童維維，方浩，馬進(jìn)偉，方廷勇，王立超

(1.安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.安徽池州九華發(fā)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(yīng)用最成熟、最廣泛的太陽能利用技術(shù)，但其存在光熱轉(zhuǎn)換效率低，功能單一，無法實(shí)現(xiàn)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(gòu)成，可同時(shí)收集電能和熱能。集熱模塊利用循環(huán)工質(zhì)(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(shí)現(xiàn)太陽能的綜合利用。PV/T集熱模塊較單獨(dú)的空氣、水集熱系統(tǒng)或光伏板表現(xiàn)出更好的熱性能和節(jié)能效果。此外，PV/T集熱模塊的一體化結(jié)構(gòu)，具有經(jīng)濟(jì)性、節(jié)省空間等優(yōu)勢。

PV/T集熱模塊因其獨(dú)特的復(fù)合型構(gòu)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(gòu)想，即在光伏板背面增設(shè)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(shí)集熱效率和電效率進(jìn)行了全面分析[3]。Bhattarai等人分析了PV/T系統(tǒng)、傳統(tǒng)集熱器在不同儲水量下的熱性能，以及系統(tǒng)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究[5-6]。結(jié)果表明，該P(yáng)V/T系統(tǒng)在兩種模式下均能提高熱利用效率。孫健等研究了復(fù)合拋物面聚光型太陽能PV/T集熱器，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[7]。還有學(xué)者對集熱器的內(nèi)部傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬[6-8]。

本文針對所設(shè)計(jì)的PV/T集熱模塊，分光電—空氣集熱、光電—水集熱模塊分別進(jìn)行數(shù)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(yīng)的熱性能變化趨勢；結(jié)合設(shè)計(jì)的PV電池年均發(fā)電量、發(fā)電效率，作出系統(tǒng)節(jié)能分析。創(chuàng)新點(diǎn)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(jié)合集熱效率、節(jié)能效率得到最佳流道尺寸。在空氣集熱的基礎(chǔ)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(jié)約電能等方面，優(yōu)化進(jìn)口水流速度值，為多功能PV/T平板集熱器的應(yīng)用研究提供理論依據(jù)。

1 PV/T多功能集熱模塊

1.1 模型設(shè)計(jì)參數(shù)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(gòu)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(shè)計(jì)的集熱器采用下流道型空氣流道，其結(jié)構(gòu)見圖1、圖2所示，設(shè)計(jì)參數(shù)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(jié)構(gòu)示意圖

1.2 建立理論模型

1.2.1 模型假設(shè)

(1)玻璃蓋板與天空輻射忽略不計(jì)，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(jì)；

(3)PV電池板沿垂直方向一維傳熱，與流體的換熱系數(shù)為定值；

(4)空氣流道/水管內(nèi)介質(zhì)為不可壓縮流體；

(5)集熱器四周與底面的散熱忽略不計(jì)；

(6)光電—水集熱模式中，吸熱板溫度關(guān)于銅管對稱分布；

1.2.2 求解模型與網(wǎng)格劃分

本文數(shù)值模擬采用三維雙精度壓力基進(jìn)行求解。經(jīng)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算，循環(huán)工質(zhì)流動時(shí)雷諾數(shù)Remin=4850＞4000，顯示為湍流。對于低雷諾數(shù)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(jié)果更加準(zhǔn)確，采用DO輻射模型，其具有求解所有光學(xué)深度范圍輻射問題的特性。模擬過程中二階迎風(fēng)差分格式的使用可以提高求解精度，殘差參數(shù)精確到10-6。根據(jù)上述求解模型，運(yùn)用CFD建模后對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

表1 PV/T集熱器設(shè)計(jì)參數(shù)表

由于考慮到網(wǎng)格數(shù)量對模擬結(jié)果的影響，網(wǎng)格獨(dú)立性無關(guān)驗(yàn)證以0.015 m空氣流道為例進(jìn)行說明。在進(jìn)口溫度20℃、質(zhì)量流量0.02 kg/s的工況下，網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量為75萬時(shí)其集熱效率為41.31%。對吸熱板周圍壁面和模塊進(jìn)、出口進(jìn)行加密后，網(wǎng)格數(shù)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(jì)，因此本文中網(wǎng)格獨(dú)立性無關(guān)得到證實(shí)，其它工況下模擬均按照此方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖3 PV/T多功能集熱模塊模擬局部加密圖

1.2.3 數(shù)據(jù)采用與邊界條件設(shè)定

模擬的時(shí)間為2018年6月30日12：00，地點(diǎn)為北緯 31 °83'，東經(jīng) 117 °25'(合肥市)，氣象參數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)TMY數(shù)據(jù)并采用Boussinesq假設(shè)設(shè)定其物理參數(shù)，其中空氣密度為1.225 kg/m3。集熱器邊界條件設(shè)定，如表2所示。

表2 集熱器邊界條件設(shè)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(jìn)、出口，水閥保持關(guān)閉狀態(tài)，空氣通過進(jìn)氣口進(jìn)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(jìn)水口并關(guān)閉空氣流道的進(jìn)出口，銅管中水與吸熱板間接導(dǎo)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(jìn)出口一并打開，同時(shí)得到電能、熱水和熱空氣。

2 系統(tǒng)性能評價(jià)

2.1 評價(jià)光電—空氣集熱系統(tǒng)性能方法

現(xiàn)行國標(biāo)(GB/T26977-2011)中太陽能空氣集熱器的光熱轉(zhuǎn)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(zhì)量流量，kg/s；Tout、Tin分別為空氣出、進(jìn)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(jì)算：

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

2.2 評價(jià)光電—水集熱系統(tǒng)性能方法

集熱水系統(tǒng)的熱效率定義為集熱水箱內(nèi)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(jì)算：

式中，M表示水箱內(nèi)水的質(zhì)量，kg，根據(jù)水流速度值折算；T1、T2分別表示銅管進(jìn)、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(dāng)天模擬參數(shù)13.42 MJ/m2。

2.3 評價(jià)系統(tǒng)光電性能方法

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

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

本文所設(shè)計(jì)的PV/T集熱模塊具有較強(qiáng)的實(shí)用性，故對其理論發(fā)電量、電效率進(jìn)行計(jì)算，再結(jié)合集熱性能實(shí)現(xiàn)太陽能的綜合利用。由于光伏板的工作溫度影響轉(zhuǎn)化效率，根據(jù)設(shè)計(jì)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(dǎo)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(gòu)成，發(fā)電量由式(5)[13]計(jì)算：

式中，HA—單位面積太陽輻照能(kW·h/m2)，根據(jù)地區(qū)氣象資料，1365 kW·h/m2；K1—標(biāo)準(zhǔn)組件轉(zhuǎn)換系數(shù)，0.165；K2—系統(tǒng)綜合效率[注]，一般為 0.8±0.1，取 0.8。(注：結(jié)合溫度、傾角、材料、地理位置等因素的光電效率轉(zhuǎn)換系數(shù)。)

設(shè)計(jì)理論值Ep=202.9 kW·h，以供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗310 g/kW·h校核，年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)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(shù) 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(biāo)準(zhǔn)測試條件下光伏板效率，16.5%；Br—溫度系數(shù)，0.0045 K-1；Tpv—光伏電池工作溫度(K)；Tref—標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量流量值(0.02、0.03、0.04、0.05、0.06 kg/s)下的熱性能表現(xiàn)。模擬的各項(xiàng)數(shù)據(jù)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(jié)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(dá)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(wěn)的區(qū)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(xiàn)[5]中，作者對PV/T集熱系統(tǒng)進(jìn)行了全天性能測試，其PV/T空氣集熱實(shí)驗(yàn)中，空氣流道尺寸、空氣質(zhì)量流量和進(jìn)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%?？紤]到模擬過程處于理想的工作條件，故在誤差允許范圍內(nèi)，模擬結(jié)果正確。光電—空氣集熱的各項(xiàng)效率值見表6。

表3 光電—空氣集熱模塊各項(xiàng)數(shù)據(jù)(空氣流道0.015 m)

表4 光電—空氣集熱模塊各項(xiàng)數(shù)據(jù)(空氣流道0.025 m)

表5 光電—空氣集熱模塊各項(xiàng)數(shù)據(jù)(空氣流道0.035 m)

表6 光伏/空氣集熱各項(xiàng)效率值

由表6可知，0.025 m空氣流道的節(jié)能效率最高，達(dá)到62.08%，0.015 m時(shí)的節(jié)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(jié)合所作假設(shè)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(jìn)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(yīng)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(jié)果表明，光電—水集熱系統(tǒng)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(shí)效率達(dá)到最高的27.03%；系統(tǒng)在0.10 m/s的進(jìn)口水流速下熱性能最佳。

文獻(xiàn)[6]中，所做實(shí)驗(yàn)工況與本文模擬的0.10 m/s進(jìn)口流速時(shí)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(shí)際輻射情況存在的差異，模擬結(jié)果的正確性得到驗(yàn)證。

根據(jù)上述章節(jié)提到的集熱水效率計(jì)算定義，水吸收的總熱量Q：

式中，m為水箱中水的質(zhì)量，設(shè)計(jì)量120kg；cp為水的比熱容，取 4.2×103J/(kg·K)；ΔT為進(jìn)、出口的水溫差，據(jù)模擬結(jié)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(jìn)行轉(zhuǎn)換后，集熱水過程至少節(jié)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(jié)能效率計(jì)算結(jié)果為33.52%。

4 結(jié)論

通過CFD數(shù)值模擬本文中各工況下的PV/T綜合利用模塊，得到以下結(jié)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(shí)其增長趨勢逐漸減緩。

(3)系統(tǒng)正常工作時(shí)，經(jīng)過循環(huán)可將水箱中水溫提高近15℃，節(jié)約電能2.1 kw·h，節(jié)能效率達(dá)到33.52%，較單獨(dú)的集熱水系統(tǒng)效率大幅提高；

(4)設(shè)計(jì)的PV面板理論年發(fā)電量近202.9 kw·h，其相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤62.9 kg。

綜上所述，PV/T多功能平板集熱器在實(shí)現(xiàn)對太陽能綜合利用的同時(shí)，集熱效率大幅提升，綜合使用能力加強(qiáng)，節(jié)能效果更佳。