093347吴晓敏 水冷肋片型PVT集热器换热性能的数值模拟.doc

中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号：093347
水冷肋片型PV/T集热器换热性能的数值模拟
吴晓敏，褚秉浩，熊永，钱善良
（清华大学热能工程系热科学与动力工程教育部重点实验室，北京，100084）
(Tel:[phone],Email:[e-mail])

摘要：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
Vin=0.001m/s

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