093347吴晓敏 水冷肋片型PVT集热器换热性能的数值模拟Word文件下载.docx

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太阳能光伏光热一体化（Photovoltaic/Thermalcollector，PV/T）系统整合了太阳能光伏电池和集热器的功能，既疏导了热量以保证光电转换效率又实现了能量的梯级利用。

本文数值模拟研究了含有肋片的水冷型PV/T集热器的换热特性，分析了水的入口温度和流速以及肋片结构参数等对集热器上表面PV光伏电池温度及出口水温的影响，指出降低入口水温、增大水流速均可以降低PV板温度，从而提高光电效率和热效率，但出口水温降低。

关键词：

太阳能光伏光热一体化系统集热器热电联用光伏效率

0引言

在光伏发电的实际应用中，照射到光伏电池板表面的太阳能80%以上未能转化为电能[1]，而是转化为热量，使电池温度升高，导致电池光伏效率下降[2]。

1978年Kern和Russell[3]提出了太阳能光伏光热一体化系统的概念，通过工质循环回收太阳能电池的热量，一方面保证了电池效率，另一方面又获得了可利用的热能，即综合了太阳能电池和太阳能集热器的功能，符合能量梯级利用的原则，因而是一种高效的太阳能利用方式。

而PV/T集热器的结构参数及运行条件将直接影响PV/T的光伏光热特性。

1水冷型PV/T集热器的数值模拟

以带肋片的水冷型平板式PV/T集热器（图1）为研究对象，利用Fluent软件数值模拟出上表面温度和出口水的温度变化。

图1水-肋片平板式PV/T集热器结构图[4]

针对PV/T系统的工作情况，通过文献调研，对PV/T集热器做如下假设与取值：

上表面（即PV板底面）为等热流密度，且热流密度取为400W/㎡[5,6];

下表面（吸热板）为等温，温度取为55℃[7]；

模型为三维准稳态[1]；

由于PV光伏电池板对可见光等光段的强吸收，透射光对流道内水的热效应很小，所以忽略掉；

流速小，流动为层流，对流换热[1]；

入口界面宽1000mm，高50mm，长1000mm，其中20条直肋片（如图2a所示）。

取出其中一个单元作为计算模型，图2（b），在Fluent中建模计算，考察入口水温Tin，入口流速Uin，肋片高宽比w（恒定肋片截面积）等参数对结果的影响。

（a）PV/T集热器横截面图

图2集热器模型简化图

（b）计算单元

首先，在入口水温Tin=288K，入口流速Uin=0.005m/s[8],肋片数N=20，肋片高40mm，宽10mm的条件下进行数值模拟，数值模拟的收敛情况良好。

图3为该条件下，集热器出口水的温度分布情况，出口水平均温度为302.5K。

图3初始值参数下出口水温度分布

图4为贴近PV板底面水的温度分布情况，该平面平均温度为297.5K。

出口

入口

图4初始值参数下PV板底面温度分布

1.1入口水温的影响

图5（a）表示出口水温和PV板底面温度随入口水温的变化；

图5（b）为集热器出口与入口水温之差随入口水温的变化。

图5（a）出口水温和PV板底面温度随入口水温的变化

图5（b）集热器水出入口水温差随入口水温的变化

从图5（a）（b）中可以看出，随着入口水温的升高，出口水温和PV板底面温度都升高，但水的出口入口温差降低，因为此时流道内流体与壁面温差减小，带出的热量相应减少。

所以PV/T系统在实际应用中使用温度低的入口水，一方面可以得到较低的PV板电池温度，从而提高光电转换效率；

另一方面可以获得较多的热能，即较高的热效率，但是水温要低。

1.2入口流速的影响

改变入口流速，使之从0.001m/s变化到0.010m/s，数值模拟所得出口截面水温度分布：

（a）Uin=0.001m/s

（b）Uin=0.0015m/s

（d）Uin=0.003m/s

（c）Uin=0.002m/s

（f）Uin=0.010m/s

（e）Uin=0.005m/s

图6不同入口流速Uin下出口截面水温的分布

图6为6种入口流速下出口截面温度的分布，由于流速较慢，流道内水流雷诺数小，流动为层流。

提高流速后部分流体未来得及发生热传递便流出。

因此如果要得到温度较高的出口水来供给日常需要，可以通过缩小流道面积的方法来实现，但是相应的上表面PV板的温度也随之升高，使电效率下降。

图7a入口流速对出口水温和PV板底面平均温度的影响

Vin=0.001m/s

图7b入口流速Uin对换热量Q的影响

图7a为入口水流速对出口水温以及PV板底面平均温度的影响，从中可以看出，随着入口流速提高，出口水温和PV板底面平均温度降低。

在流速低于0.003m/s段，温度下降趋势明显，原因是上表面的等热流密度边界条件起到决定性作用；

高于0.003m/s段，温度变化平缓，下面的吸热板和肋片的等温边界条件开始起到主要作用。

图7b中可以看出，随着入口流速提高，虽然出口水温降低，温差降低，但是因为流量大，换热量也大，因而有更高的热效率和电效率。

所以应结合用户的用热水量及水温需求，选择合适的入口流速来得到温度高的热水或者更多量的温度稍低的水。

1.3肋片高宽比w的影响

恒定肋片的截面面积，改变高宽比w，选取4个w值分别进行数值模拟，得到如图8所示的一组出口截面水温的分布。

（a）w=20mm/10mm=2

fVin=0.005m/s

（b）w=30mm/6.67mm=4.5

（d）w=45mm/4.5mm=10

（c）w=40mm/5mm=8

图8不同肋片高宽比下出口截面水温分布

图8可以看出，小的高宽比w可以使上表面PV面的温度在Y方向（即集热器的宽方向）上温度分布更加均匀，而大的高宽比w使之在此方向上有明显的温差。

图9肋片高宽比w对出口水温和PV板底面平均温度的影响

图9中得到在肋片截面积恒定的情况下，高宽比w越大，即肋片越高，出口的温度就越高，而PV面的温度也越高。

PV面温度随w增加上升更加明显。

1.4肋片数量的影响

在本PV/T集热器中，肋片的数量改变时，对于数值模拟的计算单元来讲，就是改变了其宽度，由此当肋片数量在15~50之间变化时，得到一系列结果如下图10所示。

（c）N=25

（b）N=20

（a）N=15

（f）N=40

（e）N=35

（d）N=30

（h）N=50

（g）N=45

图10不同肋片数下出口水平均温度的分布

图11肋片数量对出口水温和PV板底面平均温度的影响

肋片数越多，肋片在PV/T集热器的流道内就越密集，而流通面积也就越小，相同流率的情况下，流速也就大。

这样在流道横截面形状和流速的共同作用下产生了上面的8种不同的出口水温的分布情况。

结合图11，随着肋片数目的增加，流速增加，PV板底面的平均温度缓慢降低，变化不明显。

而出口水的平均温度增加呈上升趋势，但是在接近50时上升减缓，推测50之后变化应该有下降趋势，因为图中被加热温度高的部分水占得比例逐渐减少。

需要指出的是，PV/T集热器中，部分太阳辐射能量透过PV电池板之后被下层吸热板吸收的部分是有限的，肋片数量变化时，吸热板的温度也应是变化的。

另外肋片数量增加，意味着要制造更多的肋片安装在吸热板上，这样经济性也会变差。

肋片数量在一定范围内增加时不仅会提高热效率，而且电效率也会相应增加，所以增加肋片数量是一种很好的提高PV/T集热器性能的一种方法。

2结论

本文数值模拟了水冷肋片型PV/T平板集热器在不同入口条件，不同结构参数下的换热情况，通过分析出口水端面和PV板底面温度分布情况，进一步明确了各参数对这两个温度的影响。

在实际应用中，可以根据用水用热需要来选取合适的参数来达到理想效果。

参考文献

[1]苏嘉琛．光伏/光热一体化系统的理论分析与实验研究：

［硕士学位论文］．北京：

清华大学热能系，2008

[2]Green,MA,Zhao,JH,Wang,AH,etal.Veryhighefficiencysiliconsolarcells-scienceandtechnology[C].IEEETransactionsonElectronDevices,Oct.1999,46（10）:

1940-1947

[3]KernJr.E.C.,RussellM.C.Combinedphotovoltaicandthermalhybridcollectorsystems[C].InProceedingofthe13thIEEEPhotovoltaicSpecialists,WashingtonDC,USA1978：

1153-1157

[4]SwapnilDubey,S.C.Solanki,ArUindTiwariEnergyandexergyanalysisofPV/Taircollectorsconnectedinseries,EnergyandBuildings（2009）

[5]苏忠贤，周建军，潘玉良固定式太阳能光伏板输出功率的若干问题：

《机电工程》Vol25Dec2008

[6]季杰，陆剑平，何伟，周天泰，裴刚一种新型全铝扁盒式PV/T热水系统：

《太阳能学报》Vol27Aug2006

[7]J.K.Tonui,Y.Tripanagnostopoulos.Air-cooledPV/TsolarcollectorswithlowcostperformanceimprovementsSolarEnergy81（2007）498-511

[8]T.T.Chow.Performanceanalysisofphotovoltaic-thermalcollectorbyexplicitdynamicmodel.SolarEnergy.2003,75

（2）:

143-152