多功能太陽能光伏光熱集熱器的理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、近年來，隨著環(huán)境問題日益突出，環(huán)境治理和節(jié)能減排成為我國從上到下廣泛關(guān)注的問題。發(fā)展可再生能源利用技術(shù)，降低化石能源在我國能源結(jié)構(gòu)中的比重對我國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展有重大意義。太陽能因其分布廣泛、利用方便、清潔無污染而成為減少傳統(tǒng)化石能源利用后的重要替代能源。同時太陽能能量密度較低的特點(diǎn)也決定了其需要占用大量的面積。建筑能耗在社會總能耗中占有重要比重。將太陽能與建筑相結(jié)合，不占用額外面積，直接在用戶端產(chǎn)生的熱能和電能，滿足建筑中多種用能需求

2、，符合分布式能源就地利用的原則，是太陽能利用的理想方式之一。
　　太陽能光伏光熱綜合利用(Photovoltaic/Thermal)技術(shù)是將太陽能光熱利用和光伏發(fā)電技術(shù)有機(jī)結(jié)合，在光伏電池組件中引入冷卻流體，不僅可以降低光伏電池溫度，提高光伏效率，同時可以將吸收的熱能搜集起來加以利用，提高系統(tǒng)的太陽能綜合利用效率。按照冷卻工質(zhì)的不同，PV/T集熱器主要可以分為PV/T空氣集熱器和PV/T熱水集熱器兩種。對于PV/T空氣集熱器，非采

3、暖季時由于對熱空氣沒有需求，其集熱功能往往處于閑置狀態(tài)。在沒有冷卻工質(zhì)將熱量帶走的情況下，高溫不僅影響光伏電池發(fā)電效率和壽命，而且積聚的熱量還會導(dǎo)致建筑過熱，增加建筑的制冷負(fù)荷。而對于PV/T熱水集熱器，在寒冷季節(jié)使用時容易因系統(tǒng)內(nèi)水凍結(jié)導(dǎo)致管路或集熱器損壞。解決防凍問題，一般采用排空法或者防凍液二次循環(huán)法，但都需要增加投資和系統(tǒng)復(fù)雜度，而且會增加運(yùn)行維護(hù)的負(fù)擔(dān)。而相比太陽能熱水，太陽能采暖在冬季是更方便、更具有實(shí)際意義的利用方式。針對

4、兩種PV/T集熱器在全年利用時間上的互補(bǔ)性，本文提出了一種多功能太陽能PV/T集熱器。多功能PV/T集熱器是在傳統(tǒng)管板式PV/T熱水集熱器的基礎(chǔ)上，在吸熱板背面引入空氣流道，使其可以工作于光伏/空氣集熱和光伏/水集熱兩種工作模式。根據(jù)不同季節(jié)的環(huán)境條件和用能需求，多功能PV/T集熱器可以通過兩種工作模式的合理切換，實(shí)現(xiàn)太陽能的全年高效利用。
　　本文的研究內(nèi)容主要包括以下幾個方面:
　　(1)設(shè)計(jì)并制作了具有光伏/空氣集熱和

5、光伏/水集熱兩種工作模式的太陽能PWT集熱器，分別搭建了光伏/空氣集熱模式實(shí)驗(yàn)平臺和自然循環(huán)式與強(qiáng)迫循環(huán)式的光伏/水集熱模式實(shí)驗(yàn)平臺。實(shí)驗(yàn)平臺可以實(shí)現(xiàn)不同流量、不同進(jìn)口溫度、不同初始條件下的集熱器光伏光熱性能測試。
　　(2)對集熱器的光伏/空氣集熱模式和光伏水集熱模式分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，分別與傳統(tǒng)太陽能集熱器和PV/T集熱器進(jìn)行比較分析。結(jié)果顯示，光伏/空氣集熱模式下，集熱器全天光熱效率可達(dá)40.1％，全天光伏效率可達(dá)10.16

6、％。通過對不同空氣流量下集熱器瞬時效率的測試得到空氣流量由0.0226 kg/s增加至0.039kg/s時，截距光熱效率由37.4％升高至46.4％，集熱器總熱損系數(shù)由5.21 W/(m2· K)增加至8.00 W/(m2· K)。在進(jìn)口空氣溫度高于環(huán)境30℃的情況下，集熱器的瞬時光熱效率和光伏效率可以達(dá)到16.18％和9.03％。光伏/水集熱模式下，集熱器瞬時光熱效率截距56.6％，總熱損系數(shù)為6.08 W/(m2·K)，光伏效率約為

7、11.5％。自然循環(huán)光伏/水集熱系統(tǒng)全天截距光熱效率為36.4％，總熱損系數(shù)為0.115MJ/(m2·K)。通過比較集熱器光伏/空氣集熱模式、光伏/水集熱模式和單獨(dú)光伏發(fā)電模式的吸熱板溫度可知，多功能太陽能PV/T集熱器全年集熱并冷卻光伏電池的特點(diǎn)不僅提高了PV/T集熱器全年利用效率，同時對提高光伏電池壽命有重要意義。通過與近五年文獻(xiàn)中提到的傳統(tǒng)集熱器和PV/T集熱器性能進(jìn)行比較表明，多功能PV/T集熱器光伏光熱性能較好，具有綜合性能優(yōu)

8、勢。
　　(3)針對多功能PV/T集熱器的兩種工作模式，分別建立了光伏/空氣集熱模式的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和光伏/水集熱模式的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，對集熱器兩種工作模式下的光伏光熱性能進(jìn)行了計(jì)算，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果顯示，光伏/空氣集熱模式下，光伏電池溫度與吸熱板溫度的均方根誤差為4.1％和4.6％，集熱器出口溫度的均方根誤差為8.3％，集熱器光熱效率和光伏效率的相對誤差分別為2.6％和8.2％;光伏/水集熱模式下，光伏吸熱板溫度的均方根誤差為

9、3.2％，集熱器進(jìn)口溫度和出口溫度的均方根誤差分別為4.6％和4.7％，集熱器光熱效率和光伏效率的誤差分別為3.1％和6.7％。理論模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，模型可以準(zhǔn)確預(yù)測集熱器光伏光熱性能。
　　(4)模擬研究了不同運(yùn)行參數(shù)對于集熱器光伏光熱性能的影響，對多功能PV/T集熱器應(yīng)用于合肥、北京、西寧三個不同氣候地區(qū)的全年性能進(jìn)行了預(yù)測，得到集熱器全年光熱效率分別為38.5％、38.9％和40.1％。分析了與坡屋頂建筑相結(jié)合情況