收稿日期：2022-01-14

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2019YFE0104900）；甘肅省科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目（22ZD6WA056）；甘肅省高等學(xué)校產(chǎn)業(yè)支撐引導(dǎo)項(xiàng)目

（2021CYZC-33；2022CYZC-28）；蘭州市人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（2017-RC-34）

通信作者：李金平（1977—），男，博士、教授、博士生導(dǎo)師，主要從事先進(jìn)可再生能源系統(tǒng)方面的研究。lijinping77@163.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0061 文章編號(hào)：0254-0096（2023）06-0300-08

摘 要：為研究寒冷地區(qū)不同過(guò)流斷面平板微熱管光伏光熱一體化組件（MHP-PV/T）冬季運(yùn)行性能，對(duì)2組MHP-PV/T組件在45°安裝傾角下進(jìn)行性能測(cè)試，對(duì)比2022年1月1—2日系統(tǒng)光電、光熱和綜合性能。結(jié)果表明： 在室外平均環(huán)境溫度0.5 ℃條件下，矩形過(guò)流斷面平板微熱管PV/T（R-MHP-PV/T）系統(tǒng)平均光電效率12.1%、光電功率140.6 W、光熱效率12.2%、光熱功率161.7 W、總能功率321.1 W、總能效率約24.6%，總能收益2.31 kWh；梯形過(guò)流斷面平板微熱管PV/T（T-MHP-PV/T）系統(tǒng)平均光電效率12.0%、光電功率140.4 W、光熱效率約8.6%、光熱功率114.6 W、總能功率278.4 W、總能效率約20.9%，總能收益2.11 kWh。填充工質(zhì)為R141b、充液率25%的矩形和梯形過(guò)流斷面MHP-PV/T系統(tǒng)在寒冷地區(qū)冬季室外可啟動(dòng)并正常工作，R-MHP-PV/T系統(tǒng)綜合性能優(yōu)于T-MHP-PV/T系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞： 太陽(yáng)能；光伏光熱；熱電性能；熱管；實(shí)驗(yàn)研究

中圖分類號(hào)： TK519 """""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

單晶硅電池在標(biāo)準(zhǔn)條件下的光電轉(zhuǎn)換效率較高，但在實(shí)際工況下，光伏組件只能吸收部分太陽(yáng)輻照，剩余的能量若不及時(shí)散出會(huì)使電池片溫度升高，在夏季可達(dá)到70 ℃甚至更高。相關(guān)研究表明電池溫度每上升1 ℃，相對(duì)發(fā)電效率下降0.4%～0.6%［1］。將具有高效傳熱特性的熱管應(yīng)用于光伏組件的散熱及熱電聯(lián)供的光伏光熱綜合利用技術(shù)，可提升太陽(yáng)能綜合利用率，熱管性能對(duì)于光伏組件的散熱效果以及組件綜合效率提升十分關(guān)鍵。

目前國(guó)內(nèi)外已有許多針對(duì)不同類型熱管與光伏組件相結(jié)合的研究。侯隆澍等［2］將平板微熱管粘接在光伏組件背面，作為PV/T系統(tǒng)光熱模塊，研究發(fā)現(xiàn)季節(jié)和溫度對(duì)熱管PV/T系統(tǒng)性能具有重要作用。熱效率在夏季可達(dá)40%，冬季降至28%，電效率約為13%。Moradgholi等［3］用一根冷卻水管道連接數(shù)根兩相閉式熱虹吸熱管末端，作為PV/T系統(tǒng)光熱模塊，并采用甲醇和Al2O3/甲醇納米流體作為循環(huán)冷卻流體，結(jié)果表明： 春季電效率和熱效率分別提高5.67%和16.35%，夏季電效率和熱效率分別提高7.7%和45.14%。任曉等［4］通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)當(dāng)微通道環(huán)路熱管太陽(yáng)能光伏光熱（LHP-PV/T）系統(tǒng)蒸發(fā)器內(nèi)的熱管寬度從26 mm減小到10 mm時(shí)，系統(tǒng)熱效率和電效率分別降低2.47%和0.03%。Alizadeh等［5］采用單回路脈動(dòng)熱管冷卻光伏組件從而制作成PHP-PV/T系統(tǒng)，模擬結(jié)果表明在太陽(yáng)輻照1000 W/m2時(shí)，電效率可達(dá)18%。朱繪娟等［6］對(duì)PV/T系統(tǒng)的熱管間距進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明小管間距（80 mm）PV/T系統(tǒng)的光電和光熱轉(zhuǎn)換效率比大管間距（140 mm）PV/T系統(tǒng)的高，減小熱管間距對(duì)系統(tǒng)光電性能的影響大于對(duì)光熱性能的影響。Shahsavar等［7］通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)以水為冷卻介質(zhì)時(shí)，圓形、三角形和矩形蛇形管道PV/T組件的效率分別為13.54%、13.19%和13.73%。沈超群等［8］建立具有不同平行冷卻通道PV/T的傳熱理論模型，模擬結(jié)果表明當(dāng)子通道數(shù)量為10時(shí)，通道內(nèi)壓降最低。隨著主通道和子通道之間直徑比的增加，光伏組件溫度降低且分布更加均勻。周錦志等［9］測(cè)試微通道管板式PV/T在夏季的熱電輸出特性，并開發(fā)仿真模型，結(jié)果表明光伏組件實(shí)驗(yàn)電效率和模擬電效率分別為11.5%和12.6%，實(shí)驗(yàn)和模擬熱效率分別為46.8%和48.0%。吳雙應(yīng)等［10］提出采用熱管冷卻技術(shù)的太陽(yáng)能PV/T系統(tǒng)，環(huán)境溫度約34 ℃時(shí)，該系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)化效率和光熱效率分別為6.99%～7.46%和51.0%～63.2%。

PV/T電熱生產(chǎn)性能、自身結(jié)構(gòu)和循環(huán)工質(zhì)都受到北方冬季低溫制約，鮮見(jiàn)針對(duì)寒冷地區(qū)冬季不同過(guò)流斷面MHP-PV/T性能對(duì)比研究。本文以此為研究對(duì)象，對(duì)比研究不同過(guò)流斷面MHP-PV/T系統(tǒng)的光電功率、光電效率、光熱功率、光熱效率、總能功率、總能效率、發(fā)電量、有效累積熱量及總能收益等性能指標(biāo)。

1 材料和方法

1.1 MHP-PV/T系統(tǒng)

本文采用的平板微熱管構(gòu)件均長(zhǎng)950 mm、寬80 mm、厚3 mm，其中1塊PV/T組件使用的平板微熱管中部開有長(zhǎng)940 mm、寬2.7 mm、高1.8 mm的矩形通道作為微熱管腔體，制作成矩形通道MHP-PV/T（rectangular channel section MHP-PV/T，R-MHP-PV/T）。另1塊PV/T組件使用的平板微熱管中部開有長(zhǎng)940 mm、上底0.9 mm、下底4.5 mm、高1.8 mm的梯形通道作為微熱管腔體，制作成梯形通道MHP-PV/T（trapezoidal channel section MHP-PV/T，T-MHP-PV/T），如圖1所示。

heat pipe（mm）

熱管管殼材料為3003鋁合金，與熱管內(nèi)部工質(zhì)R141b相容。熱管內(nèi)部由多個(gè)并排的互不連通的微通道組成微熱管陣列，兩種具有不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的熱管抽真空后均充注R141b作為換熱工質(zhì)，充液率為25%，微熱管具體參數(shù)如表1所示。本文中工質(zhì)充液率定義為：

[η=VwfVg×100%]""" （1）

式中：[Vwf]——充注工質(zhì)的體積，mm3；[Vg]——熱管微通道的總體積，mm3。

光伏組件采用蘭州新盛光伏科技公司XS-DM系列單晶硅光伏組件，最大輸出功率為300 W，光伏組件輪廓采光面積為1.626 m2，長(zhǎng)1640 mm，寬992 mm，鋁邊框厚40 mm，其中均布60片158 mm×158 mm單晶電池，詳細(xì)參數(shù)如表2所示。

MHP-PV/T板由光伏組件、20組微熱管構(gòu)件、翼型換熱器以及保溫材料組成，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。20組微熱管構(gòu)件并排使用導(dǎo)熱硅膠緊密貼合在橫放的單晶硅板后部，距單晶硅板左右分別為10 mm，距上下分別為21 mm，形成長(zhǎng)1620、寬950 mm、厚3 mm的換熱面。翼型換熱器長(zhǎng)1620 mm、寬90 mm，橫向邊緣厚5～6 mm，中心厚25 mm，換熱介質(zhì)通道為直徑16 mm，兩端圓管接頭長(zhǎng)40 mm，其中30 mm加工成外螺紋用于循環(huán)冷卻水的管道連接。翼型換熱器使用導(dǎo)熱硅膠粘接在20組微熱管構(gòu)件一端，形成蒸發(fā)段860 mm、冷凝段90 mm的微熱管換熱器，MHP-PV/T組件未保溫時(shí)背面如圖3所示，MHP-PV/T組件背面采用30 mm厚的玻璃棉作為保溫層。組件安裝傾角均為45°，方位角南偏西2°。

光伏組件的熱量通過(guò)熱管蒸發(fā)段高效傳遞到冷凝段，再經(jīng)過(guò)與熱管冷凝段緊密貼合的翼型換熱器將熱量傳遞給循環(huán)冷卻水，以強(qiáng)制對(duì)流方式將熱量存儲(chǔ)于集熱水箱中，熱管冷凝段內(nèi)部工質(zhì)冷凝回流至蒸發(fā)段。實(shí)驗(yàn)中循環(huán)水泵由溫差控制器控制啟停，將MHP-PV/T組件靠近翼型換熱器背板溫度作為高溫測(cè)點(diǎn)，集熱水箱溫度作為低溫測(cè)點(diǎn)，測(cè)量溫差為高溫測(cè)點(diǎn)與低溫測(cè)點(diǎn)差值。當(dāng)測(cè)量溫差大于8 ℃時(shí)，水泵開始工作；當(dāng)測(cè)量溫差小于4 ℃時(shí)，水泵停止工作。

1.2 測(cè)試平臺(tái)

MHP-PV/T系統(tǒng)實(shí)物圖和示意圖如圖4所示，測(cè)量參數(shù)包括溫度、電壓、電流、流量、風(fēng)速及太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。MHP-PV/T組件表面和背板溫度分別由4支三線貼片式PT100測(cè)量，翼型換熱器的進(jìn)出口溫度由2支三線螺紋式PT100測(cè)量，循環(huán)冷卻水流量由渦輪流量計(jì)測(cè)量。MHP-PV/T組件光電輸出功率采用電阻負(fù)荷二端法測(cè)試，根據(jù)廠家提供的太陽(yáng)電池伏安特性曲線及最大功率點(diǎn)的電壓和電流數(shù)值計(jì)算出負(fù)載滑動(dòng)變阻器阻值約為4.4 Ω，輸出功率由直流電壓表和直流電流表測(cè)得數(shù)值的乘積得到。系統(tǒng)測(cè)試儀表與設(shè)備的具體參數(shù)如表3所示。2組MHP-PV/T系統(tǒng)安置于蘭州市七里河區(qū)綠化村（36.1°N/103.9°E，1517 m）實(shí)驗(yàn)基地。為避免循環(huán)水管路和集熱水箱的熱損失造成計(jì)算誤差，2組MHP-PV/T系統(tǒng)循環(huán)管道長(zhǎng)度一致，且管道外均包裹厚60 mm的橡塑保溫管。所有數(shù)據(jù)均采用安捷倫34980A數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)采集間隔時(shí)間為10 s。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1）每日實(shí)驗(yàn)開始前，在2個(gè)集熱水箱中分別加入120 L溫度為9.9 ℃的水，開啟循環(huán)水泵30 min，使系統(tǒng)管道中充滿水，調(diào)整球閥開度使循環(huán)水流量為0.125 kg/s，然后開始記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2）參照GB/T 4271—2007《太陽(yáng)能集熱器熱性能實(shí)驗(yàn)方法》［11］，實(shí)驗(yàn)從2022年1月1—2日連續(xù)2天，測(cè)量參數(shù)包括MHP-PV/T表面和背板溫度、翼型換熱器進(jìn)出口流體溫度、集熱水箱溫度、環(huán)境溫度、太陽(yáng)輻射、室外風(fēng)速、循環(huán)水流量、電壓和電流輸出等。PV/T表面溫度和背板溫度分別取4支貼片式PT100的算術(shù)平均溫度。

3）每日實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將MHP-PV/T系統(tǒng)中的水全部排空，防止水低溫凍結(jié)造成系統(tǒng)部件破壞，并為第2日實(shí)驗(yàn)初始水溫一致提供基礎(chǔ)。

2 性能評(píng)估

針對(duì)不同過(guò)流斷面的MHP-PV/T系統(tǒng)，對(duì)比研究2組系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間段內(nèi)的光電、光熱以及綜合性能。

2.1 水泵消耗能量

對(duì)于主動(dòng)式PV/T系統(tǒng)整體來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)輸入包括太陽(yáng)輻射和水泵電能，系統(tǒng)輸出是電能和熱能。考慮到循環(huán)水泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中消耗電能，且循環(huán)水泵在系統(tǒng)集熱過(guò)程中一直在運(yùn)轉(zhuǎn)。為減少循環(huán)水泵造成的全天總能收益的虛高，本文的總能收益是核減水泵電力消耗后的實(shí)際能量收益。循環(huán)水泵消耗的能量方程表示為［12］：

[P=qvρgH/ηp]" （2）

式中：[P]——循環(huán)水泵的功率，W；[qv]——水泵的體積流量，m3/s；[g]——重力加速度，9.817 m/s2；[H]——水泵揚(yáng)程，m；[ηp]——水泵效率，60%。

某段時(shí)間內(nèi)水泵消耗功為：

[Qpt=qvρgHΔτ/ηp]""" （3）

式中：[Qpt]——[Δτ]時(shí)間內(nèi)水泵消耗功；[Δτ]——數(shù)據(jù)采集設(shè)定的時(shí)間間隔，10 s。

2.2 MHP-PV/T系統(tǒng)光熱效率

光熱功率的表達(dá)式為：

[Ptp=cfm（tout-tin）] （4）

式中：[cf]——水的比熱容，4.2×103 J/（kg·℃）；[m]——循環(huán)水的質(zhì)量流量，kg/s；[tout]——翼型換熱器出口溫度，℃；[tin]——翼型換熱器進(jìn)口溫度，℃。

瞬時(shí)光熱效率表達(dá)式為：

[ηt1=mcf（tout-tin）GtAg]""" （5）

式中：[Gt]——太陽(yáng)日照輻射，W/m2；[Ag]——MHP-PV/T接收太陽(yáng)輻射的面積，m2。

則系統(tǒng)測(cè)試時(shí)間段內(nèi)平均光熱效率表示為：

[ηt=mcf（tout-tin）ΔτAgGtΔτ] （6）

2.3 MHP-PV/T系統(tǒng)光電效率

MHP-PV/T系統(tǒng)實(shí)際的電功率應(yīng)為光伏組件輸出總功率中去除水泵電功率，系統(tǒng)輸出光電功率計(jì)算式為：

[Ppv=UtIt-P]""" （7）

式中：[Ut]——光伏組件的瞬時(shí)電壓，V；[It]——光伏組件的瞬時(shí)電流，A。

系統(tǒng)的實(shí)際電效率為：

[ηe1=UtIt-PGtAg]"" （8）

則系統(tǒng)測(cè)試時(shí)間段內(nèi)平均光電效率為：

[ηe=UtItΔτ-qvρgHΔτ/ηpAgGtΔτ]"" （9）

2.4 系統(tǒng)總能功率和總能效率

系統(tǒng)的總能功率為：

[Pt=Ptp+Ppv]""" （10）

系統(tǒng)的總能效率為：

[ηtotal=ηt1+ηe1] （11）

3 結(jié)果與討論

為對(duì)比2組MHP-PV/T系統(tǒng)熱電生產(chǎn)性能，2022年1月1日—2日進(jìn)行連續(xù)2天的實(shí)驗(yàn)，以1月1日數(shù)據(jù)為例進(jìn)行討論，1月2日實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表4。

3.1 MHP-PV/T表面和背板溫度變化

圖5所示為環(huán)境溫度、風(fēng)速及45°傾斜角太陽(yáng)輻照度隨時(shí)間的變化曲線?？煽闯?，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間段內(nèi)，太陽(yáng)輻照良好，太陽(yáng)輻照度在13：07出現(xiàn)峰值960.1 W/m2，最小值為330.1 W/m2，平均值為720.8 W/m2；平均風(fēng)速為3.4 m/s；環(huán)境溫度平均值為0.1 ℃，最大值為4.7 ℃，最小值為[-7.5 ℃]。

圖6為兩組MHP-PV/T表面和背板溫度變化曲線?？煽闯?，隨著太陽(yáng)輻照度的增大和環(huán)境溫度的升高，兩組系統(tǒng)的背板和表面溫度同時(shí)升高。T-MHP-PV/T背板平均溫度26.4 ℃，表面平均溫度23.1 ℃，背板和表面平均溫度最大差值達(dá)到4.8 ℃。R-MHP-PV/T背板平均溫度28.0 ℃，表面平均溫度23.2 ℃，背板和表面平均溫度最大差值達(dá)到6.7 ℃。由于MHP-PV/T背板利用30 mm厚的玻璃棉進(jìn)行保溫，減少了熱量損失，而組件表面由于與周圍空氣的對(duì)流換熱和天空的輻射換熱導(dǎo)致平均溫度較低，熱量損失較大。

3.2 MHP-PV/T系統(tǒng)光電性能

圖7所示為R-MHP-PV/T系統(tǒng)電效率、電功率和背板溫度變化曲線?？煽闯?，上午和下午太陽(yáng)輻照度較弱時(shí)系統(tǒng)光電功率較低。R-MHP-PV/T系統(tǒng)輸出電功率從09：30時(shí)的35.8 W隨著太陽(yáng)輻照度的增大逐漸上升，在10：24時(shí)水泵開啟循環(huán)，系統(tǒng)電功率在核減水泵功耗后出現(xiàn)下降但之后仍保持上升趨勢(shì)。在15：00時(shí)降至153.5 W，此后下降速率逐漸加快。系統(tǒng)電效率呈“M”型變化趨勢(shì)。光伏組件背板初始溫度為5.5 ℃，在約13：12時(shí)達(dá)到最高溫度34.8 ℃，測(cè)試結(jié)束時(shí)溫度降為25.2 ℃。在測(cè)試時(shí)間段內(nèi)，R-MHP-PV/T系統(tǒng)平均光電效率為12.1%，平均光電功率為140.6 W，發(fā)電量0.986 kWh。

圖8所示為T-MHP-PV/T系統(tǒng)電效率、電功率和背板溫度變化曲線。T-MHP-PV/T系統(tǒng)輸出電功率從09：30時(shí)的32.6 W隨著太陽(yáng)輻照度的增大逐漸上升，在15：30時(shí)降至135.5 W。光伏組件背板初始溫度為7.0 ℃，在約13：56時(shí)達(dá)到最高溫度33.2 ℃，測(cè)試結(jié)束時(shí)溫度降為22.3 ℃。在測(cè)試時(shí)間段內(nèi)，T-MHP-PV/T系統(tǒng)平均光電效率為12.0%，平均光電功率為140.4 W，發(fā)電量為0.984 kWh。在測(cè)試時(shí)間段內(nèi)，R-MHP-PV/T與T-MHP-PV/T系統(tǒng)實(shí)際的平均電效率為12.1%、12.0%，發(fā)電量為0.986、0.984 kWh。R-MHP-PV/T系統(tǒng)實(shí)際電效率較高，但發(fā)電量和T-MHP-PV/T系統(tǒng)較接近，這是由于R-MHP-PV/T

系統(tǒng)循環(huán)水泵運(yùn)行工作時(shí)間較長(zhǎng)，消耗電能較多，但與此同時(shí)系統(tǒng)可獲得較多熱量。

3.3 MHP-PV/T系統(tǒng)光熱性能

圖9所示為MHP-PV/T翼型換熱器進(jìn)出口溫差變化曲線。在2組系統(tǒng)循環(huán)流量保持一致的情況下，翼型換熱器進(jìn)出口溫差與太陽(yáng)輻照度有相似的變化趨勢(shì)。

MHP-PV/T airfoil heat exchanger

系統(tǒng)在剛開始運(yùn)行時(shí)，平板微熱管內(nèi)部相變熱量傳遞較少。蒸發(fā)段壁面由于導(dǎo)熱使得溫度升高，導(dǎo)致微熱管軸向溫差增大。隨著太陽(yáng)輻照度的增大，熱管殼體接收到的熱量逐漸增加，內(nèi)部工質(zhì)發(fā)生相變，由液態(tài)轉(zhuǎn)換成氣態(tài)傳送到冷凝段，軸向溫差逐漸減小并趨于穩(wěn)定。在T-MHP-PV/T系統(tǒng)中，熱管蒸發(fā)段和冷凝段的溫差在約10：45時(shí)趨于穩(wěn)定，此時(shí)背板平均溫度為25.7 ℃。在R-MHP-PV/T系統(tǒng)中，熱管蒸發(fā)段和冷凝段的溫差在約10：35時(shí)趨于穩(wěn)定，此時(shí)背板平均溫度為22.5 ℃。T-MHP-PV/T的進(jìn)出口溫差在11：30太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為781 W/m2達(dá)到最大值0.3 ℃，此時(shí)環(huán)境溫度為[-1.6 ℃]；R-MHP-PV/T在11：56太陽(yáng)輻照度為847 W/m2達(dá)到最大值0.4 ℃，此時(shí)環(huán)境溫度為1.5 ℃。T-MHP-PV/T的翼型換熱器進(jìn)出口溫度在14：53時(shí)已十分接近，進(jìn)出口溫差即將成為負(fù)值。若繼續(xù)運(yùn)行循環(huán)水泵，系統(tǒng)將開始向外散熱。這是由于太陽(yáng)輻照度在慢慢減小，且集熱水箱溫度已升高到18.1 ℃，光伏組件接收的能量已不足以再加熱水箱。R-MHP-PV/T系統(tǒng)的翼型換熱器進(jìn)出口溫度在15：30時(shí)趨近一致，集熱水箱溫度為19.4 ℃。T-MHP-PV/T系統(tǒng)循環(huán)水泵在10：31時(shí)開啟，14：53時(shí)關(guān)閉，運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)262 min；R-MHP-PV/T系統(tǒng)循環(huán)水泵在10：24時(shí)開啟，15：30時(shí)關(guān)閉，運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)306 min。

圖10所示為兩組MHP-PV/T系統(tǒng)熱功率和熱效率的變化曲線?？煽闯?，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，系統(tǒng)熱功率和熱效率均先逐漸增大，后逐漸減小。10：30—13：00，受太陽(yáng)輻照度的增大和環(huán)境溫度升高的影響，T-MHP-PV/T和R-MHP-PV/T系統(tǒng)的熱功率逐漸增大，分別從初始的61.5和84.7 W增大到161.1和231.2 W。午后隨著太陽(yáng)輻照度的減小，分別在15：00和15：30集熱結(jié)束時(shí)刻減小到29和25 W。2組系統(tǒng)的集熱水箱初始溫度均為9.9 ℃。在T-MHP-PV/T系統(tǒng)在10：31—14：53集熱時(shí)間段內(nèi)，環(huán)境溫度平均值0.5 ℃，最小值[-4.4 ℃]，最大值3.7 ℃，平均熱效率8.6%，最大熱效率12.1%，平均熱功率114.6 W，水箱在集熱結(jié)束時(shí)刻溫度為18.0 ℃，有效累積熱量1.13 kWh。在R-MHP-PV/T系統(tǒng)10：24—15：30集熱時(shí)間段內(nèi)，環(huán)境溫度平均值0.7 ℃，最小值[-4.4 ℃]，最大值4.1 ℃，平均熱效率為12.2%，最大熱效率16.1%，平均熱功率161.7 W，水箱在集熱結(jié)束時(shí)刻溫度19.4 ℃，有效累積熱量1.33 kWh。

R-MHP-PV/T系統(tǒng)集熱時(shí)間相比T-MHP-PV/T系統(tǒng)較長(zhǎng)，在T-MHP-PV/T系統(tǒng)中，由于梯形過(guò)流斷面平板微熱管獲得的熱量較少，當(dāng)熱管蒸發(fā)段處于較低熱流密度的情況下，梯形過(guò)流斷面的平板微熱管內(nèi)部工質(zhì)蒸發(fā)量逐漸減少，傳輸?shù)嚼淠蔚臒崃繙p少，熱管工作時(shí)間較短，造成T-MHP-PV/T系統(tǒng)集熱時(shí)間較短。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明矩形過(guò)流斷面平板微熱管PV/T系統(tǒng)的熱性能較優(yōu)，分析可知：與梯形過(guò)流斷面平板微熱管相比，矩形過(guò)流斷面平板微熱管水力直徑較大，微通道內(nèi)對(duì)流換熱的整體平均努塞爾數(shù)、雷諾數(shù)以及工質(zhì)在微通道內(nèi)的流動(dòng)摩擦換熱系數(shù)較大。當(dāng)2種不同過(guò)流斷面的平板微熱管處于相同的熱流密度時(shí)，矩形過(guò)流斷面平板微熱管傳熱性能較好，光伏組件熱量被更多更快地帶走，矩形過(guò)流斷面平板微熱管PV/T綜合性能較優(yōu)。

3.4 MHP-PV/T系統(tǒng)綜合性能

圖11所示為總能功率和總能效率的變化曲線。R-MHP-PV/T系統(tǒng)在10：00—15：30集熱時(shí)間段內(nèi)，核減水泵功耗后平均總能功率321.1 W，平均總能效率24.6%，總能收益2.31 kWh。T-MHP-PV/T系統(tǒng)在10：00—15：00集熱時(shí)間段內(nèi)，核減水泵功耗后平均總能功率278.4 W，平均總能效率20.9%，總能收益2.11 kWh。可得到，2套組件在安裝傾角為45°時(shí)，R-MHP-PV/T系統(tǒng)的綜合性能優(yōu)于T-MHP-PV/T。

4 結(jié) 論

本文以不同過(guò)流斷面MHP-PV/T系統(tǒng)為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)研究2022年1月1—2日兩天內(nèi)45°安裝傾角時(shí)2組系統(tǒng)的光電、光熱和綜合性能，得到以下主要結(jié)論：

1）填充工質(zhì)為R141b、充液率25%的矩形和梯形過(guò)流斷面MHP-PV/T系統(tǒng)，在寒冷地區(qū)冬季室外可啟動(dòng)并正常工作。

2）在室外環(huán)境溫度平均0.5 ℃時(shí)，R-MHP-PV/T和T-MHP-PV/T系統(tǒng)測(cè)試時(shí)間段內(nèi)平均電效率分別為12.1%和12.0%，平均熱效率分別為12.2%和8.6%，最大熱效率分別為16.1%和12.1%。

3）R-MHP-PV/T和T-MHP-PV/T系統(tǒng)測(cè)試時(shí)間段內(nèi)平均總能功率分別為321.1和278.4 W，平均總能效率分別為24.6%和20.9%。R-MHP-PV/T系統(tǒng)集熱時(shí)間較長(zhǎng)，有效累積熱量較多，綜合性能較優(yōu)。

4）在冬季室外運(yùn)行的MHP-PV/T組件，其表面散熱損失較大，可考慮優(yōu)化組件結(jié)構(gòu)減少熱量損失；對(duì)循環(huán)水泵的啟?？刂七M(jìn)行優(yōu)化；調(diào)整熱管蒸發(fā)冷凝段長(zhǎng)度比等可提高系統(tǒng)熱性能。

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STUDY ON WINTER PERFORMANCE OF MHP-PV/T WITH DIFFERENT FLOW CROSS SECTIONS IN COLD REGIONS

Li Jinping1-3，Dai Jingbo1-3，Li Tianshu1-3，Niu Mengyao1-3，Li Caijun1-3，Vojislav Novakovic4

（1. Gansu Key Laboratory of Complementary Energy System of Biomass and Solar Energy， Lanzhou 730050， China；

2. Collaborative Innovation Center for Supporting Technology of Northwest Low-Carbon Towns， Lanzhou 730050， China；

3. School of Energy and Power Engineering， Lanzhou University of Technology， Lanzhou 730050， China；

4. Department of Energy and Process Engineering， Norwegian University of Science and Technology， Trondheim NO-7491， Norway）

Keywords：solar energy； photovoltaic/thermal； thermoelectric performance； heat pipe； experimental research