收稿日期：2022-08-19

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（52076005）

通信作者：全貞花（1972—），女，博士、教授，主要從事太陽能、熱泵等方面的研究。quanzh@126.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1249 文章編號(hào)：0254-0096（2023）12-0090-09

摘 要：以基于微熱管陣列的光伏光熱熱水系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過數(shù)值模擬的方法，對(duì)考慮和不考慮用水規(guī)律的工況下該系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行性能進(jìn)行對(duì)比研究。研究表明，考慮用水規(guī)律的工況下，該系統(tǒng)每日的水箱初始溫度均高于40 ℃，但經(jīng)過一天的連續(xù)運(yùn)行，較高的初始溫度對(duì)終止溫度的提升并不明顯；與不考慮用水規(guī)律的工況相比，其平均熱效率、電效率和綜合效率均出現(xiàn)下降，分別降低10.7%～34.7%、0.1%～0.4%和11.6%～35.4%，特別是在多云、陰天等工況下降幅最大。針對(duì)上述現(xiàn)象，建議可采用雙水箱系統(tǒng)或優(yōu)化用水規(guī)律等措施，以提升技術(shù)的適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：太陽能；光伏組件；數(shù)學(xué)模型；PV/T；用水規(guī)律；運(yùn)行性能；熱效率

中圖分類號(hào)：TK515""""""""""" """"""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

隨著碳達(dá)峰碳中和等國家戰(zhàn)略的實(shí)施，中國太陽能建筑應(yīng)用規(guī)模呈現(xiàn)快速增長的態(tài)勢(shì)，累計(jì)光熱建筑應(yīng)用面積和光伏發(fā)電建筑應(yīng)用裝機(jī)容量分別從2006年的2.3億m2和0.08 GW增長至2020年的50億m2和30 GW［1-2］。但是，受到建筑空間、技術(shù)集成等因素的限制，上述技術(shù)往往很難同時(shí)在建筑中得到應(yīng)用，無法滿足建筑用電、用熱等綜合能源需求，一定程度上降低了太陽能綜合利用效率，進(jìn)而阻礙了太陽能建筑應(yīng)用的高質(zhì)量發(fā)展。

為進(jìn)一步提升太陽能綜合利用效率，Kern等［3］于1978年就提出光伏光熱一體化（photovoltaic/thermal，PV/T）的概念，受到研究學(xué)者的高度關(guān)注，并對(duì)多種PV/T熱水系統(tǒng)進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)研究［4-6］；胡名科等［7］提出一種真空平板PV/T熱水系統(tǒng)，與普通平板PV/T熱水系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，研究表明，在高溫條件下真空可提升熱水系統(tǒng)總效率近10%；郭嘉等［8］研究PV/T熱水系統(tǒng)在呼和浩特不同季節(jié)下的運(yùn)行性能，其夏季和冬季日均熱效率分別可達(dá)34.5%和24.8%。余瓊婉等［9］提出一種新型二維輻照溫度耦合模型用于分析PV/T熱水系統(tǒng)的運(yùn)行性能，當(dāng)水流量從0.005 kg/s增長至0.03 kg/s時(shí)，其電效率和熱效率分別從9.46%和32.62%提升至9.54%和35.83%；Brottier等［10］對(duì)一種新型PV/T熱水系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果顯示，其可以滿足5—9月份4人超過91%的熱水需求，且光伏組件溫度始終低于68 ℃，不存在過熱的風(fēng)險(xiǎn)；徐洪濤等［11］將相變材料填充于PV/T熱水系統(tǒng)用于冷卻光伏組件，對(duì)不同熱管理策略下的綜合性能進(jìn)行研究，研究表明，與無熱管理策略的系統(tǒng)相比，其可提升總效率超過5.4%；裴剛等［12-14］提出一種熱管式PV/T熱水系統(tǒng)，其熱效率、電效率和效率分別可達(dá)63.6%、8.5%和10.3%；張冰芝等［15］分析不同水箱容積對(duì)熱管式PV/T熱水系統(tǒng)的性能影響，研究表明，在水箱容積為80 L時(shí)，系統(tǒng)效率達(dá)到最高，約67.5%；張乾等［16］研究不同玻璃蓋板對(duì)吹脹式PV/T熱水系統(tǒng)的性能影響，結(jié)果顯示，采用超白壓延玻璃作為PV/T組件的蓋板可顯著增強(qiáng)系統(tǒng)的運(yùn)行性能；王瑞祥等［17］研究參數(shù)變化對(duì)熱管式PV/T熱水系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，研究表明，該系統(tǒng)中的熱管數(shù)量以9～11根為宜，北京地區(qū)安裝傾角以38°為宜；Li等［18］將PV/T熱水系統(tǒng)與路面進(jìn)行集成，分析運(yùn)行參數(shù)和氣象條件對(duì)運(yùn)行性能的影響，其在夏季工況下一天可生產(chǎn)0.62 kWh的電能和1.36 kWh的熱能。

截至目前，研究學(xué)者已對(duì)PV/T熱水系統(tǒng)在運(yùn)行策略優(yōu)化、運(yùn)行參數(shù)影響、氣象參數(shù)變化等方面進(jìn)行深入研究［19-21］。但是，上述研究普遍未考慮到用水規(guī)律對(duì)PV/T熱水系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響，其最主要的影響就在于水箱初始溫度方面。然而，當(dāng)前研究中水箱初始溫度均相對(duì)恒定，平均10～20 ℃［7-21］，而受用水規(guī)律影響的工程實(shí)測(cè)水箱初始溫度則波動(dòng)較大，分布在35～80 ℃［22-24］，這種差異勢(shì)必會(huì)造成運(yùn)行性能的變化。為研究用水規(guī)律對(duì)PV/T熱水系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響，在前期研究的基礎(chǔ)上［25-27］，本文建立基于微熱管陣列的光伏光熱（photovoltaic/thermal collector with micro heat pipe array，MHPA-PV/T）熱水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)比分析考慮和不考慮用水規(guī)律的工況下MHPA-PV/T熱水系統(tǒng)的運(yùn)行性能，提出該系統(tǒng)的優(yōu)化策略，以提升技術(shù)的適應(yīng)性。

1 基于微熱管陣列的光伏光熱熱水系統(tǒng)

1.1 基于微熱管陣列的光伏光熱組件

MHPA-PV/T組件是在傳統(tǒng)光伏組件的基礎(chǔ)上改裝得到的，其主要由光伏組件、微熱管陣列［28-29］、集熱水槽和保溫層等部件組成，如圖1所示。為提高光伏組件的發(fā)電效率，選用單玻無空氣間層的光伏組件，直接將若干微熱管陣列均勻地粘貼在其背部，并將集熱水槽水平放置在微熱管陣列的冷凝段。為減少組件的熱損失，其背部還采用保溫材料進(jìn)行覆蓋。此外，微熱管陣列與光伏組件、集熱水槽之間均采用導(dǎo)熱硅膠進(jìn)行填充并壓合，以降低傳熱過程中的接觸熱阻。

1.2 基于微熱管陣列的光伏光熱熱水系統(tǒng)

MHPA-PV/T熱水系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建于北京工業(yè)大學(xué)，包括2個(gè)串聯(lián)連接的MHPA-PV/T組件、儲(chǔ)熱水箱、循環(huán)水泵、循環(huán)水管等部件，如圖2所示。其中，每塊組件的尺寸為1580 mm×808 mm×50 mm，集熱面積約1.28 m2，峰值發(fā)電功率為185 W，如表1所示；儲(chǔ)熱水箱容積為100 L；保溫層厚度約30 mm。

1.3 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

PV/T熱水系統(tǒng)運(yùn)行性能主要包括電性能和熱性能。

在電性能方面，發(fā)電量[Ee]和電效率[ηe]：

[Ee=UtItdt]""" （1）

[ηe=EeAgGtdt]""" （2）

式中：[Ut]——瞬時(shí)電壓，V；[It]——瞬時(shí)電流，A；[Gt]——瞬時(shí)輻照，W/m2；[Ag]——組件的總面積，m2。

在熱性能方面，集熱量[Qth]和熱效率[ηth]為：

[Qth=cfmtkTtk，end-Ttk，ini]"" （3）

[ηth=QthAgGtdt]" （4）

式中：[cf]——水的熱容，J/（kg·K）；[Ttk，ini]——水箱初始溫度，℃；[Ttk，end]——水箱終止溫度，℃；[mtk]——儲(chǔ)熱水箱的水量，kg。

由于該系統(tǒng)包括電能和熱能兩種不同品味的能源，為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)能源的利用特性，這里采用黃秉鈞［30］提出的綜合效率[ηo]對(duì)運(yùn)行性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，即：

[ηo=ηe/0.38+ηth]"""" （5）

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 集熱過程模型

MHPA-PV/T熱水系統(tǒng)集熱過程的數(shù)學(xué)模型包括鋼化玻璃、光伏組件、微熱管陣列、集熱水槽、水流道和儲(chǔ)熱水箱6個(gè)部分，如圖3所示。為簡化數(shù)學(xué)模型，提出以下幾點(diǎn)假設(shè)：

1）忽略組件沿縱向的熱傳導(dǎo)；

2）光伏組件包括EVA、硅電池片和TPT，模型中近似認(rèn)為同一位置光伏組件內(nèi)部各層間溫度相同；

3）微熱管陣列的傳熱系數(shù)近似為常數(shù)［31］；

4）忽略保溫層的熱容。

2.1.1 鋼化玻璃

鋼化玻璃的能量平衡方程為：

[δgρgcg?Tg?τ=Gαg+δgλg?2Tg?x2+hg，aTa-Tg+""""""""""""""""""""""" hg，skyTsky-Tg+hg，pTp-Tg]"""" （6）

式中：[hg，a]——鋼化玻璃與環(huán)境空氣的換熱系數(shù)，[hg，a=2.8+3.0uwind]［32］，W/（m2·K）；[uwind]——環(huán)境風(fēng)速，m/s；[hg，sky]——鋼化玻璃與天空的換熱系數(shù)，W/（m2·K）；[hg，p]——鋼化玻璃與光伏組件的換熱系數(shù)，W/（m2·K）；[Ta]——環(huán)境溫度，℃；[Tsky]——有效天空溫度，[Tsky=0.0552T1.5a]［33］，℃；[Tg]——鋼化玻璃的溫度，℃；[Tp]——光伏組件的溫度，℃；[dg]——鋼化玻璃的厚度，m；[rg]——鋼化玻璃的密度，kg/m3；[cg]——鋼化玻璃的熱容，J/（kg·K）；[lg]——鋼化玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；[ag]——鋼化玻璃的吸收率，按文獻(xiàn)［34-35］計(jì)算得到。

2.1.2 光伏組件

光伏組件的能量平衡方程為：

[δpρpcp?Tp?τ=Gγαp-ζEe+δpλp?2Tp?x2+hg，p（Tg-Tp）+hp，hTh-Tp]"""""""""""""""" （7）

式中：[hp，h]——光伏組件和微熱管陣列的換熱系數(shù)，W/（m2·K）；[Th]——微熱管陣列的溫度，℃；[Ee]——光伏組件的發(fā)電量，W/㎡；[z]——光伏組件的覆蓋因子，可按[z=Ap/Ag]計(jì)算；[Ap]——光伏組件的發(fā)電面積，㎡；[γαp]——光伏組件的透過吸收率［34-35］；[δp]——光伏組件的厚度，m；[ρp]——光伏組件的密度，kg/m3；[cp]——光伏組件的熱容，J/（kg·K）；[λp]——光伏組件的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）。

光伏組件的發(fā)電量[Ee]為［36］：

[Ee=UtIt]"""""" （8）

[Ip=Isc1-C1expUtC2Uoc-1]" （9）

式中：[Isc]——短路電流，A；[Um]——最大功率工況下的電壓，V；[Im]——最大功率工況下的電流，A；[C1]、[C2]——待定系數(shù)，[C1=（1-Im/Isc）exp[-Um/（C2Uoc）]，][C2=（Um/Uoc-1）[ln（1?Im/Isc）]-1;][Uoc]——開路電壓，V。

2.1.3 微熱管陣列

微熱管陣列的能量平衡方程為：

[δhρhch?Th?τ=hp，hTp-Th+hh，aTa-Th1-ξ+hh，cTc-Thξ]"""""""""""""""""""" （10）

式中：[hh，a]——微熱管陣列和環(huán)境空氣的換熱系數(shù)，W/（m2·K）；[hh，c]——微熱管陣列和集熱水槽的換熱系數(shù)，W/（m2·K）；[ξ]——集熱水槽的覆蓋比例，[ξ=Ac/Ag]；[Ac]——集熱水槽和微熱管陣列的接觸面積，m2；[Tc]——集熱水槽的溫度，℃；[δh]——微熱管陣列的厚度，m；[ρh]——微熱管陣列的密度，kg/m3；[ch]——微熱管陣列的熱容，J/（kg·K）；[λh]——微熱管陣列的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）。

2.1.4 集熱水槽

集熱水槽的能量平衡方程為：

[Ac，seρccc?Tc?τ=Ac，seλc?2Tc?x2+pfhfTf-Tc+"""""""""""""""""""""""" lc，exthc，aTa-Tc+lc，inthh，cTh-Tc]"""" （11）

式中：[hf]——水和集熱水槽的換熱系數(shù)，W/（m2·K）；[hc，a]——集熱水槽和環(huán)境空氣的換熱系數(shù)，W/（m2·K）；[Tf]——集熱水槽內(nèi)水的平均溫度，[Tf=（Tf，in+Tf，out）/2]，℃；[Tf，in]——集熱水槽的進(jìn)水溫度，℃；[Tf，out]——集熱水槽的出水溫度，℃；[lc，int]——集熱水槽和微熱管陣列的接觸寬度，m；[lc，ext]——集熱水槽和保溫層的接觸寬度，m；[Ac，se]——集熱水槽的截面面積，m2；[pf]——集熱水槽內(nèi)水流道的周長，[pf=πdc]，m；[dc]——集熱水槽內(nèi)水流道的直徑，m；[ρc]——集熱水槽的密度，kg/m3；[cc]——集熱水槽的熱容，J/（kg·K）；[λc]——集熱水槽的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）。

水和集熱水槽的換熱系數(shù)[hf]為［37］：

[hf=Nufλfdc]"""""" （12）

[Nuf=4.36，Ref≤23000.023Re0.8fPr0.4f，Refgt;2300]"" （13）

式中：[Nuf]——水的努希爾特?cái)?shù)；[Ref]——水的雷諾數(shù)；[Prf]——水的普朗特?cái)?shù)；[λf]——水的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）。

2.1.5 水流道

水流道的能量平衡方程為：

[Afρfcf?Tf?τ=pfhfTc-Tf-Afufρfcf?Tf?x+Afλf?2Tf?x2]"""" （14）

式中：[Af]——水流道的截面面積，[Af=0.25πd2c]，m2；[uf]——水流速，m/s；[ρf]——水的密度，kg/m3。

2.1.6 儲(chǔ)熱水箱

儲(chǔ)熱水箱的能量平衡方程為：

[mtkcf?Ttk?τ=AfufρfcfTtk，out-Ttk，in+htk，aAtkTa-Ttk]""""" （15）

式中：[Ttk，in]——儲(chǔ)熱水箱中的水進(jìn)入組件的溫度，℃；[Ttk，out]——儲(chǔ)熱水箱中的水離開組件的溫度，℃；[htk，a]——儲(chǔ)熱水箱和環(huán)境空氣的換熱系數(shù)，W/（m2·K）；[Atk]——儲(chǔ)熱水箱的外表面積，m2；[Ttk]——儲(chǔ)熱水箱中的水溫，℃。

2.2 用熱過程模型

根據(jù)研究團(tuán)隊(duì)前期調(diào)研數(shù)據(jù)［38-39］，居民生活熱水的逐時(shí)用水規(guī)律呈“M”型分布，用水時(shí)間主要集中在06：00—08：00和17：00—23：00。在用熱過程的數(shù)學(xué)模型中，對(duì)于晚間和早間用戶使用熱水前，當(dāng)水箱溫度低于設(shè)定溫度時(shí)需啟動(dòng)輔助加熱；反之，則不需要啟動(dòng)輔助加熱，即：

[Ttk=Ttk，end，Ttk，end≥TauxTtk=Taux，Ttk，endlt;Taux] （16）

式中：[Taux]——輔助加熱的設(shè)定溫度，℃。

對(duì)晚間水箱消耗的熱水量[Δmtk，ni]和混水后的水箱溫度[Ttk，ni]，有：

[Δmtk，ni=msu，niTsu，ni-Tco，seaTtk-Tco，sea]"""""" （17）

[Ttk，ni=mtk-Δmtk，niTtk+Δmtk，niTco，seamtk，Ttk，ni≥TauxTtk，ni=Taux，Ttk，nilt;Taux]"" （18）

式中：[msu，ni]——晚間居民的用水量，kg；[Tsu，ni]——晚間居民的用水溫度，℃；[Tco，sea]——當(dāng)前季節(jié)的當(dāng)?shù)乩渌疁囟?，℃?/p>

對(duì)早間水箱消耗的熱水量[Δmtk，mo]和混水后的水箱溫度[Ttk，mo]，有：

[Δmtk，mo=msu，moTsu，mo-Tco，seaTtk，ni-Tco，seaTtk，mo=mtk-Δmtk，moTtk，ni+Δmtk，moTco，seamtkTtk，ini=Ttk，mo]"""""" （19）

式中：[msu，mo]——早間居民的用水量，kg；[Tsu，mo]——早間居民的用水溫度，℃。

2.3 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，選取MHPA-PV/T熱水系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)期間平均太陽輻射、平均環(huán)境溫度分別為500.1 W/m2、29.3 ℃，如圖4所示；水箱初始溫度為22.8 ℃。圖5和圖6為熱性能和電性能的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的比較?？煽闯?，兩者的變化趨勢(shì)基本一致，兩者在平均背板溫度、集熱量、熱效率、發(fā)電量、電效率和綜合效率之間的相對(duì)誤差分別為2.7%、7.6%、7.6%、2.3%、2.3%和2.5%，可認(rèn)為模擬結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性，滿足模擬要求。表2為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果的相對(duì)誤差。

3 模擬研究與數(shù)據(jù)分析

為研究用水規(guī)律對(duì)MHPA-PV/T熱水系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響，這里選擇2種工況進(jìn)行對(duì)比研究。其中，工況1（C1）為考慮用水規(guī)律的工況：早間和晚間的用水量占日用水總量的比例取35%和65%［38-39］；日均用水量、用水溫度和用水人數(shù)分別取44 L/（人·d）、37 ℃和3人［38-39］；輔助加熱的設(shè)定溫度取45 ℃［13，15］。工況2（C2）為未考慮用水規(guī)律的工況：水箱初始溫度均取所在地的冷水溫度。研究選用2020年8月8日至17日連續(xù)10 d的氣象參數(shù)對(duì)MHPA-PV/T熱水系統(tǒng)的運(yùn)行性能進(jìn)行模擬研究。其中，8日的水箱初始溫度以及每日冷水補(bǔ)水溫度均取26 ℃；系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間均為08：00—16：00。如圖7所示為模擬期間環(huán)境溫度和太陽輻照的變化曲線。其中，8月11日、15日、16日陰，平均環(huán)境溫度為30.2～32.3 ℃，平均輻照為150.8～257.9 W/m2；8月12日、13日為多云，平均環(huán)境溫度為28.3～31.7 ℃，平均輻照為303.0～418.8 W/m2；8月8—10日、14日、17日為晴天，平均環(huán)境溫度為32.2～35.1 ℃，平均輻照為487.2～647.0 W/m2。

3.1 運(yùn)行參數(shù)

模擬期間運(yùn)行參數(shù)如圖8～圖10所示。如圖8所示為模擬期間水箱溫度的變化趨勢(shì)。由圖可知，受用水規(guī)律和輔助加熱的影響，C1工況下每日儲(chǔ)熱水箱的初始溫度均超過40.0 ℃，最高達(dá)51.3 ℃，比冷水溫度高14.0～25.3 ℃，這與不同地區(qū)典型工程實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)基本一致［22-24］；儲(chǔ)熱水箱的終止溫度為39.6～64.4 ℃，比C2工況下僅高為1.3～2.3 ℃。研究發(fā)現(xiàn)，在相同氣象條件下，兩種工況下水箱溫度的差異會(huì)隨運(yùn)行時(shí)間的增加逐漸縮小，較高的初始溫度對(duì)終止溫度的提升并不明顯，還會(huì)引起運(yùn)行期間熱水系統(tǒng)對(duì)外散熱加快、水箱溫度快速降低等現(xiàn)象，特別是在陰天、多云等工況下最為明顯；在C1工況下，8月11日、15日和16日的水箱溫升甚至出現(xiàn)負(fù)值，為[-0.32～-0.43 ℃]，全天不應(yīng)啟動(dòng)集熱運(yùn)行，但在C2工況下卻達(dá)到7.3～13.1 ℃，兩者的水溫變化趨勢(shì)截然相反。

此外，需要注意的是，在8月8日至10日連續(xù)運(yùn)行時(shí)，由于用戶用水量有限，較高的終止溫度并不能完全轉(zhuǎn)化為用戶的有效用熱，反而會(huì)導(dǎo)致次日初始溫度的不斷提升，從43.5 ℃增加至49.8 ℃，從而影響實(shí)際運(yùn)行性能。

如圖9所示為模擬期間背板溫度的變化曲線。由圖可知，C1工況下光伏組件的背板溫度始終高于C2工況，兩者在啟動(dòng)階段的溫差最大，為6.1～11.1 ℃，但隨運(yùn)行時(shí)間的增加，逐漸縮小并在結(jié)束時(shí)降低至1.0～1.8 ℃。不難看出，C1工況下該系統(tǒng)對(duì)光伏組件的散熱效果會(huì)大幅降低，其平均背板溫度達(dá)到36.1～56.3 ℃，比C2工況下平均增加3.6～5.6 ℃。

如圖10所示為模擬期間發(fā)電量的變化曲線。由圖可知，C1工況下受到光伏組件背板溫度提升的影響，其發(fā)電量也有不同程度的降低。特別是在8月9日、10日、14日和17日晴天的11：00—13：00最為明顯，與C2工況相比，其發(fā)電量平均降低2.8～4.6 W/m2，最大降幅達(dá)到5.1%。

3.2 運(yùn)行性能

如圖11所示為模擬期間運(yùn)行性能的變化趨勢(shì)。由圖可知，受用水規(guī)律的影響，C1工況下該系統(tǒng)的熱性能和電性能均遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及C2工況。在熱性能方面，C1工況下集熱量為[-2.4～147.6 W/m2]、熱效率為[-1.5%～22.8%]，比C2工況下分別下降約43.9～117.3 W/m2和10.7%～34.7%。研究表明，在連續(xù)運(yùn)行時(shí)，特別是在陰天、多云等工況下，MHPA-PV/T熱水系統(tǒng)應(yīng)結(jié)合前一日的實(shí)際用水情況確定當(dāng)日的運(yùn)行策略，避免引起熱效率為負(fù)值的情況出現(xiàn)。在電性能方面，由于背板溫度每升高1 ℃將降低光伏組件發(fā)電效率0.3%～0.6%［40］，C1工況下較高的背板溫度使其發(fā)電量和電效率均有不同程度的下降，其日均發(fā)電量和電效率分別為19.6～74.1 W/m2和11.4%～13.2%，比C2工況下平均降低約0.1～2.5 W/m2和0.1%～0.4%。在綜合性能方面，受到熱性能和電性能的綜合影響，C1工況下熱水系統(tǒng)的綜合性能也出現(xiàn)大幅下降，平均僅32.7%～52.9%，比C2工況平均降低11.6%～35.4%。不難看出，用水規(guī)律直接影響著水箱的初始狀態(tài)，即水箱初始溫度，而較高的水箱初始溫度既不利于集熱過程、也不利于發(fā)電過程。為提高該系統(tǒng)的適應(yīng)性，建議可采用將集熱過程和用熱過程分別獨(dú)立運(yùn)行的策略進(jìn)行優(yōu)化，即采用雙水箱系統(tǒng)［15］

（集熱水箱+儲(chǔ)熱水箱），使熱水系統(tǒng)始終運(yùn)行在C2工況下；也可采用適當(dāng)降低水箱設(shè)定溫度等優(yōu)化用水規(guī)律的措施，以提高該系統(tǒng)的綜合性能。

4 結(jié) 論

為研究用水規(guī)律對(duì)基于微熱管陣列的光伏光熱（MHPA-PV/T）熱水系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響，本文建立該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，通過數(shù)值模擬的方法，對(duì)考慮和不考慮用水規(guī)律（C1和C2）的工況下MHPA-PV/T熱水系統(tǒng)的運(yùn)行性能進(jìn)行對(duì)比研究。通過本研究，得到的主要結(jié)論有：

1）MHPA-PV/T熱水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型具有較高的準(zhǔn)確性。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，其背板溫度、集熱量、熱效率、發(fā)電量、電效率和綜合效率的相對(duì)誤差分別為2.7%、7.6%、7.6%、2.3%、2.3%和2.5%，可滿足模擬要求。

2）受用水規(guī)律的影響，C1工況下系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)水箱初始溫度始終高于40 ℃，比當(dāng)?shù)乩渌疁囟雀?4.0～25.3 ℃，但較高的初始溫度對(duì)終止溫度的提升并不明顯；在陰天、多云等工況下，C1和C2工況會(huì)出現(xiàn)截然相反的變化趨勢(shì)，前者會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)外散熱、水箱溫度降低等現(xiàn)象，不應(yīng)啟動(dòng)集熱過程。

3）C1工況下MHPA-PV/T熱水系統(tǒng)的熱性能和電性能均遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及C2工況，其熱效率、電效率和綜合效率分別降低10.7%～34.7%、0.1%～0.4%和11.6%～35.4%。

4）為提高該系統(tǒng)的適應(yīng)性，建議可將集熱過程和用熱過程相互獨(dú)立，采用雙水箱系統(tǒng)（集熱水箱+儲(chǔ)熱水箱）進(jìn)行優(yōu)化；也可采用適當(dāng)降低水箱設(shè)定溫度等優(yōu)化用水規(guī)律的措施。

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STUDY ON INFLUENCE OF USER USAGE HABIT ON PERFORMANCE OF PHOTOVOLTAIC-THERMAL HOT WATER SYSTEM

Hou Longshu1，2，Quan Zhenhua1，Du Boyao1，Zhao Yaohua1，Wang Shanshan2

（1. Beijing Key Laboratory of Green Building and Energy-Efficiency Technology， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China；

2. Center of Science and Technology amp; Industrialization Development， Ministry of Housing Urban-Rural Development of People’s Republic of China， Beijing 100835， China）

Abstract：Taking the photovoltaic-thermal hot water system based on the micro heat pipe array as the research object， the operation performance of the system with/without consideration of user usage was studied in detail by means of mathematical simulation. The results show that considering user usage， the initial temperature of water tank is always higher than 40 ℃， but the highter initial temperature has no obvious effect on the improvement of the final temperature， compared with the condition without consideration user usage， its average thermal efficiency， electrical and comprehensive efficiency respectively reduce by 10.7%-34.7%， 0.1%-0.4% and 11.6%-35.4%， especially in cloudy days. It is recommended to introduce double water tank system or optimize user usage habit to improve the performance of the system.

Keywords：solar energy； photovoltaic module； mathematical model； PV/T； usage habit； operation performance； thermal efficiency