对光伏热水墙体光电光热性能的数值模拟研究.docx
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对光伏热水墙体光电光热性能的数值模拟研究
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第27卷 11期第
2006年11月
太 阳能学报
ACTAENERGIAESOLARISSINICA
0 引言
BIPV的多功能性。
文章编号:
025420096（2006）1121089208
1
对光伏热水墙体光电光热性能的数值模拟研究
季 ,韩 ,周天泰,何 ,裴 ,陆剑平杰俊伟刚
（11中国科技大学热科学和能源工程系,合肥230027;21香港城市大学建筑科技学部,香港）
[1]
1
2
1
1
1
摘 :
采用数值模拟的方法动态地分析了光伏热水墙体的光电光热特性,并就系统中电池覆盖率、要工作流体质量流率对系统热效率和电力输出的影响进行了研究,得到了系统优化设计的性能参数。
关键词:
光伏热水墙体;工作流体质量流率;电池覆盖率;光电光热性能中图分类号:
TM615 文献标识码:
A
在建筑围护结构外表面上铺设光伏阵列提供电力即光伏建筑一体化（BIPV）,是现代太阳能发电应用的一种新概念,也是美国、日本、欧洲等国倡导的太阳能光电应用的发展方向。
光伏电池的性能受
电池工作温度的影响,随着工作温度的上升而下降。
如果直接将光伏电池铺设在建筑表面,将会使光伏发电效率明显下降键问题。
[2,3]
电池在吸收太阳能的同时工作温度迅速上升,导致
所以如何保持光伏电池较低
的工作温度以提高发电效率是BIPV系统应用的关
与光伏建筑一体化（BIPV）相比,光伏光热建筑一体化（BIPVΠ）则是一种应用太阳能同时发电供热T的更新概念。
该系统在建筑维护结构外表面设置光伏光热组件或以光伏光热构件取代外围护结构,在提供电力的同时又能提供热水或实现室内采暖等功能,它较好的解决了光伏模块的冷却问题且增加了降低了15℃,提高了模块电力输出
[4]
采用空气通风流道对PV模块进行冷却,使电池温度。
但是,如果通风冷却后的热空气直接排入大气,这在一定程度上民生活用热水约占建筑能耗的17%
[1]
将会降低对太阳能的利用程度。
考虑到香港地区居
因此设想将
光伏阵列需冷却带走的热量加以利用,即:
转换成生活用热水。
出于这种思路,JiJie和HeWei（2003）提
收稿日期:
2005206209 基金项目:
国家自然科学基金（50408009）
B1J1BRINKWORTH（1997）和YangH1X（1997）曾
出了一种新的水冷却模式,即光伏热水一体墙（Hy2bridphotovoltaicΠthermalcollectorwall）。
通过对其进行理论模拟表明,作为与建筑外围护结构结合的光伏光热一体化系统的光伏热水墙体在保证电力输出的同时,降低了由于生活用热水增加的建筑能耗,另外对由于墙体得热造成的室内空调负荷的减少达到系统提供了一种新的思路
[5,6]
50%以上,为建筑节能和推广光伏光热建筑一体化
。
许多学者对PVΠcollector进行了研究,但对像T本文所提到的由多个PVΠcollector组成的光伏光热T系统的研究还很少。
Y1Tripanagnostopoulos对不同结光热性能,发现在高太阳辐照度和高环境温度地区,以水为工作流体的系统性能优于以空气作为工作流[7]体的系统性能。
T1T1Chow（2003）对PVΠcollector的性能进行T有限差分方法基础上的预测系统光电光热性能的动[8]态模型。
冷却模式对PVΠcollector光电特性的影响T,但没有考虑光电光热综合利用的因素,如电池覆盖率
H1P1Garg,Hayakshi1B和Bergene1T也讨论了水
[9～11]
构的PVΠcollector进行了实验测试和分析研究。
结T果表明系统总能量输出（电能和热能）依赖于太阳辐照度、环境温度、风速和复合光伏光热模块的制作工艺以及所采用的热转移介质（空气或水）;通过比较PVΠcollector在不同工作流体（空气和水）下的光电T了理论模拟研究,作者针对现有PVΠcollector只有T稳态模型这一问题,提出了一种建立在控制容积-
Vol127,No111
Nov1,2006
1090
太 阳能学报
27卷
1 系统简介
以及采用水冷却模式时、工作流体质量流率同时对系统光电性能和光热性能的影响。
对于工作流体质量流率对系统热性能影响这一方面的研究已有相关报道。
A1H1Fanney（1988）讨论了强制循环太阳能热水系统不同质量流率对系统[12]热效率的影响。
H1P1Garg（1995）讨论了带有光伏水泵的强制循环热水系统中不同质量流率和不同水箱容量对系统性能的影响,得到了系统的最优质[13]量流率。
光伏热水墙体存在着两种能量收益即电能和热能,它能同时满足建筑的不同能耗需求,这就决定了该系统不同于传统的单一的BIPV系统和单一太阳能热水系统。
作为光伏光热建筑一体化系统整体而言,为了取得系统最佳性能以获得理想的收益,在改善光伏模块的冷却效果提高电力输出的同时,还必须考虑对系统光热性能带来的影响,因此有必要同时分析影响系统热效率和电力输出的各个因素,诸如工作流体质量流率和电池覆盖率等。
本文实验系统为中国科技大学与香港城市大学
图1 光伏光热一体化系统简图
Fig11 SchematicofhybridphotovoltaicΠthermalsystem
本课题组设计建立的光伏光热一体化系统采用中国科技大学自行研制的新型全铝扁盒式光伏集热模块,以水作载流介质进行封闭循环。
该系统结构简单、无易损机械部件,具有较好的电、热性能,适合于城市建筑使用,提供并网电力和热水。
对于复合光伏光热系统部分而言,光伏电池组件与吸热板的结合是核心问题。
实验系统光伏电池组件与吸热板结合的方式为:
将太阳电池组件粘贴在吸热板表面,构成光伏光热复合吸收板。
其中光伏电池组件采用特殊制作工艺,将各层包括硅胶、TPT（TedlarPolysterTedlar）和带EVA（EthylVinylAce2光伏组件专用设备真空层压机内抽真空紧密压制,保证密封良好,各层接触紧密。
再以粘贴好光伏电伏光热复合模块。
该复合模块包括一层4mm厚低池组件的光电光热复合吸收板为核心,组成一个光铁玻璃盖板,2cm厚空气夹层,光伏光热复合吸热板,以及聚氨酯发泡材料背板绝热层,整体用铝合金边框组装,橡胶条密封。
结构示意如图3。
图2 光伏集热模块结构简图
tate）的电池按照图2的顺序叠放,送入商业化生产
合作项目中目前正在香港建造的光伏光热建筑一体T化（BIPVΠ）大型系统中的一部分,即与建筑墙体结合的复合光伏光热系统部分。
BIPVΠ大型系统包T括:
热箱系统、复合光伏光热系统、空调系统以及控制和测试系统。
将通过对实验系统进行全年的实验泵。
6块光伏光热复合模块布置在可对比热箱的南立面,如图1所示。
测试,得到在香港地区这种BIPVΠ系统的光电光热T性能和对室内热负荷的影响,研究在香港地区的应用前景。
这里主要介绍复合光伏光热部分,包括6块光伏光热复合模块,1个420L的水箱以及1个循环水
2 理论模型
211 光伏集热模块热流网络分析
光伏集热模块的热流网络如图4所示。
总热损
系数包括顶部热损系数、底部热损系数和边框热损系数,即:
Fig12 SchematicofphotovoltaicΠthermalmodule
图3 光伏集热模块横截面
Fig13 Cross2sectionofthePVΠpanelT
11期
季 杰等:
对光伏热水墙体光电光热性能的数值模拟研究
1091
UL=Utop+Ubottom+Uframe
（1）
顶部热损系数是吸热板温度Tp,环境温度Tambi,风速vw,盖板的层数N,盖板和吸热板的发射率ε和gε及复合模块倾角β的函数。
对于顶部热损系数,p忽略电池热容的影响可采用下述公式
Utop=[
[14]
:
1
hw
σ（Tp,m+Ta）（T+T）（ε+0100591Nhw）-1+[（2N+f-1+01133p）Πg]-Nεεp
2p,m2a
式中:
N———玻璃盖板数目。
若0°β<70°C=520<,2（1-01000051β）;若70°β<90°则用β=70°<,计算
C。
Tp,m———吸热板平均温度,K;hw———外表面对
（2K流换热系数,hw=218+310vw,WΠm?
）;ε———玻g
璃的发射率;ε———复合板的平均发射率。
公式中p系数e和f分别由下式给出:
e=0143（1-100ΠTp,m）
图4 热网络示意图
复合模块边框热损系数Uframe由下式给出
Uframe=Ke2（CL+CW）Ch?
leCL?
WC
式中,CL———复合模块长度,m;CW———复合模块宽度,m;Ch———复合模块高度,m;Ke———复合模块边
（K缘材料热传导系数WΠm?
）,le———边框厚度,m。
温材料,直接安装在建筑的南立面上,它与混凝土墙体结合紧密,保温性能良好,可假设为绝热。
f=（1+01089hw-011166hwε）（1+0107866N）p
Fig14 Thenetworkofthermalflux
[15]
复合模块背（底）部采用3cm厚聚氨酯泡沫作保
（CΠTp,m）[Tp,m-Ta）ΠN+f）]（
N
e
+
]
-1
+
（2）
（3）（4）
:
（5）
ξ———定义的无量纲参数,电池覆盖率（Packingfac2tor）,如下所示:
ξ=
AcellAcol
212 光伏集热模块的能量平衡
+22
光伏集热模块热量收益Qu为复合模块吸收的
太阳辐射能与电池输出电能和热损失之差。
光伏集热模块垂直安装在建筑的南立面上。
为简化分析,忽略太阳入射角对玻璃透过率的影响;光伏电池薄片厚度相对于吸热板较薄,忽略了电池薄片对板热转移因子的影响;光伏电池的效率假设为复合板的平均板温下的发电效率,则有:
ααξ） Qu=FRAcol[S1τ（1-ξ+S2ττη-Sξcell-UL（Tint,f-Tambi）]
+
（6）
式中“”,号表示系统中含有控制器,等号右边为正时它才起作用。
当QuQmin是泵维持运行的极限条件,即工作流体通过系统的最小得热。
此处Qmin设定为太阳辐照度为50WΠ时模块的热量收益。
当太阳辐照度小于m（此“极限辐照值”thresholdradiationlevel）,水泵将停
22电池面积,m;η———电池效率;s———太阳辐照度,cell
止运行。
Acol———复合模块的集热面积,m;Acell———
WΠ;α——m1—吸热板的吸收率;α———光电池的吸2（度,℃;UL——块的总热损系数,WΠm?
）;—模℃
2
收率;τ———玻璃的透过率;Ttank,m———水箱平均温
（7）
FR是模块的热转移因子,由下面的式子表示FR=mCf,pAcolULF′）][1-exp（AcolULmCf,p
[16]
:
（8）
式中,F′—效率因子;Cf,p——的比热容,为———水对于扁盒式太阳能集热器:
F′=
（4189JΠkg?
）。
K
1
1+
ULhf,i
（9）
式中,hf,i———矩形流道内流体与管壁的对流换热系数。
对于流道内的层流流动
[17]
NuD=
hf,iDhK
（10）
（K式中K———水的热传导系数WΠm?
）;Dh———水力
直径
[18]
:
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太 阳能学报
27卷
Dh=
4AC
P
2
（11）
u=
其中AC———流道的横截面积,m;P———流道的润湿周长,m。
由于模块和水箱之间的连接管保温良好,通过计算发现水箱出口的工作介质在管路中由于与环境之间的换热而导致的温降不足1℃,可以忽略连接管路的热损失,认为模块进口水温Tint,f等于水箱平均水温Ttank,m,Tint,f=Ttank,m。
213 水箱的能量平衡
3
其中d———连接管内管径,m。
对于层流管内摩擦因子:
-1f=16（Re）对于湍流管内摩擦因子:
f=01079（Re）
214
其中Reynolds数由下式给出:
ρudRe=μ
对水箱,忽略箱体的热容,
流体在水路系统强制循环时流经诸如“三通”、“阀门”等产生的局部压头损失:
（12）
本文分析的光伏集热复合模块是在铝板的表面直接粘上一层多晶硅光电池加工而成。
工质经过平板中冷却流道对光伏模块进行冷却。
为了计算,作如下假设:
电池处于平均吸热板温下,光伏光热复合模块得到的太阳辐射能除模块热损外,一部分被电池吸收转化为电能,一部分能量被冷却流道中的水获得。
联立方程（6）和（12）,5Ttank）ααξVtankρCf,p=FRAcol[S1τ（1-ξ+S2τf5t
3[8]
τηSξcell-UL（Tint,f-Tambi）]-（UA）tank（Ttank,m-Tambi）
（13）
式中:
Vtank———水箱的体积,m;ρ———流体的密度,f度,℃;η———电池处于平均板温TP下的发电效cell率,它与电池温度有如下线性关系:
η=η[1-β（Tp-Tr）]cellrr
（14）（kgΠ;1ΠUA）tank——m—水箱总热阻;Tambi———环境温
其η中———在参考温度Tr下的参考电池效率。
在r
水泵驱动下由于摩擦阻力在管路中产生的压头损失δloss由下式给出:
hδlossh
4flu=?
Dh2g
2
25℃,β=010045时,η=12%。
rr214 强制循环所需的泵耗
其中f———摩擦因子;l———管长,m;Dh———水力直径,m;u———流体平均速度mΠ,它与质量流率关系s如下:
5TtankVtankρCf,p=Qu-（UA）tank（Tint,f-Tambi）f5τ
δf=kbu（20）h2g当工作流体以质量流率m在系统中作强制循环时,循环所需的泵耗w为:
Δmp（21）P=ρ其中kb———局部阻力系数;Δp———由于管路摩擦产生的压力降,NΠ,由下式给出:
mΔp=ρ（δloss+δf）hgh
2
本文考虑的系统为强制循环系统。
工作流体在
（15）
215 系统性能参数
诸参数的动态数值模拟可以获取理想的系统性能参数。
21511 循环管路系统图5反映了BIPVΠ水路系统采用不同循环管T径与水泵所需能耗之间的关系。
从图中可以清楚的看到,采用较大循环管径有利于降低热水循环所需的泵耗。
随着管径从10mm增加到15mm,如再增加管路直径,势必增大管路和环境的换热面积从而增
大管路热损。
同时也带来不必要的材料浪费。
在流率范围内,系统采用25～30mm管径能够保证最小循环泵耗和最大输出电功率。
21512 质量流率质量流率m是影响系统热性能的重要因素。
影响光伏光热建筑一体化系统（BIPVΠ）光伏光T热性能的因素有很多,除了诸如太阳辐照度、环境温度和风速等气象因素的影响外,还包括来自系统自身各个部分的影响以及运行模式的影响等。
对系统参数的分析能够预测系统性能或者预测当系统一个参数改变时对系统输出带来的影响。
因此通过对影响光伏光热建筑一体化系统（BIPVΠ）光伏光热性能T
ρd2Ππ4
m
（16）
（17）
（18）
（19）
（22）
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对光伏热水墙体光电光热性能的数值模拟研究
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图5 泵耗和系统管径的关系
Fig15 Pumpingpowerforthecircuitasafunctionofcircuitpipesize
在确定的天气状况下,质量流率决定了复合模块的出口水温,直接影响到热效率η值的大小。
系统热col效率随质量流率m的变化如图6所示。
图7 质量流率对系统热效率的影响
坏水箱的温度分层,掺混后的水箱底部温度高于分层时的水箱底部温度。
这样大流率导致集热器瞬时效率随着进口温度的增加而降低。
另一方面采用较大质量流率的循环方式也会增加驱动热水循环的水泵的能耗,从而降低BIPVΠ系T统输出电功率。
从图5不难看出,当循环管路直径为25mm,系统质量流率从0107kgΠ增加到0109kgΠss时,驱动水泵循环所需的功率将增加33%。
若管径小于25mm时,由于质量流率增加带来的泵耗会更
[12]
图6 质量流率对系统热效率的影响（小流率范围内）
从图6中可以看到,在一定流率范围内系统热效率随质量流率的增加而增加。
这是因为在系统中,质量流率的增加提高了模块的热转移因子FR
（热转移因子是综合反映集热器吸热板的传热性能
和载热流体传热对集热器性能影响的无因次参[14]数）。
FR的增加使模块热量收益增加,则系统热效率增加。
但是质量流率增加到一定范围,系统热效率不再增加,而是存在着一个“临界流率”经过此,流率以后系统热效率开始下降,如图7。
在强制循环热水系统中水流率一般较大,较大的质量流率将会带来水箱内热水的剧烈掺混从而破
Fig16 Theeffectiveofmassflowrateonthermalefficiency
大。
相反较小的质量流率下,模块的集热性能较低。
由模块产生的温度较高的热水不能及时泵入水箱中,而模块的热损大于水箱的热损,所以在较低的质量流率下,模块不能起有效收集太阳能的作用,故此时瞬时效率较低。
同时较小的质量流率会导致模块阵列由于阻力不平衡而引起水利失调。
从上面对系统不同质量流率范围讨论发现,系（统存在一个“最优质量流率”OptimumMassFlowRate）,因此对于定流量系统,水泵的质量流率取流率范围内的临界流率,能够提高系统热性能同时也降低系统运行能耗。
图8反映了工作流体不同质量流率对复合板温度和电池效率的影响。
从图中可以看到:
在质量流率为0101kgΠ时,板温较高从而使电池工作温度升s高,不利于光伏模块的电力输出。
Fig17 Theeffectiveofmassflowrateonthethermalefficiency
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图8 工作流体不同质量流率对板温和电池效率的影响
Fig18 TheeffectiveofmassflowrateontemperatureofabsorberplateandcellefficiencyFig19 ElectricpowergainofBIPVΠT
随着质量流率的增加,太阳电池的发电效率有所提高。
这是因为在一定流率范围内,质量流率的增加有利于对电池的冷却,使电池保持较低的工作温度,电池效率相应提高。
当质量流率继续增加的时候,对光伏模块的冷却效果不再明显,如图9中第二天和第三天的电力输出在质量流率增加时不再有明显的提高,比较第三天的电力输出结果发现其电力输出增加值不到10W。
另外如果系统使用较大的质量流率运行,大流率下会加大水箱内热水的掺混程度,使光伏光热模块进口水温提高,从而又会导致系统热效率的下降。
因此作为光伏光热建筑一体化系统整体而言,为了取得系统最佳性能,质量流率取系统最大热效率下对应的热效率即可保证系统最优热性能也能同时满足对光伏模块的冷却要求获得比较理想的电力输出。
21513 电池覆盖率
图9 BIPVΠ的电力输出T
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