空氣-水雙工質冷卻循環PV/T集熱器模擬研究

馬進偉，杜 濤，方 浩

（安徽建筑大學 環境與能源工程學院，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合，是一種可以同時提供電能與熱能的一體化裝置，實現了太陽能的綜合利用[1]，[2]。

根據冷卻工質的不同，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能集熱器，PV/T組件具有多功能、高效率等優勢，因此得到廣泛研究。Sarhaddi[6]對PV/T空氣集熱模塊展開性能研究，通過優化模型的集熱損失系數提高了模擬的準確度。魯朝陽[7]建立了空冷型PV/T集熱器數值模型，根據模擬結果分析了漸擴、漸縮通道、空氣流量對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表現出更好的綜合性能。Rahim[9]，[10]利用搭建的水冷式PV/T實驗平臺，分析太陽輻射強度、環境濕度等參數對集熱性能的影響。結果表明，PV/T系統的發電量較PV組件提高3.25%。Ramdani[11]提出將水冷通道放置在光伏板上側，并對PV/T模塊進行數值模擬。孫勇[12]則采用Fluent構建PV/T水集熱裝置的模型，模擬夏季工況下管間距和流量對組件性能的影響。龐瑋[13]對板管式PV/T系統開展全天性實驗研究，測試了水流量大小對集熱性能影響，結果顯示，系統熱效率最高可達到57%。

綜上所述，目前有關PV/T集熱器的研究多為單工質循環，而有關雙工質冷卻循環的PV/T集熱器還少有涉及。為解決上述問題，本文提出一種空氣-水雙工質冷卻循環的PV/T集熱器，實現電能、熱水和熱空氣的同時收集，可依據日常需求調節工作模式，解決單工質PV/T使用的局限性。本文利用CFD技術構建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，并結合溫度云圖分布數據為空氣-水雙工質循環PV/T集熱器的設計研究提供模擬思路和理論依據。

1 雙工質循環PV/T集熱器

1.1 物理模型

圖1為雙工質循環PV/T集熱器模型結構。

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

其中，集熱器長1 730 mm、寬1 000 mm，上側與玻璃蓋板間形成15 mm的空氣夾層，下表面附有的8根細銅管與35 mm的空氣流道構成雙工質換熱通道。光伏電池鋪設在吸熱板表面，兩者采用EVA材料粘合，22 mm的集管設置在銅管的進出口，構成系統水回路，選擇玻璃纖維作為集熱器的保溫材料。PV/空氣工況下，關閉水流進出口，由空氣對光伏電池進行冷卻；PV/水工況下，關閉PV/T集熱器空氣進出口，由水對光伏電池進行冷卻；PV/空氣-水復合模式下，同時開啟空氣、水流道，此時系統可實現空氣/水雙工質冷卻循環。

1.2 控制方程

空氣-水雙工質冷卻循環PV/T集熱器在運行過程中滿足以下控制方程。

PV/T集熱器運行過程中的連續性方程為[12]

1.3 性能評價

雙工質冷卻循環PV/T集熱效率ηth為工質總得熱量與太陽輻射總能的比值，計算式為

式中：ηc為標況下光電效率，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來評判PV/T集熱器綜合性能，其表達式為[7]

式中：ε為電能和熱能間的轉換系數，取1/0.38。

2 計算模型

2.1 模型與網格驗證

雙工質冷卻循環PV/T集熱器計算模型如圖2所示。

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

通過SCDM構建PV/T集熱器三維計算模型，利用Ansys meshing進行網格劃分。以PV/T集熱器的綜合效率作為指標，進行網格無關性驗證，當網格數達到2.24×106個后效率值趨于穩定，當網格數為3.08×106個時，綜合效率僅變化0.107%，考慮模型的精確度與計算量的大小，網格數采用2.24×106個。

2.2 物性參數與邊界條件

各材料物性參數見表1。

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

模擬中，工質入口、出口分別設置為速度入口、壓力出口邊界條件。考慮到玻璃蓋板的對流與輻射作用，將其設為Mixed邊界條件。PV/T集熱器的保溫邊框設定為對流換熱邊界。使用C語言編寫的自定義函數（udf）求解光電轉換過程。對于低速的湍流流動，選用對旋轉流、二次流有較好解釋的realizable k-e模型，同時采用DO模型對集熱器內的輻射換熱進行模擬。由于溫度的變化導致空氣密度發生改變，因此空氣物性參數選用Boussinesq假設。太陽能輻照度設置為893 W/m2，工質的進口溫度、環境溫度設為300 K，空氣、水初始速度分別為0.936，0.108 m/s。

2.3 求解方法

數值計算過程選用Fluent中的雙精度壓力基進行求解，采用Simple算法對速度與壓力進行耦合，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、動量方程均采用Second-order-upwind格式提高精度。

數值模擬過程中還有以下假設：①忽略電池片間距，光伏電池板按整體建模，TPT背膜等電池內部結構的接觸熱阻不做考慮；②光伏板吸收的太陽輻照能部分轉化為電能，其余部分能量全部轉化為熱能；③光伏板、EVA材料、吸熱板為理想的無空氣間隙的粘合結構；④集熱器的數值計算在三維穩態條件下進行。

2.4 模型驗證

當空氣質量流量為0.039 kg/s時，改變PV/T集熱器進口空氣溫度（283～313 K），模擬所得的集熱器出口空氣溫度與郭超[14]實驗結果對比如表2所示。

表2 PV/T集熱器出口空氣溫度模擬值與實驗值對比Table 2 Comparison of simulated and experimental air temperature at PV/T collector outlet

由表2分析可得，模擬值與實驗值結果吻合度較高，最大相對誤差不超過1%，平均相對誤差為0.35%，因此本文的模擬結果對PV/T集熱器實驗性能預測具有參考價值。

3 模擬結果與分析

3.1 工質換熱特性

為探究工質在集熱過程中的換熱特性，本文首先對空氣、水流量均為0.04 kg/s時的3種工況進行數值模擬，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種工作模式下的數值模擬結果。

表3 3種工況下數值模擬結果Table 3 Numerical simulation results under three conditions

結合圖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集熱器入口側溫度較低，這是因為入口側空氣與吸熱板間的換熱量較大，隨著空氣沿流動方向不斷被加熱，空氣與吸熱板間的溫差減小，換熱能力逐漸下降，導致PV/T集熱器出口側光伏板溫度明顯升高。

結合圖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，說明水能夠有效吸收光伏板的熱量。進一步結合圖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，這是因為水的高熱容性，使得換熱量較空氣大幅提升。PV/水模式的綜合效率相對PV/空氣模式能夠提升37.11%。

結合圖3（c）可知，光伏板的平均溫度為307.3 K，相較于單工質模式，空氣-水復合模式下光伏板溫度降低的更為明顯，這是因為雙工質冷卻循環提升了換熱性能，吸收更多的熱能實現PV/T集熱器的多功能利用。復合模式下集熱器熱損為76.05 W/m2，相對PV/水模式下降了6.9%。

3.2 PV/空氣集熱性能參數分析

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 空氣質量流量對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，各項效率呈現出增大的趨勢，但增加幅度逐漸變緩。空氣流量由0.01 kg/s增至0.065 kg/s過程中，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%。當空氣流量超過0.04 kg/s時，系統各效率曲線的變化梯度顯著降低，考慮到進口流量提升帶來的能量損耗，PV/T集熱器最佳運行工況為本模擬條件下空氣集熱的經濟性流量0.04 kg/s。

3.2.2 進口溫度

圖5為空氣流量為0.04 kg/s時，PV/T集熱器進口空氣溫度對系統性能的影響。由圖5可知，進口空氣溫度由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%。這是因為空氣比熱容較小，升高進口空氣溫度使得PV/T內部的熱量傳遞減少，同時未被吸收的熱能降低了光伏電池的轉換效率，PV/T系統集熱損失增加，整體工作效率下降。

圖5 進口空氣溫度對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集熱器進口空氣溫度對系統進出口溫差與光伏板溫度的影響。

圖6 進口空氣溫度對進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集熱器進口空氣溫度的增加，光伏板溫度快速上升，但進出口空氣溫差卻不斷縮小，因此，在實際應用中，通過不斷提高進口空氣溫度的方法來得到高溫熱空氣是不合理的。

3.3 PV/水集熱性能參數分析

3.3.1 流量

圖7顯示水為換熱工質時，流量從0.01 kg/s變化至0.065 kg/s對PV/T集熱器性能的影響。由圖7可知，PV/T系統的效率隨著工質流量增加逐漸增長。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 水質量流量對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 環境溫度

圖8為水流量為0.02 kg/s時，環境溫度對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%。這是因為，當質量流量大于0.03 kg/s時，由于吸熱板與水之間換熱能力有限，流速的增加對換熱系數影響很小。綜上所述，水集熱工況下集熱器的經濟性流量為0.03 kg/s。結合圖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 環境溫度對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為環境溫度對PV/T集熱器進出口溫差與光伏板溫度的影響。結合圖8和表4可知，PV/T集熱器熱效率從34.38%增至61.78%，相對上升79%，電效率從12.47%降至12.17%，相對下降2.41%，集熱器進出口溫差逐步增長。這是因為環境溫度的升高，減少了PV/T集熱器和外部環境之間的對流換熱與輻射散熱，提升了熱效率。另一方面，環境溫度的上升導致光伏板冷卻效果變差，引起光電效率的下降，但其波動幅度遠小于熱效率的提升。因此，提升環境溫度有利于系統的綜合性能，其綜合效率從67.22%增至93.81%，相對上升39%。

表4 環境溫度對進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-水集熱性能參數分析

空氣-水雙循環工況下，同步改變空氣、水的質量流量，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濟性流量為0.03 kg/s。由圖7和圖9對比可知，在PV/空氣-水模式中，雙工質冷卻循環可以收集更多的熱量，系統的熱損失進一步降低，PV/T集熱器的綜合性能得到提升。

圖9 空氣-水質量流量對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 結論

本文通過對空氣-水雙工質冷卻循環PV/T集熱器的三維穩態模型進行數值模擬，研究了不同工況下流量、溫度對PV/T集熱器性能的影響，分析模擬數據后可得到如下結論。

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

②PV/空氣模式下，隨著進口空氣溫度的升高（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，環境溫度從273 K增至313 K過程中，PV/T集熱器熱效率由34.38%提升至61.78%，但電轉化效率相對下降2.46%，電效率的波動要遠小于熱效率，因此環境溫度的升高能夠提升PV/T系統的綜合性能。

④相比于單工質循環的PV/T集熱器，雙工質PV/T集熱器具有3種工作模式，進一步拓寬了PV/T集熱器的適用范圍，用戶可根據季節、氣候等不同應用需求選擇適宜的工作模式。