空气-水双工质冷却循环PV/T集热器模拟研究

马进伟，杜 涛，方 浩

（安徽建筑大学 环境与能源工程学院，安徽 合肥 230601）

0 引言

PV/T集热器将光伏板与平板集热器相结合，是一种可以同时提供电能与热能的一体化装置，实现了太阳能的综合利用[1]，[2]。

根据冷却工质的不同，PV/T集热器可以分为空冷型[3]、水冷型[4]、制冷剂型[5]，相比功能单一的太阳能集热器，PV/T组件具有多功能、高效率等优势，因此得到广泛研究。Sarhaddi[6]对PV/T空气集热模块展开性能研究，通过优化模型的集热损失系数提高了模拟的准确度。鲁朝阳[7]建立了空冷型PV/T集热器数值模型，根据模拟结果分析了渐扩、渐缩通道、空气流量对集热器综合效率的影响。Aste[8]的研究表明，相比于空气，水具有高热容性，使得水冷式PV/T表现出更好的综合性能。Rahim[9]，[10]利用搭建的水冷式PV/T实验平台，分析太阳辐射强度、环境湿度等参数对集热性能的影响。结果表明，PV/T系统的发电量较PV组件提高3.25%。Ramdani[11]提出将水冷通道放置在光伏板上侧，并对PV/T模块进行数值模拟。孙勇[12]则采用Fluent构建PV/T水集热装置的模型，模拟夏季工况下管间距和流量对组件性能的影响。庞玮[13]对板管式PV/T系统开展全天性实验研究，测试了水流量大小对集热性能影响，结果显示，系统热效率最高可达到57%。

综上所述，目前有关PV/T集热器的研究多为单工质循环，而有关双工质冷却循环的PV/T集热器还少有涉及。为解决上述问题，本文提出一种空气-水双工质冷却循环的PV/T集热器，实现电能、热水和热空气的同时收集，可依据日常需求调节工作模式，解决单工质PV/T使用的局限性。本文利用CFD技术构建PV/T组件模型，模拟不同流量、温度工况下PV/T组件的电/热性能，并结合温度云图分布数据为空气-水双工质循环PV/T集热器的设计研究提供模拟思路和理论依据。

1 双工质循环PV/T集热器

1.1 物理模型

图1为双工质循环PV/T集热器模型结构。

图1 PV/T集热器模型Fig.1 The schematic of PV/T collector

其中，集热器长1 730 mm、宽1 000 mm，上侧与玻璃盖板间形成15 mm的空气夹层，下表面附有的8根细铜管与35 mm的空气流道构成双工质换热通道。光伏电池铺设在吸热板表面，两者采用EVA材料粘合，22 mm的集管设置在铜管的进出口，构成系统水回路，选择玻璃纤维作为集热器的保温材料。PV/空气工况下，关闭水流进出口，由空气对光伏电池进行冷却；PV/水工况下，关闭PV/T集热器空气进出口，由水对光伏电池进行冷却；PV/空气-水复合模式下，同时开启空气、水流道，此时系统可实现空气/水双工质冷却循环。

1.2 控制方程

空气-水双工质冷却循环PV/T集热器在运行过程中满足以下控制方程。

PV/T集热器运行过程中的连续性方程为[12]

1.3 性能评价

双工质冷却循环PV/T集热效率ηth为工质总得热量与太阳辐射总能的比值，计算式为

式中：ηc为标况下光电效率，取0.13；Tc为光伏电池温度，K。

电能相较于热能而言，是一种高品位的能源，本文采用综合效率ηf来评判PV/T集热器综合性能，其表达式为[7]

式中：ε为电能和热能间的转换系数，取1/0.38。

2 计算模型

2.1 模型与网格验证

双工质冷却循环PV/T集热器计算模型如图2所示。

图2 PV/T集热器计算模型Fig.2 Calculation model diagram of PV/T collector

通过SCDM构建PV/T集热器三维计算模型，利用Ansys meshing进行网格划分。以PV/T集热器的综合效率作为指标，进行网格无关性验证，当网格数达到2.24×106个后效率值趋于稳定，当网格数为3.08×106个时，综合效率仅变化0.107%，考虑模型的精确度与计算量的大小，网格数采用2.24×106个。

2.2 物性参数与边界条件

各材料物性参数见表1。

表1 材料物性参数Table 1 Physical parameters of the materials

模拟中，工质入口、出口分别设置为速度入口、压力出口边界条件。考虑到玻璃盖板的对流与辐射作用，将其设为Mixed边界条件。PV/T集热器的保温边框设定为对流换热边界。使用C语言编写的自定义函数（udf）求解光电转换过程。对于低速的湍流流动，选用对旋转流、二次流有较好解释的realizable k-e模型，同时采用DO模型对集热器内的辐射换热进行模拟。由于温度的变化导致空气密度发生改变，因此空气物性参数选用Boussinesq假设。太阳能辐照度设置为893 W/m2，工质的进口温度、环境温度设为300 K，空气、水初始速度分别为0.936，0.108 m/s。

2.3 求解方法

数值计算过程选用Fluent中的双精度压力基进行求解，采用Simple算法对速度与压力进行耦合，Body-force-weighted作为压力差值选择方案，解变量梯度由Least-square-cell-based方法确定，能量、动量方程均采用Second-order-upwind格式提高精度。

数值模拟过程中还有以下假设：①忽略电池片间距，光伏电池板按整体建模，TPT背膜等电池内部结构的接触热阻不做考虑；②光伏板吸收的太阳辐照能部分转化为电能，其余部分能量全部转化为热能；③光伏板、EVA材料、吸热板为理想的无空气间隙的粘合结构；④集热器的数值计算在三维稳态条件下进行。

2.4 模型验证

当空气质量流量为0.039 kg/s时，改变PV/T集热器进口空气温度（283～313 K），模拟所得的集热器出口空气温度与郭超[14]实验结果对比如表2所示。

表2 PV/T集热器出口空气温度模拟值与实验值对比Table 2 Comparison of simulated and experimental air temperature at PV/T collector outlet

由表2分析可得，模拟值与实验值结果吻合度较高，最大相对误差不超过1%，平均相对误差为0.35%，因此本文的模拟结果对PV/T集热器实验性能预测具有参考价值。

3 模拟结果与分析

3.1 工质换热特性

为探究工质在集热过程中的换热特性，本文首先对空气、水流量均为0.04 kg/s时的3种工况进行数值模拟，图3为PV/T集热器光伏板温度分布云图。

图3 PV/T集热器光伏板分布云图Fig.3 The temperature distribution of the PV panel

表3为PV/T集热器在3种工作模式下的数值模拟结果。

表3 3种工况下数值模拟结果Table 3 Numerical simulation results under three conditions

结合图3（a）可知，光伏板表面温度分层明显，平均温度为331.03 K。光伏板在PV/T集热器入口侧温度较低，这是因为入口侧空气与吸热板间的换热量较大，随着空气沿流动方向不断被加热，空气与吸热板间的温差减小，换热能力逐渐下降，导致PV/T集热器出口侧光伏板温度明显升高。

结合图3（b）可知，光伏板平均温度显示308.05 K。水管间光伏板温度明显高于水管正上方的光伏板温度，说明水能够有效吸收光伏板的热量。进一步结合图3（a），3（b），水冷模式相比于空冷模式具有更低的光伏板温度，这是因为水的高热容性，使得换热量较空气大幅提升。PV/水模式的综合效率相对PV/空气模式能够提升37.11%。

结合图3（c）可知，光伏板的平均温度为307.3 K，相较于单工质模式，空气-水复合模式下光伏板温度降低的更为明显，这是因为双工质冷却循环提升了换热性能，吸收更多的热能实现PV/T集热器的多功能利用。复合模式下集热器热损为76.05 W/m2，相对PV/水模式下降了6.9%。

3.2 PV/空气集热性能参数分析

3.2.1 流量

图4为PV/空气集热模式在变流量工况下的电、热、综合效率变化曲线。

图4 空气质量流量对PV/T集热器性能的影响Fig.4 Effect of air mass flow rate on the performance of PV/T collector

由图4可知，随着空气流量的增加，各项效率呈现出增大的趋势，但增加幅度逐渐变缓。空气流量由0.01 kg/s增至0.065 kg/s过程中，热效率由20.75%上升至38.53%，电效率由10.51%上升至11.26%，综合效率由48.42%上升至68.18%。当空气流量超过0.04 kg/s时，系统各效率曲线的变化梯度显著降低，考虑到进口流量提升带来的能量损耗，PV/T集热器最佳运行工况为本模拟条件下空气集热的经济性流量0.04 kg/s。

3.2.2 进口温度

图5为空气流量为0.04 kg/s时，PV/T集热器进口空气温度对系统性能的影响。由图5可知，进口空气温度由273 K提升至323 K，热效率、电效率、综合效率由51.69%，11.83%，82.82%减少至19.14%，10.43%，46.59%。这是因为空气比热容较小，升高进口空气温度使得PV/T内部的热量传递减少，同时未被吸收的热能降低了光伏电池的转换效率，PV/T系统集热损失增加，整体工作效率下降。

图5 进口空气温度对PV/T集热器性能的影响Fig.5 Effect of inlet air temperature on the performance of PV/T collector

图6为PV/T集热器进口空气温度对系统进出口温差与光伏板温度的影响。

图6 进口空气温度对进出口温差与光伏板温度的影响Fig.6 Effect of inlet air temperature on temperature difference and PV panel temperature

由图6可知，随着PV/T集热器进口空气温度的增加，光伏板温度快速上升，但进出口空气温差却不断缩小，因此，在实际应用中，通过不断提高进口空气温度的方法来得到高温热空气是不合理的。

3.3 PV/水集热性能参数分析

3.3.1 流量

图7显示水为换热工质时，流量从0.01 kg/s变化至0.065 kg/s对PV/T集热器性能的影响。由图7可知，PV/T系统的效率随着工质流量增加逐渐增长。水流量由0.01 kg/s增至0.03 kg/s，PV/T集热器热效率从45.64%提升到53.7%，上升幅度为17.65%；水流量由0.03 kg/s增至0.065 kg/s，热效率从53.7%提升到55.46%，上升幅度仅为3.27%。相同情况下，电效率上升幅度为6.45%和

图7 水质量流量对PV/T集热器性能的影响Fig.7 Effect of water mass flow rate on the performance of PV/T collector

3.3.2 环境温度

图8为水流量为0.02 kg/s时，环境温度对PV/T集热器性能的影响。0.89%，综合效率上升幅度为12.15%和2.36%。这是因为，当质量流量大于0.03 kg/s时，由于吸热板与水之间换热能力有限，流速的增加对换热系数影响很小。综上所述，水集热工况下集热器的经济性流量为0.03 kg/s。结合图7和图4，在相同流量下，水冷型PV/T具有更高的综合性能。

图8 环境温度对PV/T集热器性能的影响Fig.8 Effect of ambient temperature on the performance of PV/T collector

表4为环境温度对PV/T集热器进出口温差与光伏板温度的影响。结合图8和表4可知，PV/T集热器热效率从34.38%增至61.78%，相对上升79%，电效率从12.47%降至12.17%，相对下降2.41%，集热器进出口温差逐步增长。这是因为环境温度的升高，减少了PV/T集热器和外部环境之间的对流换热与辐射散热，提升了热效率。另一方面，环境温度的上升导致光伏板冷却效果变差，引起光电效率的下降，但其波动幅度远小于热效率的提升。因此，提升环境温度有利于系统的综合性能，其综合效率从67.22%增至93.81%，相对上升39%。

表4 环境温度对进出口温差与光伏板温度的影响Table 4 Effect of ambient temperature on temperature difference and PV panel temperature

3.4 PV/空气-水集热性能参数分析

空气-水双循环工况下，同步改变空气、水的质量流量，图9为流量0.01～0.065 kg/s下PV/T集热器性能的变化曲线。由图9可知，流量由0.01 kg/s增至0.03 kg/s， 热效率从48.75%增至55.67%，涨幅14.19%；流量由0.03 kg/s增至0.065 kg/s，热效率从55.67%增至57.22%，涨幅2.78%。相同情况下电效率涨幅为3.67%与0.8%，综合效率涨幅为10.54%与1.76%。因此空气-水集热工况下推荐经济性流量为0.03 kg/s。由图7和图9对比可知，在PV/空气-水模式中，双工质冷却循环可以收集更多的热量，系统的热损失进一步降低，PV/T集热器的综合性能得到提升。

图9 空气-水质量流量对PV/T集热器的影响Fig.9 Effect of air-water mass flow rate on the performance of PV/T collector

4 结论

本文通过对空气-水双工质冷却循环PV/T集热器的三维稳态模型进行数值模拟，研究了不同工况下流量、温度对PV/T集热器性能的影响，分析模拟数据后可得到如下结论。

①变流量工况下（0.01～0.065 kg/s），PV/空气、PV/水、PV/空气-水复合模式综合效率分别从48.42%，76.94%，80.27%增至68.18%，88.29%，90.15%，但其效率变化趋势逐渐变缓，PV/水、PV/空气-水模式流量的最优值为0.03 kg/s，PV/空气模式流量的最优值为0.04 kg/s。

②PV/空气模式下，随着进口空气温度的升高（273～323 K），PV/T集热器的综合效率从82.82%下降至46.59%，较高的进口温度使得光伏板冷却效果降低，集热损失增加。

③PV/水模式下，环境温度从273 K增至313 K过程中，PV/T集热器热效率由34.38%提升至61.78%，但电转化效率相对下降2.46%，电效率的波动要远小于热效率，因此环境温度的升高能够提升PV/T系统的综合性能。

④相比于单工质循环的PV/T集热器，双工质PV/T集热器具有3种工作模式，进一步拓宽了PV/T集热器的适用范围，用户可根据季节、气候等不同应用需求选择适宜的工作模式。