对光伏热水墙体光电光热性能的数值模拟研究

对光伏热水墙体光电光热性能的数值模拟研究.txt如果你同时爱几个人，说明你年轻；如果你只爱一个人，那么，你已经老了；如果你谁也不爱，你已获得重生。积极的人一定有一个坚持的习惯。本文由俸天承运贡献pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。第27卷11期第2006年11月太阳能学报ACTAENERGIAESOLARISSINICA0引言BIPV的多功能性。文章编号:025420096(2006)11210892081对光伏热水墙体光电光热性能的数值模拟研究季,韩,周天泰,何,裴,陆剑平杰俊伟刚(11中国科技大学热科学和能源工程系,合肥230027;21香港城市大学建筑科技学部,香港)[1]12111摘:采用数值模拟的方法动态地分析了光伏热水墙体的光电光热特性,并就系统中电池覆盖率、要工作流体质量流率对系统热效率和电力输出的影响进行了研究,得到了系统优化设计的性能参数。关键词:光伏热水墙体;工作流体质量流率;电池覆盖率;光电光热性能中图分类号:TM615文献标识码:A在建筑围护结构外表面上铺设光伏阵列提供电力即光伏建筑一体化(BIPV),是现代太阳能发电应用的一种新概念,也是美国、日本、欧洲等国倡导的太阳能光电应用的发展方向。光伏电池的性能受电池工作温度的影响,随着工作温度的上升而下降。如果直接将光伏电池铺设在建筑表面,将会使光伏发电效率明显下降键问题。[2,3]电池在吸收太阳能的同时工作温度迅速上升,导致,所以如何保持光伏电池较低的工作温度以提高发电效率是BIPV系统应用的关与光伏建筑一体化(BIPV)相比,光伏光热建筑一体化(BIPVΠ)则是一种应用太阳能同时发电供热T的更新概念。该系统在建筑维护结构外表面设置光伏光热组件或以光伏光热构件取代外围护结构,在提供电力的同时又能提供热水或实现室内采暖等功能,它较好的解决了光伏模块的冷却问题且增加了降低了15℃,提高了模块电力输出[4]采用空气通风流道对PV模块进行冷却,使电池温度。但是,如果通风冷却后的热空气直接排入大气,这在一定程度上民生活用热水约占建筑能耗的17%[1]将会降低对太阳能的利用程度。考虑到香港地区居,因此设想将光伏阵列需冷却带走的热量加以利用,即:转换成生活用热水。出于这种思路,JiJie和HeWei(2003)提收稿日期:2005206209基金项目:国家自然科学基金(50408009)B1J1BRINKWORTH(1997)和YangH1X(1997)曾出了一种新的水冷却模式,即光伏热水一体墙(Hy2bridphotovoltaicΠthermalcollectorwall)。通过对其进行理论模拟表明,作为与建筑外围护结构结合的光伏光热一体化系统的光伏热水墙体在保证电力输出的同时,降低了由于生活用热水增加的建筑能耗,另外对由于墙体得热造成的室内空调负荷的减少达到系统提供了一种新的思路[5,6]50%以上,为建筑节能和推广光伏光热建筑一体化。许多学者对PVΠcollector进行了研究,但对像T本文所提到的由多个PVΠcollector组成的光伏光热T系统的研究还很少。Y1Tripanagnostopoulos对不同结光热性能,发现在高太阳辐照度和高环境温度地区,以水为工作流体的系统性能优于以空气作为工作流[7]体的系统性能。T1T1Chow(2003)对PVΠcollector的性能进行T有限差分方法基础上的预测系统光电光热性能的动[8]态模型。冷却模式对PVΠcollector光电特性的影响T,但没有考虑光电光热综合利用的因素,如电池覆盖率H1P1Garg,Hayakshi1B和Bergene1T也讨论了水[9～11]构的PVΠcollector进行了实验测试和分析研究。结T果表明系统总能量输出(电能和热能)依赖于太阳辐照度、环境温度、风速和复合光伏光热模块的制作工艺以及所采用的热转移介质(空气或水);通过比较PVΠcollector在不同工作流体(空气和水)下的光电T了理论模拟研究,作者针对现有PVΠcollector只有T稳态模型这一问题,提出了一种建立在控制容积-Vol127,No111Nov1,20061090太阳能学报27卷1系统简介以及采用水冷却模式时、工作流体质量流率同时对系统光电性能和光热性能的影响。对于工作流体质量流率对系统热性能影响这一方面的研究已有相关报道。A1H1Fanney(1988)讨论了强制循环太阳能热水系统不同质量流率对系统[12]热效率的影响。H1P1Garg(1995)讨论了带有光伏水泵的强制循环热水系统中不同质量流率和不同水箱容量对系统性能的影响,得到了系统的最优质[13]量流率。光伏热水墙体存在着两种能量收益即电能和热能,它能同时满足建筑的不同能耗需求,这就决定了该系统不同于传统的单一的BIPV系统和单一太阳能热水系统。作为光伏光热建筑一体化系统整体而言,为了取得系统最佳性能以获得理想的收益,在改善光伏模块的冷却效果提高电力输出的同时,还必须考虑对系统光热性能带来的影响,因此有必要同时分析影响系统热效率和电力输出的各个因素,诸如工作流体质量流率和电池覆盖率等。本文实验系统为中国科技大学与香港城市大学图1光伏光热一体化系统简图Fig11SchematicofhybridphotovoltaicΠthermalsystem本课题组设计建立的光伏光热一体化系统采用中国科技大学自行研制的新型全铝扁盒式光伏集热模块,以水作载流介质进行封闭循环。该系统结构简单、无易损机械部件,具有较好的电、热性能,适合于城市建筑使用,提供并网电力和热水。对于复合光伏光热系统部分而言,光伏电池组件与吸热板的结合是核心问题。实验系统光伏电池组件与吸热板结合的方式为:将太阳电池组件粘贴在吸热板表面,构成光伏光热复合吸收板。其中光伏电池组件采用特殊制作工艺,将各层包括硅胶、TPT(TedlarPolysterTedlar)和带EVA(EthylVinylAce2光伏组件专用设备真空层压机内抽真空紧密压制,保证密封良好,各层接触紧密。再以粘贴好光伏电伏光热复合模块。该复合模块包括一层4mm厚低池组件的光电光热复合吸收板为核心,组成一个光铁玻璃盖板,2cm厚空气夹层,光伏光热复合吸热板,以及聚氨酯发泡材料背板绝热层,整体用铝合金边框组装,橡胶条密封。结构示意如图3。图2光伏集热模块结构简图tate)的电池按照图2的顺序叠放,送入商业化生产合作项目中目前正在香港建造的光伏光热建筑一体T化(BIPVΠ)大型系统中的一部分,即与建筑墙体结合的复合光伏光热系统部分。BIPVΠ大型系统包T括:热箱系统、复合光伏光热系统、空调系统以及控制和测试系统。将通过对实验系统进行全年的实验泵。6块光伏光热复合模块布置在可对比热箱的南立面,如图1所示。测试,得到在香港地区这种BIPVΠ系统的光电光热T性能和对室内热负荷的影响,研究在香港地区的应用前景。这里主要介绍复合光伏光热部分,包括6块光伏光热复合模块,1个420L的水箱以及1个循环水2理论模型211光伏集热模块热流网络分析光伏集热模块的热流网络如图4所示。总热损系数包括顶部热损系数、底部热损系数和边框热损系数,即:Fig12SchematicofphotovoltaicΠthermalmodule图3光伏集热模块横截面Fig13Cross2sectionofthePVΠpanelT11期季杰等:对光伏热水墙体光电光热性能的数值模拟研究1091UL=Utop+Ubottom+Uframe(1)顶部热损系数是吸热板温度Tp,环境温度Tambi,风速vw,盖板的层数N,盖板和吸热板的发射率ε和gε及复合模块倾角β的函数。对于顶部热损系数,p忽略电池热容的影响可采用下述公式Utop=[[14]:1hwσ(Tp,m+Ta)(T+T)(ε+0100591Nhw)-1+[(2N+f-1+01133p)Πg]-Nεεp2p,m2a式中:N———玻璃盖板数目。若0°β70°C=520,2(1-01000051β);若70°β90°则用β=70°,计算C。Tp,m———吸热板平均温度,K;hw———外表面对(2K流换热系数,hw=218+310vw,WΠm?);ε———玻g璃的发射率;ε———复合板的平均发射率。公式中p系数e和f分别由下式给出:e=0143(1-100ΠTp,m)图4热网络示意图复合模块边框热损系数Uframe由下式给出Uframe=Ke2(CL+CW)Ch?leCL?WC式中,CL———复合模块长度,m;CW———复合模块宽度,m;Ch———复合模块高度,m;Ke———复合模块边(K缘材料热传导系数WΠm?),le———边框厚度,m。温材料,直接安装在建筑的南立面上,它与混凝土墙体结合紧密,保温性能良好,可假设为绝热。f=(1+01089hw-011166hwε)(1+0107866N)pFig14Thenetworkofthermalflux[15]复合模块背(底)部采用3cm厚聚氨酯泡沫作保(CΠTp,m)[Tp,m-Ta)ΠN+f)](Ne+]-1+(2)(3)(4):(5)ξ———定义的无量纲参数,电池覆盖率(Packingfac2tor),如下所示:ξ=AcellAcol212光伏集热模块的能量平衡+22光伏集热模块热量收益Qu为复合模块吸收的太阳辐射能与电池输出电能和热损失之差。光伏集热模块垂直安装在建筑的南立面上。为简化分析,忽略太阳入射角对玻璃透过率的影响;光伏电池薄片厚度相对于吸热板较薄,忽略了电池薄片对板热转移因子的影响;光伏电池的效率假设为复合板的平均板温下的发电效率,则有:ααξ)Qu=FRAcol[S1τ(1-ξ+S2ττη-Sξcell-UL(Tint,f-Tambi)]+(6)式中“”,号表示系统中含有控制器,等号右边为正时它才起作用。当QuQmin时,强制循环系统将不运行。Qmin是泵维持运行的极限条件,即工作流体通过系统的最小得热。此处Qmin设定为太阳辐照度为50WΠ时模块的热量收益。当太阳辐照度小于m(此“极限辐照值”thresholdradiationlevel),水泵将停22电池面积,m;η———电池效率;s———太阳辐照度,cell止运行。Acol———复合模块的集热面积,m;Acell———WΠ;α——m1—吸热板的吸收率;α———光电池的吸2(度,℃;UL——块的总热损系数,WΠm?);—模℃2收率;τ———玻璃的透过率;Ttank,m———水箱平均温(7)FR是模块的热转移因子,由下面的式子表示FR=mCf,pAcolULF′)][1-exp(AcolULmCf,p[16]:(8)式中,F′—效率因子;Cf,p——的比热容,为———水对于扁盒式太阳能集热器:F′=(4189JΠkg?)。K11+ULhf,i(9)式中,hf,i———矩形流道内流体与管壁的对流换热系数。对于流道内的层流流动[17],NuD=hf,iDhK(10)(K式中K———水的热传导系数WΠm?);Dh———水力直径[18]:1092太阳能学报27卷Dh=4ACP2(11)u=其中AC———流道的横截面积,m;P———流道的润湿周长,m。由于模块和水箱之间的连接管保温良好,通过计算发现水箱出口的工作介质在管路中由于与环境之间的换热而导致的温降不足1℃,可以忽略连接管路的热损失,认为模块进口水温Tint,f等于水箱平均水温Ttank,m,Tint,f=Ttank,m。213水箱的能量平衡3其中d———连接管内管径,m。对于层流管内摩擦因子:-1f=16(Re)对于湍流管内摩擦因子:f=01079(Re)214其中Reynolds数由下式给出:ρudRe=μ对水箱,忽略箱体的热容,流体在水路系统强制循环时流经诸如“三通”、“阀门”等产生的局部压头损失:(12)本文分析的光伏集热复合模块是在铝板的表面直接粘上一层多晶硅光电池加工而成。工质经过平板中冷却流道对光伏模块进行冷却。为了计算,作如下假设:电池处于平均吸热板温下,光伏光热复合模块得到的太阳辐