梁子伟，简林桦，闫金州，关欣（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）



研究开发

PV/T集热器优化设计及实验

梁子伟，简林桦，闫金州，关欣
（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

摘要：光伏/光热（photovoltaic/thermal collector，PV/T）集热器是光伏光热系统的关键部件，其性能好坏直接决定着太阳能综合利用率的高低，因此 PV/T集热器的设计对光伏光热系统的性能研究有着重要的作用。本文对PV/T集热器结构和传热热阻进行了分析，采用Fluent软件对不同的辐照度、结构尺寸和流量共75种工况下的PV/T集热器的热性能进行了数值模拟；并对PV/T集热器进行了优化设计，根据设计结果搭建了试验台，对PV/T集热器的集热效率与发电效率进行了研究。研究结果表明：集热器内最佳冷却水流量为 0.008kg/s，光伏电池和集热面积最佳比D/W=0.4。随着归一化温差的增大，PV/T集热器的光电效率与集热效率均不断降低，光电效率预测值与实验值的最大误差22.5%，平均集热效率0.63，最大集热效率达到0.75。

关键词：PV/T集热器；热阻分析；数值模拟；光电效率；集热效率；优化设计；传热

第一作者：梁子伟（1990—），男，硕士研究生，从事高效换热器及强化传热方向研究。联系人：关欣，博士，副教授，从事高效换热器及强化传热方向研究。E-mail cindy-guan@163.com。

光伏热泵系统是一种全新的太阳能热电联用系统，光伏/光热集热器（photovoltaic/thermal collector，简写为PV/T集热器）是光伏热泵系统的一个关键部件。它的性能好坏直接决定着太阳能综合利用率的高低，因此PV/T集热器的设计对光伏热泵系统的性能研究有着重要的作用。

目前，学术界对空冷型PV/T集热器研究比较多［1-4］，纵观PV/T的研究和发展历程，空冷型PV/T集热器仍属于比较早期的研究对象，大部分是以冷却太阳电池为目的，由于空气的比热容较小，回收的热量往往比较分散，利用价值也比较低，于是人们又把目光逐渐集中在水冷型 PV/T。而水冷型PV/T集热器的研究对系统性能进行模型预测的较多，重庆大学崔文智等［5］对PV/T系统进行了动态特性分析，建立了太阳能PV/T系统的二维动态模型，并用Fluent软件模拟了PV/T系统的性能特征。中国科学技术大学季杰等［6-8］研究了光伏-太阳能热泵系统的综合性能，还设计了一种全铝扁盒式自然循环的PV/T热水系统，并对其进行了实验研究。汪云云等［9］建立了串、并联两种光伏连接电路的数学模型，分别在最大功率跟踪模式和定压运行模式下，对单晶硅、多晶硅、硅薄膜、三结非晶硅4种太阳电池组成的PV/T系统中的开路电压、短路电路、填充因子、最大功率、光电转换效率等关键参数受温度因素的影响进行分析。然而对于集热器的结构优化方面涉及较少，且目前的研究多集中在管板式结构方面。虽然也有一些集热效率高的结构提出，如二次吸热体结构［10］和双层吸收式流道结构［11］，但这些结构要么采用特殊的光伏电池导致成本高昂，要么增加了太阳能的辐射损失，降低光电效率，所以高性价比的PV/T集热器结构的开发是一个需要解决的问题。本文作者课题组针对这方面也做出了相关的研究，2010年刘鹏等［12］对PV/T系统进行了合理的假设，建立了一维数学模型，对光伏电池玻璃盖板表面温度、系统水箱中水的温度等变量进行了数值模拟，并搭建了PV/T系统综合实验台，对系统电性能与热性能进行了测试。2012年关欣等［13］提出了太阳能光伏热水系统概念，实现了对太阳能光伏发电系统中电池冷却系统的低品位热能的利用。

本文利用仿真技术对PV/T集热器进行优化设计，同时根据优化设计得到的结果搭建试验台，对PV/T集热器的集热效率与发电效率进行研究，为提高能源利用率提供理论基础。

1 PV/T集热器的热阻分析

PV/T集热器包括玻璃盖板、EVA胶膜、硅电池、TPT背板等几个部件。采用一种简易的管板式结构，它与一般的管板式PV/T集热器不同的是，采用矩形管代替原有的圆管，增加了管道与集热板之间的接触面积，如图1所示。各层材料的热物理性质如表1所示。

图1 PV/T集热器

表1 光伏集热器的各层热物性参数

从PV/T集热器的自身结构来看，太阳能电池产生的热量主要集中在中间层，而电池的厚度很小，从四周散失的热量非常低，因此近似可认为四周为绝热，热量全通过PV/T集热器的上下表面导出。根据传热学相关知识计算PV/T集热器各层之间的热阻的大致范围，如表2所示。

表2中，Ta为环境温度；Tb为背板表面温度；Tc为光伏电池节温度；Tg为玻璃盖板表面温度；Tsky为大气温度；Tw为冷却水温度。光伏集热器各层的厚度和导热系数由表1可以得出。

Tsky为大气温度，根据1967年Whiller提出的简化公式求得，见式（1）。

ha根据1977年Churchill提出的半经验关联式求得，见式（2），其中u为表面风速。

hb通过Burmeister公式计算，见式（3）。

表2 PV/T集热器各层热阻计算

式中，hw根据Nu=0.023Re0.8Pr0.4得出。

从表2可以看出，光伏组件各层的导热热阻相比辐射热阻和对流换热热阻，几乎可以忽略，因此可将光伏组件看成一个整体来考虑，然后根据热平衡式求出表面温度Tg和电池结温Tc之间的关系即可。因此光伏集热器可以简化为如图2所示模型。对硅电池各层列热平衡方程如式（4）～式（6）。

图2 热阻简化模型

代入数据，则可求出硅电池的温度表达式，见式（7）。

式中，H为PV组件表面接收到的太阳辐照度；α为PV组件对于太阳辐射的吸收率；ηpv为光电转化效率；D为冷却水槽道宽度；W为光伏电池的宽度；twi、two分别为冷却水进出口温度；Mw为冷却水的质量流量；qw为冷却水的吸热量。

由以上表达式可知，硅电池节温Tc只与组件表面温度 Tg、冷却水进出口温升 two-twi、质量流量Mw以及结构参数有关，因此可将组件看成一个整体进行分析，然后通过上述两式求电池节温Tc。

2 光伏集热器的结构优化

前人对于管板式PV/T集热器的管道均采用铜管作为材料，主要是出于提高系统的热性能角度考虑，而通过前面的热阻分析可知，实际上这部分导热热阻占总热阻很小的一部分，几乎可以不考虑，因此，从节约成本的角度，可把材料换成铝，在对实际换热性能影响很小的情况下，节约制造成本。

为分析铝制PV/T集热器性能的优劣，同时参考他人关于集热器的相关数值模拟工作［10］，本文利用Fluent软件对光伏热泵系统中需要用到的铝制管板式PV/T集热器的性能进行数值模拟。由上述分析可知，单晶硅电池的节点温度只跟PV/T集热器的表面温度、进口水温、环境参数以及集热器的结构参数等外部条件有关，因此，可以将PV板看成一个各向同性的平板，物性根据材料的比重折算成平均物性。具体数据如表3所示。

由于实际使用的光伏组件中硅电池一般按 4×9布置，在宽度方向近似处理成4个周期，因此宽度方向的计算域取实际尺寸的1/4即可，其三维模型如图3所示。

模型采用的边界条件如表4所示。

采用结构化网格划分方法对模型进行网格划分，并且对模型在太阳辐照度分别为400W/m2、600W/m2、800W/m2，光伏电池与集热器面积 D/W分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5，冷却水进口温度为282K，冷却水流量分别采为0.002kg/s、0.004kg/s、0.006kg/s、0.008 kg/s、0.010 kg/s共75种工况下进行仿真计算。具体的仿真计算结果如图 4与图 5所示。

冷却水流量为0.004kg/s下，不同D/W下的硅电池节温Tc热效率η曲线如图4所示。图4中Tc为单晶硅电池节温，D为冷却槽道直径，W为电池宽度，η为集热效率。由图4可以看出，随着集热器冷却管道接触面积和电池板表面积比D/W增大，电池板节温在不断降低，当D/W ＞0.4时，3个热流密度下太阳电池的节温均趋于平缓，说明再增加冷却管道的数量对于单晶硅电池的冷却效果已经不明显，且此时的集热效率也在较优的范围（40%～60%）。

表3 光伏组件的物性参数

图3 模型三维示意图

表4 物理模型边界条件

图4 不同面积比下的太阳电池温度和集热效率

D/W=0.4时，不同工况下各节点温度和集热效率如图5所示。由图5可知，随着流量的增加，硅电池节温呈下降趋势，集热效率同时在不断增大，说明增大冷却水的流量可既提高系统的集热性能，又降低硅电池的温度。且当冷却水流量为0.008kg/s时，再增大流量，对硅电池节温下降已不明显，说明此形式的 PV/T集热器性能较优的流量为0.008kg/s。

3 光伏热泵系统实验研究

根据相关设计计算结果，同时参考他人关于光伏热泵的相关工作及本课题组相关的研究工作，自行搭建了光伏热泵系统实验台，研究PV/T集热器的光电效率和集热效率。

3.1 实验系统简介

PV/T热泵系统如图6所示。系统主要包括PV/T集热器、蓄热水箱、蒸发器、压缩机、冷凝器、节流阀、恒温水箱及管路阀门等部件。

3.2 实验结果

3.2.1光电效率

由于在室外实验，辐照度、环境温度以及环境风速不能完全受控，实验时通过大量的测量数据，再筛选出环境参数尽量相同的实验数据拟合光电效率和温度之间的预测公式，见式（8）。

图5 不同流量下的太阳能电池温度和集热效率

图6 光伏热泵系统实物图

图7 PV/T光电效率

其中参考温度Tr选为25C°，光电效率的实验值和预测值如图 7所示，预测值的误差上限为22.5%。

3.2.2 集热效率

集热器的集热效率计算公式如式（9）。

式中，G为集热器单位面积的辐照度，W/m2；τα为集热板的透射比与吸收比的乘积；K为集热器表面与外界环境的换热系数，W/（m2·K）；Ti为吸热板温度，℃；Ta为环境温度，℃。

对光伏热泵系统中的PV/T集热器的集热效率进行测试，当日平均风速 0.7m/s，平均环境温度26.5℃，根据实验数据拟合集热效率和归一化温差之间关系如图8所示。由图可见集热器的热效率不是常数而是变数，集热器的效率与集热器工作温度、环境温度和太阳辐照度有关系。集热器进口水温度越低或环境温度越高，集热器热效率越高；反之，集热器工作温度越高，环境温度越低，集热器的热效率越低。

随着归一化温差的增大，PV/T集热器的集热效率不断降低，平均集热效率0.63，最大集热效率达到0.75，根据实验数据拟合的PV/T集热器集热效率预测公式如式（10）。

冷却水进口温度为282K时，根据实验数据得出集热效率分布如图8所示。

图8 PV/T集热效率

4 结 论

本文主要对PV/T集热器的传热过程进行了热阻分析，并利用Fluent中工况下的PV/T集热器的热性能进行了数值模拟，并且搭建了试验台，进行了相关实验，得出如下结论。

（1）对于管板式PV/T集热器，管道自身材料的导热热阻占整个热阻比例很小，几乎可以忽略，因此管道可以采用较为便宜的铝材，这样能在对系统的集热性能影响不大的情况下，节省制造成本。

（2）根据模拟计算的结果可知，随着冷却水流量和光伏电池与集热面积比D/W的增加，PV/T集热器的集热效率逐渐增大，但存在一个相对经济且性能较优的流量0.008kg/s，和一个较佳的结构尺寸D/W=0.4。

（3）根据大量实验数据拟合出了PV/T集热器光电效率和集热效率公式。随着归一化温差的增大，PV/T集热器的光电效率与集热效率均不断降低，光电效率预测值与实验值的最大误差22.5%，最大平均集热效率0.63，最大集热效率达到0.75。

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Optimization design and experimental study on collector of photovoltaic/thermal

LIANG Ziwei，JIAN Linhua，YAN Jinzhou，GUAN Xin
（School of Energy and Power Engineering，Shanghai University of Science and Technology，Shanghai 200093，China）

Abstract:The photovoltaic/thermal（PV/T） collector is a critical component of the photovoltaic thermal system. Performance quality directly decides high or low of comprehensive utilization of solar energy. Therefore，the design of the PV/T collector has an important role on research in the performance of the photovoltaic solar-thermal system. In this paper，the analysis structure and heat resistance of the PV/T collector，simulation of the thermal performance of the PV/T collector in aluminum tube plate under 75 kinds of working conditions，including irradiance types，structure size and flow conditions by using the Fluent software，and optimal design for the PV/T collector，according to the result of design to build the test rig，the collection efficiency and power efficiency of PV/T collector were studied. The results showed that the better cooling water flow rate （Q=0.008kg/s） and area ratio （D/W=0.4） of the collector were obtained. With the increase of the normalized temperature difference，the photoelectric efficiency and the collection efficiency of PV/T collector decreased. The maximum error of the predicted values and experimental values of the photoelectric efficiency was 22.5 percent. The average collection efficiency is 0.63. The county thermal efficiency reaches 0.75.

Key words:photovoltaic/thermal collector（PV/T）；thermal resistance analysis；numerical simulation；photoelectric efficiency；collection efficiency；optimal design；heat transfer

中图分类号：TK 519

文献标志码：A

文章编号：1000-6613（2016）05-1326-06

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.05.010

收稿日期：2015-11-06；修改稿日期：2015-12-15。