加流體運動的困難性，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

當模型為空板，其它條件都與前面相同時，冷卻板溫度場結果如圖9所示。

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

3.2.2 扁盒式冷卻板模擬分析

對傳統的扁盒式冷卻板以相同條件下進行模擬，冷卻板溫度場結果如圖10所示。

圖10 扁盒式冷卻板溫度場的變化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

通過模擬結果對空板模型、扁盒式模型和新型冷卻板模型3的幾個性能參數進行計算，結果如表3所示。

表3 性能參數分析比較表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，各熱性能參數較低。相同條件下模型3這種新型集熱結構與扁盒式冷卻板比較，新型集熱結構背板溫度減少了6.5 K，出口溫度增加了0.99 K，集熱效率增加了0.26，各熱性能參數有了較大的提升。

本文的集熱效率計算是在已經引入散熱系數后得出的數值，因此不可與其它研究直接比較，須乘系數0.9可得相對參考值。文獻[5]的矩形冷卻板在數值模擬和實驗后其最大集熱效率為0.75，與本文選擇的模型3計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用PV/T系統提供新的參考。

4 結論

（1）選擇5種不同流量對冷卻板進行模擬，分析不同流量對溫度場的影響，綜合背板溫度、出口溫度變化、集熱效率、進出口壓差、摩擦因子、熱工水力性能參數、努塞爾數和表面傳熱系數確定0.073 kg/s為光伏光熱系統中的最佳流量。

（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這種新型集熱結構與扁盒式冷卻板比較，新型集熱結構背板溫度減少了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、努塞爾數、表面傳熱系數這幾個熱性能參數有了較大的提升，從而表明凸包型的冷卻板冷卻效果優于傳統的扁盒式。