兰州地区光伏集热器性能仿真分析.pdf

传源卤环境清洁能源ISSN1672-9064CN35-1272/TK兰州地区光伏集热器性能仿真分析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7 30 0 7 0)摘要光伏集热器将光伏电池与集热器相结合，以实现光伏和光热资源的双效产出，在太阳能资源丰富地区应用潜力巨大，但工程应用研究的空白函待弥补。利用TRNSYS软件搭建光伏集热器实验仿真平台，以兰州为目标城市，对其性能与安装角、相关运行参数的关系进行了分析。结果表明：兰州地区全年、供暖季和非供暖季光伏集热器的安装倾角宜分别为30 50 和10，安装方位角宜为正南向相同条件下，光伏集热器的太阳能转换效率随入口水温升高而降低，而入口水流量的增大有益于太阳能转化效率，其效果并不显著。关键词太阳能利用光伏集热器中图分类号：TM513.1;TM615TRNSYS仿真文献标识码：A文章编号：16 7 2-90 6 4(2 0 2 3)0 5-0 6 4-0 50引言自19 7 0 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32 0 0 h以上13,但光伏集热器性能、应用等内容研究和应用参考驱需补充。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1m，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。保温层玻璃盖板冷却流道图1板式光伏集热器结构示意图收稿日期:2 0 2 3-0 5-0 4作者简介：巴宗华（1996 一），男，研究生，硕士在读，研究方向为清洁能源。通讯作者：陈玉英（197 6 一），女，研究生，硕士，副教授，研究方向为强化传热、热泵技术。2023.NO.5.光伏集热器吸收的总能量E及电池转换电能E、环境散热量E,以及有效热量Eu,分别按式(1)(4)进行计算。E=T,l.AE,=En=Eme1-,(T,-T,)E=Ea+Esky=UApvr(T,-Tar)E,=I,ApvITg(,-m.)-I,UApvr(T,-Ta)式中：1.为太阳辐射强度;Tg为玻璃盖板透射率;e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；AwTVA，分别为集热器外表面积、电池板有效面积；TT、T 分别为光伏电池实际和参考工作温度，以及周围空气温度；Ea、El y 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U按照式（5）进行计算。UF一11h+RvA+R,+RJeshai+hrodl式中：RevA、R a、R g a s 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h和等效辐射换热系数hrml分别按照式（6)和(7)进行计算,其中,Vuindv8、分别为环境风速、玻璃盖板发射率和斯蒂芬-玻尔兹曼常数，Tala、T s y 分别为光伏电池玻璃盖板和天空温度,通常Ta=0.0552Tl5。光伏集热器相关参数取值见表1。此外，集热器玻璃盖板层数为1，流体介质比热容为边框4.19kJ/(kgK),组件热损失系数为0.4W/mK）,集热器吸收集热板率0.95，发射率0.0 5，玻璃盖板透光率0.916,光伏电池额定效率参考温度为2 5,电池填充系数为0.8。64(1)(2)(3)(4)(5)ha=5.7+3.8rind(6)Tala-Tar(7)清洁能源传源南环境1SSN1672-9064CN35-1272/TK表1光伏集热器性能参数25性能参数参数取值光伏集热器尺寸/(mmmmmm）1 300 70090吸收率/%95 2发射率/%5 2透光率/%91.6工作温度/-2050热损系数/W/(m.K)aj=3.82,a2=30.008工作电压/V14.5工作电流/A6.8集管材质T2无氧紫铜管光伏电池尺寸/(mmmm)160 16光伏电池数量/片30光伏电池标准转换效率/%18.22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2 2，平均湿球温度14.7,平均相对湿度6 3%。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。积分器2集热器倾角方位角设置辐射强度80口干球湿度20湿球温度+相对湿度151050-5-10-153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141,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2 0 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、供暖季太阳能人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,此时太阳能人射量为52 8 2.3MJ；非供暖季安装倾角宜为10 此时太阳能人射量为352 3.9 MJ；供暖季安装倾角宜为50，此时太阳能入射量为1939.7 MJ。在确定光伏集热器全年、供暖季、非供暖季最佳安装倾角305010后，图5示出3种安装倾角下不同方位角太阳能人射量，当正南朝向时，3种安装倾角的太阳能人射量均达到最大值。效率国辐射量75706560%/香5550454035111234 56789101112月份图2兰州典型年月平均温度和相对湿度效率输出积分器发电发热量温度风速输出130天气文件用水量室外温度及风速进入集热器永流量控制器图3光热器仿真模型系统图2023.NO.5.65光伏集热器国发电发热量转换蕾热水箱遂月统计传源卤环境清洁能源ISSN1672-9064CN35-1272/TK550050004500400035003000250020001500100051015202530354045505560安装倾角/图4正南朝向不同倾角年太阳能入射量3.2入口水温的影响光伏集热器集热介质人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，光伏集热器人口流量为10 kg/h。图6 为集热介质不同人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9:0 0，太阳辐射入射量为280.5W，人口水温10，发电率为30 W，较同一时刻15和20,分别高1.4W和2.5W；集热率为150.2 W较同一时刻15和2 0,分别高17.6 W和44.5W。下午14:0 0，太阳辐射入射量达到全天峰值6 7 1.9W，10 人口水温时，发电率为6 4.7 W，较同一时刻15和2 0 分别高0.6 W和1.4W;集热率为40 2.8 W,较同一时刻15和2 0 入口水温时分别高7.7 W和2 8.4W。由此看出，光伏集热器的光电性能和光热性能均随着人口水温的升高而降低。此外,9:0 0 14:0 0,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120065605550%/申%45403530259:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:005500+供暖季5000+非供暖季全年11太阳辐射人射量-10人口水温+20人口水温+30人口水温时刻（a）典型日发电率一10 倾角非供暖季+30倾角全年50倾角供暖季350020001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10:0 0，入口水温为10、15、2 0 时其集热率分别为12 7.3、113.9、10 0.4W，较同时刻非供暖季典型工况日分别减少115.6、112.1、10 5.7 W。下午13:0 0 时刻，入口水温为10、15、2 0 时的发电率均达到相应峰值，分别为7 3.0、7 2.2、7 1.3W，集热率分为40 1.7、38 9.0、37 6.2 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，不同人口水温条件下光伏集热器的发电率基本相同。由于供暖季9:0 0 11:0 0、16:0 0 18:0 0 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，人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人口温度为10。160040014001000350上800300M/李洋事6002502004001502001009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:00图6 非供暖季入口水温对集热器性能的影响2023.NO.5.西南2 0 西南10 图5不同方位角太阳能入射量四太阳辐射人射量+10人口水温+20人口水温+30人口水温时刻（b）典型日集热率66正南东南10 东南2 0 方位角12001000800600400200(下转第7 7 页）清洁能源传源南环境1SSN1672-9064CN35-1272/TK804.501200706050403020109:00 10:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:00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14:0 0，流量为10、2 0、30 k g/h 时的发电率为6 4.6 6.6 6.7 7、6 7.50 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160070-人口流量10 kg/h-人口流量2 0 kg/h-人口流量30 kg/h6050403080706050403020100160040014001000350四太阳辐射人射量+10人口水温+20人口水温30人口水温时刻（a）典型日发电率+人口流量40 kg/h+人口流量50 kgh太阳辐射人射量14001200100080060040020009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:00时刻（a）典型日发电率+人口流量10 kg/h-人口流量2 0 kg/h+人口流量30 kg/h人口流量40 kg/h+人口流量50 kg/h太阳辐射人射量9:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:00时刻（a）典型日发电率3008002506002001504001002005009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:00图7 供暖季入口水温对集热器性能的影响器的发电率和集热率。上午9:0 0,流量由10 kg/h增至50 kg/h，光伏集热器集热率由7 7.36 W增至90.57 W。下午13:0 0，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31.67W，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。+人口流量10 kg/h500+人口流量2 0 kg/h+人口流量30 kg/h4.50一人口流量40 kg/h+人口流毫50 kg/h太阳辐射人射量400A本洋350300250200150图8非供暖季入口水流量对集热器性能的影响16005001400400120010008006004002000图9供暖季入口水流量对集热器性能的影响2023.NO.5.671200四太阳辐射人射量-10人口水温+20人口水温+30人口水温时刻（b）典型日集热率9:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:00时刻（b）典型日集热率+人口流量10 kg/h-人口流量2 0 kg/h300+人口流量30 kg/h人口流量40 kg/h+人口流量50 kgh太阳辐射人射量20010009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0010008006004002000160014001200100080060040020001600140012001000800600400200时刻（b）典型日集热率节能低碳传源南环境1SSN.1672-9064CN35-1272/TK管外冰层厚度大，潜热量多，但传热系数小；管外冰层厚参考文献度小，传热系数大，但潜热量多。想要提高蒸发器性能，必须在1孙德兴，张承虎，吴荣华，等.利用冷水凝固热的热泵系统与装置满足传热系数小的前提下，获得更多的潜热量，因此，流动冰J.暖通空调,2 0 0 6(0 7):41-44.率与传热系数可以作为评价蒸发器性能的主要参数。2刘志斌，岳远博，吴荣华冷水相变能热泵系统及其传热性能J.暖3结论通空调,2 0 2 0,50(10):94-98.3岳远博，吴荣华，朱宏伟.冷水相变能热泵系统及能耗特性J.热能本文通过建立凝固热蒸发器单管数值模型，进行数值模动力工程,2 0 2 0,35(0 4):2 59-2 6 4,2 7 4.拟得到3个结论：4武满.冷水相变能热泵系统的仿真与实验研究D.青岛：青岛大学，(1)蒸发温度与传热系数呈正相关，与含冰率、管外冰层2019.厚度、换热量和流动冰率负相关；进口水温与传热系数呈负相5张雁秋，尚德敏,冰水源热泵核心技术研究J.科技创新与应用，关，与含冰率、管外冰层厚度、换热量和流动冰率正相关；进口2020(08):155-156,159.水流速与换热量、传热系数、流动冰率呈正相关，与管外冰层6张健伟.提取凝固热换热装置性能及冰强度的研究D.哈尔滨：哈厚度、含冰率呈负相关；尔滨商业大学，2 0 19.(2)含冰率、换热量以及传热系数的变化速率随时间推移7孟祥微.相变换热器的实验及数值模拟研究D.哈尔滨：哈尔滨商都整体呈现减小的趋势；业大学，2 0 2 2.(3)流动冰率和传热系数作为评价蒸发器性能的主要参8王雷岗.蒸发式冰盘管蓄冰过程的模拟方法探究C.陕西省制冷数；结合考虑除冰的难易程度，在研究区间的运行工况下，选学会.2 0 0 5年陕西省制冷学会学术年会论文集。西安：出版者不取进口流速0.5m/s、进口水温3、蒸发温度-8 的工况为最详1,2 0 0 5:152-16 4.佳运行工况。(上接第6 7 页)4结论光伏集热器能够实现光伏和光热的双效产出，尤其适于兼具电、暖用能需求的偏远农宅建筑。本文利用TRNSYS软件搭建光伏集热器性能实验仿真平台，以兰州为目标城市，得到光伏集热器的安装角度合理值、性能与集热介质水的人口温度和流量的作用关系，总结如下：（1)兰州地区光伏集热器全年、供暖季、非供暖季安装倾角宜为30 50 10，安装方位角宜为正南。（2)相同气象条件和流量前提下，人口水温提升会使光伏集热器光电、光热转化效率均产生小幅降低。整体来看，光伏集热器供暖季的光电性能优于非供暖季，非供暖季的光热性能优于供暖季。(3)相同气象条件和入口水温前提下，光伏集热器的光电、光热性能随入口水流量的增大略有增强，但当流量达到定值时，作用不再显著。参考文献1肖瑶，钮文泽，魏高升，等.太阳能光伏/光热技术研究现状与发展趋势综述J.发电技术,2 0 2 2,43(0 3):392-40 4.2邱升.太阳能光伏光热系统集热器流动传热特性及优化D.扬州：扬州大学,2 0 18.3彭文光伏光热综合利用系统集热器结构设计与性能研究D.长沙：湖南大学，2 0 13.4李宁军，赵耀华，梁琳，等.新型太阳能光伏光热集热器的实验研究J.暖通空调,2 0 13,43(S1):272-275.5胡边，闫素英，张宏治.水冷型PV/T集热器的换热性能研究J.可再生能源,2 0 15,33(0 2):16 4-17 0.6李光明，刘祖明,李景天,等.一种新型PV/T复合系统电、热性能对比研究J.现代电力，2 0 13,30(0 4)：33-38.7李莉莉，白羽，黄宏宇，等.太阳能光电/光热一体化技术及其应用进展研究J.可再生能源,2 0 2 0,38(0 6)：7 52-7 57.8魏晨光，包亦望，邓晓颖，等.光伏建筑一体化中光伏/热系统性能J.硅酸盐学报,2 0 13,41(0 2):149-152.9胡边，闫素英，张宏治.水冷型PV/T集热器的换热性能研究J.可再生能源,2 0 15,33(2):16 4-17 0.10吴婷.水冷型PVT围护结构传热特性研究D.大连：大连理工大学,2 0 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