一种光伏-热通风装置的热特性试验研究

冯朝卿，郑宏飞，王瑞

(1.内蒙古工业大学 能源与动力工程学院，内蒙古，呼和浩特 010051；2.北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081)



一种光伏-热通风装置的热特性试验研究

冯朝卿1，2，郑宏飞2，王瑞2

(1.内蒙古工业大学 能源与动力工程学院，内蒙古，呼和浩特 010051；2.北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081)

提出一种新型的光伏/热通风装置，利用CFD仿真对比分析了底板进气和侧板进气两种不同形式下装置内温度分布情况. 试验结果表明底板进气可有效降低装置内最高温度，并使装置内温度分布更加均匀. 对新型光伏-热通风装置进行了室内稳态试验，通过改变加热功率、风速及底板通风孔个数，分析不同工况下装置的热特性. 结果表明：出风口温度和装置内最高温度随着加热功率的增加而增加，但装置热效率随着加热功率的升高而降低，减少底板孔数后装置内温度分布更均匀；定加热功率试验表明风速越大装置效率越高. 此基础上对新型光伏-热通风装置进行室外实际天气条件下性能试验. 结果表明装置对空气的加热功率变化趋势与辐照度的变化趋势接近，整个装置在中午时热量利用率最高.

光伏-热利用；通风；热特性；试验研究

新型光伏-热通风装置是利用太阳能进行光伏发电及热利用的一种新型装置. 30多年来PV/T系统以其较高的综合热效率受到各国研究人员的青睐[1-4]. Ibrahim，Naewngerndee R和Coventry J S等分别对PV/T系统进行了性能测试和系统优化研究[5-7].聚光型太阳能光电光热综合利用(PV/T)系统在达到同等电力输出的前提下，可以减少PV/T集热器的面积，降低成本.常规太阳电池在高聚光比下的性能提高有限[8-9]，使得低倍聚光比下复合抛物面聚光器(CPC)具有更好的发展前景. Adsten等[10]做了CPC与房顶或墙面安装的相关分析. Li Guiqiang等[11]对空气夹层的CPC进行了相应的理论研究. 此外，苏跃红等[12]还对lens-walled型CPC进行了深入的太阳能收集对比研究.

文中设计了一种新型光伏热通风装置，其最大特点是利用高透明度的亚克力板制成的固体CPC进行聚光，CPC下端贴太阳能电池发电，通过改变光线的入射角可以改变光线的透过率.光线直射时透过率低，发电生热效率高，光线入射角增大时，透过率增加，而生热发电效率降低.利用这样的特点可将文中设计的光伏-热通风装置应用在建筑屋顶或温室，通过调节太阳光入射角来调节室内亮度及热空气温度.

1 光伏/热通风装置结构及工作原理

新型光伏-热通风装置的结构如图1所示，装置由上盖板，下底板及侧板组成，上、下盖板均由高透明度的亚克力板加工而成，上盖板上表面为光滑平面，下表面为截断式CPC，实体CPC截断后的聚光比为4.

新型PV/T装置聚光发电和利用太阳能加热空气的工作原理为：太阳光由上表面射入，经过透明CPC的折射和反射进入装置，当入射角较小的时候(中午)，光线被汇聚到PV上，产生电能和热量；当入射角较大的时候(上、下午)，光线经过下表面，穿过装置，可用来照明.由于PV发电同时会产生热，且装置上下板之间的空气受到太阳光照后会产生温室效应，使得上下板之间的空气温度升高.通过风机进行抽气，空气由下底板的小孔进入装置，被加热后由出风口排出，进行热利用，可额外获得热能，实现聚光光伏与光热的结合，提高能量综合利用率.

2 不同进气孔位置对装置热特性影响

研究实体CPC构成的透射式PV/T系统的进气孔位置对装置温度分布及空气流动特性的影响，文中首先对底板多孔进气和侧板单孔进气两种不同结构进行仿真分析. 底板多孔进气结构中，底板均布了15×15共225个直径为3 mm的小孔，孔间距10 mm；侧板进气结构中空气的进出口均为直径15 mm孔，分布在装置两侧装置. 其内空气部分网格如图2所示.

相同的出口静压下，电池生热功率为72 W时，计算了两种不同空气入口结构情况下装置内温度分布. 计算结果表明：底板进气时电池板温度分布较为均匀，最高温度点出现在距离出口最远端的区域，最高温度值为93 ℃；侧板进气时电池板高温区分布在两侧靠近出口处，温差较大，最高温度值132 ℃. 出口静压恒定时，对比两种不同结构的仿真结果，如表1所示.

表1 出口静压相同时仿真结果对比

Tab.1 Simulation results comparison in same static pressure

结构出口风速/(m·s-1)出口温度/℃电池平均温度/℃电池最高温度/℃底板进气3888295372930侧板进气31102943821320

表1表明两种结构对电池板平均温度的影响较小，但对装置内最高温度值的影响较大，因此选择底板进气结构的光伏/热通风装置结构形式.

3 试验装置的结构及工作原理

按照仿真结果制作试验样件并对其进行实验测试. 系统主要由光伏-热通风装置、鼓风机、温度记录仪、风速测量仪组成. 试验中，温度采用K型热电偶提取信号，温度记录仪给出温度数值，16个热电偶的分布如图3所示，图中未标示的16号热电偶为环境温度.风速采用KA22型热式风速仪测量，误差为±2%.

4 室内稳态试验

4.1 不同底板开孔数下的室内稳态试验

试验中，给系统输入给定的功率值，分析在某风速值时装置内部各点的温度分布.当输入系统的功率值不同时，装置内部的温度分布及空气的升温状态是不一样的. 图4给出了当输入功90 W时(装置的上表面积为0.09 m2，得热90 W，相当于装置处于1 000 W/m2的太阳辐照度下所有太阳辐照能量全部转化为热能)，系统从开始到温度稳定各测温点的温度变化曲线. 此时，装置背板的通风孔分布为30 cm×30 cm共计900个孔，孔直径为3 mm. 此时，通过系统的风流量为21.8 kg/h.

由图4可以发现，虽然装置的热惰性较小，但要使装置达到基本的稳定状态，大约需要2 000 s左右.这与装置原来是冷却的有关，如果装置是在热状态下，也许达到稳定的时间要短得多.也可以发现，在装置中，温度分布是不均匀的，整体趋势为由出风口向各方向递增，装置边缘处由于热损失较大而温度降低.T1的温度最高，为46.2 ℃；T14的温度最低，为34.7 ℃；装置内部各测点的平均温度为41.3 ℃，与T3、T8和T13基本接近，而装置外表面平均温度为25.9 ℃，与T4较为接近，进出口空气的温差在10 ℃左右. 由此可以说明，改变装置导热性能，增加保温层可以增加装置内部的平均温度和出风口温度；调整底板孔密度及其分布，可以改变装置中的空气流动状况，从而改变装置内部的温度状况. 此外，T3的趋势与众不同，试验结束后发现该热电偶与加热片黏接处出现松动，从而影响了其变化趋势.

当背板的通风孔密度被改变时，在相同的加热功率(90 W)条件下，装置内各测点的温度变化如图5所示.此时，孔数为原来的1/2左右，共480个.对比图4(b)和图5(b)可以看到，减少底板孔数后装置内各测点温差较900孔时变小，这是由于当背板孔密度降低时，距离出风口较远的小孔也会有空气流入，使得装置底板更大面积上的小孔参与空气流动，从而使装置内各点温度分布较均匀.与其他测点不同的是T1和T2这两个测点的温差加大，在900孔时，温差为0.5 ℃，而堵孔后，温差为1.5 ℃，根据位置分布图可知这两个测点在离出风口较远的一侧，900孔时，由于孔密度较大，参与空气流动的小孔分布在离出风口较近的位置，T1和T2附近的小孔几乎没有空气流过，其主要是靠装置壁面向外界散热，故温差较小；当孔密度减小时，参与空气流动的小孔向远离出风口的位置延伸，T2位于中轴线上，距出风口比T1近，使得T2附近的小孔中空气流量大于T1附近的小孔，所以480孔时T1和T2温差加大.

由于480孔试验室环境温度较低，使得装置上表面对外散热速度加快，温度降低，对比图4(a)和图5(a)可以看出，装置上表面温度与出风口温度相较900孔时更接近.

4.2 不同加热功率下的稳态温度分布试验

当装置在不同加热功率条件下，各测点的稳定温度分别列在表2中，与表2对应的风流量是21.8 kg/h，孔密度为30 cm×30 cm，共计900个孔. 可见随加热功率的增加，各测点达到平衡后温度整体呈上升趋势，且增幅逐渐降缓，环境温度对各测点平衡温度有重要影响，装置对环境的散热损失取决于装置与环境的温差，这也是造成表2中50和100 W各测点温度数值变化异常的主要原因.

表2 各测点稳定温度

在不同功率加热的情况下，装置进出口空气的温差随加热功率的变化如图6所示.

空气进出口的温差体现了空气对加热量的接收效率. 从图6可以看出，加热功率越大，空气进出口的温差也越大，基本反映了实际情况.

为了准确地了解装置的散热及空气的得热情况，将试验中系统的得热与失热情况进行初步计算，结果如表3所示.

从表3可以看出随着加热功率的增加，达到稳态后装置进、出风口温差增大，有用功率增加，但是热损失也随之增加，整个装置的效率随着加热功率的增加而降低. 这是因为加热功率增加后，装置内部温度增加，使得装置和外界环境的辐射换热量增大，增大了热损失，造成装置热效率降低.

表3 装置的得热与失热情况

4.3 变风速试验

改变系统的通风速率，在其他条件不变的情况下，得到在相同加热功率下不同风速时各点的温度分布. 依然假设太阳辐照度是大约1 000 W/m2，即在试验中选择加热功率为90 W. 几个典型温度测点的温度随装置出风口空气流速v的变化如图7所示.

对于本试验装置热平衡方程可以近似为加热量等于空气对流换热量与装置散热损失的和.

由图7可以看出，随着风速的升高，装置内部温度降低，这是因为增加风速提高了对流换热系数，使得装置温度降低；随着风速的升高，空气的质量流量qm增加(与风速成正比)，对流换热量也增加(与风速的1/2次方成正比)，热损失减小，由于质量流量的增速大于对流换热量的增速，因此装置进出口温差减小，与试验结果吻合.风速增加导致装置温度降低后，热损失减小，效率增加.

由图7可以看出，随着风速的减小，各测点温度和温差的变化率也逐渐减小，这是由于风速减小装置的温度升高，散热损失增加，其中辐射散热损失迅速增加(和温度的4次方成正比)，使得装置温度变化率逐渐减小.

5 实际天气条件下的试验

将试验装置中的电加热片换为吸热片，贴在CPC的底部，在实际天气条件下进行装置热特性测试. 试验装置与室内测试时基本相同，为了避免环境中空气流动对出口风速测量时的影响，将风速仪的测量位置移到风筒内. 通过室内热特性试验可知底板开孔480时的温度分布较均匀，故室外试验也采用480孔. CPC的摆放保证其轴向为南北方向，装置内热电偶的布置如图8所示，T10为环境温度.

试验数据采样时刻为9：00AM-17：00PM，经过分析可知试验中装置内的最高温度出现在离出风口较远的T3和T9处，装置内各测点平均温度接近T6，将上述几个典型测点温度、进出风口温度及辐照度随时间的变化如图9所示.

由图9可以看出，辐照值在一天内先增大后减小，大约在12∶30达到最大值，环境温度随着辐照的增大而增大，最大值滞后于辐照值，大约出现在15∶00.14：00之前，装置内的最高温度出现在T9，而在14:00之后装置内的最高温度出现在T3，这是因为试验测试当天14：00之前环境风速较大，从而增大装置与环境对流换热系数，使得T3处的热损失远大于T9处，故T9处温度较高. 14:00之后环境风速变小，使得T3与T9的热损失减小，由于T9距离出风口更近，故温度低于T3.

根据风速仪对装置内空气流量的测定，计算装置对空气的加热效率，将结果与装置接收的辐照相比较，如图10所示. 由图10可以看出，装置对空气的加热功率变化趋势与辐照度的变化趋势接近，但由于装置透过率是先减小后增大，中午透过率最小，吸收率最高，使得整个装置在中午时热量利用率最高.

6 结 论

对新型光伏-热通风装置进行了室内稳态试验，通过改变加热功率、风速及底板通风孔个数，分析不同工况下装置的热特性，结果表明：出风口温度和装置内最高温度随着加热功率的增加而增加.减少底板孔数后装置内各测点温差变小，温度分布更均匀；加热功率恒定的情况下，随着风速的降低，装置内部温度升高，各测点温度及温差的变化率也逐渐减小，装置效率降低.

对新型光伏-热通风装置进行室外实际天气条件下性能试验，装置对空气的加热功率变化趋势与辐照度的变化趋势接近，但由于装置透过率是先减小后增大，中午透过率最小，吸收率最高，使得整个装置在中午时热量利用率最高.

[1] Kern J E C. Combined photovoltaic and thermal hybrid collector system[C]∥Proceedings of the 13th IEEE Photovoltaic Specialists. Washington D.C.，USA: [s.n.], 1978:1153-1157.

[2] Hisashi Saitoh. Field experiments analyses on a hybrid solar collector[J]. Applied Thermal Engineering，2003，23:2089-2105.

[3] Zakharchenko R. Photovoltaic solar panel for a hybrid PV/thermal system[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells，2004，82:253-261.

[4] Ji J，Han J，Chow T T，Han C, et al. Effect of flow channel dimensions on the performance of a box-frame photovoltaic/thermal collector[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A, Journal of Power & Energy，2006，220:681-688.

[5] Ibrahim A，Othman M Y，Ruslan M H，et al. Recent advances in flat plate photovoltaic/thermal(PV/T) solar collectors[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2011，15(1):352-365.

[6]Naewngerndee R，Hattha E，Chumpolrat K，et al. Finite element method for computational fluid dynamics to design photovoltaic thermal (PV/T) system configuration[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells，2011，95(1):390-393.

[7] Coventry J S，Lovegrove K. Development of an approach to compare the value of electrical and thermal output from a dometic PV/thermal system[J].Solar Energy，2003，75(1):63-72.

[8] 吴玉庭，朱宏晔，任建勋，等. 聚光与冷却条件下常规太阳电池的特性[J]. 清华大学学报，2003，43(8):1052-1055.

Wu Yuting，Zhu Hongye，Ren Jianxun，et al. Thermal and power characteristics of ordinary solar cells in concentrating solar collectors[J]. Journal of Tsinghua University，2003，43(8):1052-1055. (in Chinese)

[9] 黄国华，施玉川，杨宏，等.常规太阳能电池聚光特性试验[J].太阳能学报，2006，27(1):19-22.

Huang Guohua，Shi Yuchuan，Yang Hong，et al. The performance of conventional crystalline silicon solar cells with low concentrator[J]. Acta Energiae Solaris Sinica，2006，27(1):19-22. (in Chinese)

[10] Adsten M，Helgesson A，Karlsson B. Evaluation of CPC-collector designs for standalone roof or wall installation[J]. Solar Energy，2005，79:638-647.

[11] Li G，Pei G，Su Y，et al. Preliminary study based on building-integrated compound parabolic concentrators (CPC) PV/thermal technology[J]. Energy Procedia，2012，14:343-350.

[12] Su Y，Riffat S B，Pei G. Comparative study on annual solar energy collection of a novel lens-walled compound parabolic concentrator (lens-walled CPC)[J]. Sustainable Cities and Society，2012，4:35-40.

(责任编辑：孙竹凤)

Experiment Research on Thermal Characteristic of the PV-T Aerator

FENG Chao-qing1，2，ZHENG Hong-fei2，WANG Rui2

(1.College of Energy and Power Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot, Inner Mongoliar 010051，China; 2.School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China)

A novel PV-T (photovoltaic/thermal) aerator was presented and the CFD (computational fluid dynamics) simulation was taken to compare two kinds structure of device, that air flow from bottom inlet or beside inlet. Simulation results show that bottom inlet can decrease the inner temperature of PV-T device and make the temperature well-distributed in PV surface. A steady state experiment was taken in room for the PV-T aerator. Thermal characteristic about the PV-T aerator was analyzed under different heating power, different air flow rate and different number of hole in the bottom cover. The indoor experiment results show that with the increasing of heat power, the inlet and outlets’ wind temperature of steady-state is rising, the useful power increases; meanwhile, the heat loss is rising. The air heating efficiency of the device is decreasing with the increase of heating power. The temperature distribution in the PV-T aerator becomes uniform when the number of hole decreases. The results in experiments at different air flow rates show that air heating efficiency increase with the air flow rate increase. Outdoor experiment was completed under the real sky. It shows that the variation tendency of heating power close to the solar irradiance, the heating power of whole device has the highest utilization rate at noon.

PV-T utilization; aerator; thermal characteristic; experiment research

2015-02-08

国家“八六三”计划项目(2013AA102407-2)；内蒙古自治区自然科学基金资助项目(2016BS0505)

冯朝卿(1981-)，女，博士，讲师，E-mail：fchaoqing@163.com.

郑宏飞(1962-)，男，教授，博士生导师，E-mail：hongfeizh@bit.edu.cn.

TK 513

A

1001-0645(2016)07-0684-06

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.07.005