兰州地区光伏集热器性能仿真分析

2023-11-16巴宗华陈玉英周文和

能源与环境 2023年5期

巴宗华陈玉英周文和

（兰州交通大学环境与市政工程学院甘肃兰州 730070）

0 引言

自1970 年代开始，国内外学者对光伏集热器进行诸多研究。肖瑶等［1-4］学者对不同结构的光伏集热空气器的性能进行多项研究，促进其性能的提升；胡边等［5-12］学者对不同结构的光伏集热热水器性能进行研究，但多限于单体装置的理论分析和实验工况；中国西北地区太阳能资源丰富，年日照时间可达3 200 h 以上［13］，但光伏集热器性能、应用等内容研究和应用参考亟需补充。

鉴于以上分析，利用数值仿真研究方法，搭建平板型光伏集热热水器性能仿真实验平台，以兰州地区气象参数为工况，对平板型光伏集热热水器性能进行仿真实验研究，得到兰州地区光伏集热器较为合理的运行参数，同时为光伏集热器的应用研究提供借鉴。

1 光伏集热器及能量传递模型

本文以盖管板式光伏集热热水器为研究对象。如图1 所示，试件面积约1 m2，集热器顶部盖板采用高透光率的低铁钢化玻璃，向下依次为利用层压技术附着于集热板上表面的光伏电池板，铜、铝或铜铝合金材料制成的集热板，附着于集热板下表面的冷却通道。同时，为防止热量散失，集热器周围及流体通道间隙用保温材料填充。

图1 板式光伏集热器结构示意图

光伏集热器吸收的总能量E 及电池转换电能Ev、环境散热量El以及有效热量Eu，分别按式（1）～（4）进行计算。

式中：Is为太阳辐射强度；τg为玻璃盖板透射率；αv、ηv、ηrc、βv、γ分别为光伏电池太阳能吸收率、光电效率、光伏层初效率、光伏层效率温度因数和光伏电池填充系数；APVT、Av分别为集热器外表面积、电池板有效面积；Tv、Trc、Tair分别为光伏电池实际和参考工作温度，以及周围空气温度；Eair、Esky分别为集热器环境对流和天空辐射散热量；对流和辐射综合作用下的集热器总热损失系数Ul按照式（5）进行计算。

式中：REVA、Ra、Rglass分别为EVA 材料、集热器空腔和玻璃盖板热阻；集热器外表面对流换热系数hair和等效辐射换热系数hrad分别按照式（6）和（7）进行计算，其中，Vwind、ε、σ 分别为环境风速、玻璃盖板发射率和斯蒂芬-玻尔兹曼常数，Tglass、Tsky分别为玻璃盖板和天空温度，通常Tsky=0.0552Tair1.5。

光伏集热器相关参数取值见表1。

表1 光伏集热器性能参数

此外，集热器玻璃盖板层数为1，流体介质比热容为4.19 kJ/（kg·K），组件热损失系数为0.4 W/（m2·K），集热器吸收率0.95，发射率0.05，玻璃盖板透光率0.916，光伏电池额定效率参考温度为25 ℃，电池填充系数为0.8。

2 光伏集热器仿真实验模型

2.1 气象参数分析

本文以兰州为光伏集热器目标城市，通过Meteonorm 软件对兰州市典型年气象数据进行调取分析。

图2 示出兰州典型年12 个月的月平均空气干湿球温度及相对湿度，兰州地区年平均干球温度为9.9 ℃，年平均湿球温度为0.9 ℃；1 月最冷，平均干球温度-4.1 ℃，平均湿球温度-12.5 ℃，平均相对湿度52%；7 月最热，平均干球温度22 ℃，平均湿球温度14.7 ℃，平均相对湿度63%。

图2 兰州典型年月平均温度和相对湿度

2.2 光伏集热器性能分析仿真模型

本文采用TRNSYS 软件搭建的光伏集热器性能实验仿真平台如图3 所示。仿真实验过程遵循如下假设：集热器内流体温度、速度分布均匀一致；集热器内流体各项物性参数不随温度变化；光伏集热器性能参数不因长时间运行而降低；忽略光伏集热器表面灰尘对性能影响。

图3 光热器仿真模型系统图

3 结果及分析

3.1 光伏集热器的倾角及方位角确定

根据《太阳能供热采暖工程技术规范》［14］，集热器的朝向宜设置在正南或南偏东、西30°范围内，安装倾角宜选择在当地纬度±20°范围内。为得到光伏集热器兰州地区的合理安装参数，首先通过仿真实验得到正南向安装倾角合理值，再得到合理的方位角。

图4 示出兰州地区光伏集热器正南朝向10°～55°安装倾角范围内全年太阳能入射量、供暖季太阳能入射量以及非供暖季太阳辐射量。由图5 可知，光伏集热器全年使用的安装倾角宜为30°，此时太阳能入射量为5 282.3 MJ；非供暖季安装倾角宜为10°，此时太阳能入射量为3 523.9 MJ；供暖季安装倾角宜为50°，此时太阳能入射量为1 939.7 MJ。

图4 正南朝向不同倾角年太阳能入射量

图5 不同方位角太阳能入射量

在确定光伏集热器全年、供暖季、非供暖季最佳安装倾角30°、50°、10°后，图5 示出3 种安装倾角下不同方位角太阳能入射量，当正南朝向时，3 种安装倾角的太阳能入射量均达到最大值。

3.2 入口水温的影响

光伏集热器集热介质入口温度关系光伏电池板的冷却效果、集热器集热量。在设置非供暖季安装倾角10°和正南向方位角、供暖季安装倾角50°和正南向方位角，并选取兰州地区典型最冷日和最热日气象参数前提下，对光伏集热器性能受集热介质入口温度进行分析，结果示于图6 和图7，光伏集热器入口流量为10 kg/h。

图6 非供暖季入口水温对集热器性能的影响

图7 供暖季入口水温对集热器性能的影响

图6 为集热介质不同入口温度条件下非供暖季典型日光伏集热器的发电率和集热率。上午9∶00，太阳辐射入射量为280.5 W，入口水温10 ℃，发电率为30 W，较同一时刻15 ℃和20 ℃，分别高1.4 W 和2.5 W；集热率为150.2 W，较同一时刻15 ℃和20 ℃，分别高17.6 W 和44.5 W。

下午14∶00，太阳辐射入射量达到全天峰值671.9 W，10 ℃入口水温时，发电率为64.7 W，较同一时刻15 ℃和20 ℃分别高0.6 W 和1.4 W；集热率为402.8 W，较同一时刻15 ℃和20 ℃入口水温时分别高7.7 W 和28.4 W。

由此看出，光伏集热器的光电性能和光热性能均随着入口水温的升高而降低。此外，9∶00～14∶00，随着太阳辐射入射量的不断增强，集热板温度升高，其对光伏电池板的冷却效果变差、与集热流体的传热量大幅升高，以致入口温度对光伏集热器性能减弱。

图7 为不同入口水温条件下供暖季典型日光伏集热器的发电率和集热率。上午10∶00，入口水温为10、15、20 ℃时其集热率分别为127.3、113.9、100.4 W，较同时刻非供暖季典型工况日分别减少115.6、112.1、105.7 W。下午13∶00 时刻，入口水温为10、15、20 ℃时的发电率均达到相应峰值，分别为73.0、72.2、71.3 W，集热率分为401.7、389.0、376.2 W。可以看出，由于供暖季典型日光伏电池温度相对较低、光电性能相对稳别定，不同入口水温条件下光伏集热器的发电率基本相同。由于供暖季9∶00～11∶00、16∶00～18∶00 等2 个时段的太阳辐射变化较大。典型日光伏集热器集热率波动较大，其余时刻，入口水温对光伏集热器的光热性能影响规律同非供暖季。

3.3 入口流量的影响

光伏集热器集热介质流量同样关系光伏电池板的冷却效果及集热量。在设置非供暖季安装倾角10°、正南向方位角和供暖季安装倾角50°、正南向方位角，并选取兰州地区典型最冷日、最热日气象参数前提下，本文对光伏集热器性能受集热介质流量的影响进行分析，结果示于图8 和图9，实验过程中光伏集热器入口温度为10 ℃。

图8 非供暖季入口水流量对集热器性能的影响

图9 供暖季入口水流量对集热器性能的影响

图8 为不同集热介质流量条件下非供暖季典型日光伏集热器的发电率和集热率。由图8 可知，下午14∶00，流量为10、20、30 kg/h 时的发电率为64.66、66.77、67.50 W。发电率和集热率均随流量的增大小幅提升，且流量＞30 kg/h 后，影响作用不再显著。

图9 为不同集热介质流量条件下供暖季典型日光伏集热器的发电率和集热率。上午9∶00，流量由10 kg/h 增至50 kg/h，光伏集热器集热率由77.36 W 增至90.57 W。下午13∶00，集热率达到各流量条件下的峰值，且差值相对增大。与10 kg/h 流量工况相比，流量为30 kg/h 时的光伏集热器集热率高约31.67 W，若继续增加流量，集热率提升效果相对减弱。因此，发电率和集热率随流量的变化规律与非供暖季相似。