对光伏热水墙体光电光热性能的数值模拟研究.doc

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 ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA 0 引 言 BIPV 的多功能性 。 文章编号 : 025420096( 2006) 1121089208 1 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 1 2 1 1 1 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 (BIPV ) 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 ,Ji Jie 和 He Wei ( 2003) 提 收稿日期 : 2005206209 基金项目 : 国家自然科学基金 (50408009) B1J 1BRINKWORTH ( 1997) 和 Yang H1 X ( 1997) 曾 出了一种新的水冷却模式 , 即光伏热水一体墙 ( Hy2 brid photovoltaic thermal collector wall) 。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 PV collector 进行了研究 , 但对像 T 本文所提到的由多个 PV collector 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 PV collector 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 PV collector 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 H1P1 Garg , Hayakshi1B 和 Bergene1T 也讨论了水 911 构的 PV collector 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 PV collector 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 PV collector 只有 T 稳态模型这一问题 , 提出了一种建立在控制容积 - Vol127 , No111 Nov1 ,2006 1090 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 。A1 H1Fanney ( 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 。H1P1 Garg ( 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 Fig11 Schematic of hybrid photovoltaic thermal system 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 ( Tedlar Polyster Tedlar) 和带 EVA ( Ethyl Vinyl Ace2 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 (BIPV ) 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 。BIPV 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 BIPV 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 : Fig12 Schematic of photovoltaic thermal module 图3 光伏集热模块横截面 Fig13 Cross2section of the PV panel T 11 期 季 杰等 : 对光伏热水墙体光电光热性能的数值模拟研究 1091 UL = Utop + U bottom + 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 和 g 及复合模块倾角 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 : 1 hw ( Tp ,m + Ta ) ( T + T ) ( + 0100591 Nhw ) - 1 + (2 N + f - 1 + 01133 p ) g - N p 2 p ,m 2 a 式中 : N 玻璃盖板数目 。若 0 70 C = 520 , 2 (1 - 01000051 ) ; 若 70 90则用 = 70 , 计算 C 。 Tp ,m 吸热板平均温度 , K; hw 外表面对 ( 2 K 流换热系数 , hw = 218 + 310 vw ,W m ? ) ; 玻 g 璃的发射率 ; 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 - 100Tp ,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 = Ke 2 ( CL + CW ) Ch ? le CL ? W C 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 W m? ) , l e 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 + 01089 hw - 011166 hw ) ( 1 + 0107866 N ) p Fig14 The net work of thermal flux 15 复合模块背 ( 底) 部采用 3cm 厚聚氨酯泡沫作保 ( CTp ,m ) Tp ,m - Ta ) N + f ) ( N e + - 1 + ( 2) ( 3) ( 4) : ( 5) 定义的无量纲参数 , 电池覆盖率 ( Packing fac2 tor) ,如下所示 : = A cell A col 212 光伏集热模块的能量平衡 + 2 2 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 : ) Qu = FR A col S 1( 1 - + S 2 - S cell - 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 Qu Qmin 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 50W 时模块的热量收益 。当太阳辐照度小于 m ( 此 “极限辐照值” threshold radiation level ) , 水泵将停 2 2 电池面积 ,m ; 电池效率 ; s 太阳辐照度 , cell 止运行 。A col 复合模块的集热面积 ,m ; A cell W ; m 1 吸热板的吸收率 ; 光电池的吸 2 ( 度 , ; UL 块 的 总 热 损 系 数 , W m ? ) ; 模 2 收率 ; 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 ,p A col UL F ) 1 - exp ( A col UL mCf ,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 = ( 4189J kg? ) 。 K 1 1+ UL hf ,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 ,i D h K ( 10) ( K 式中 K 水的热传导系数 W m? ) ; Dh 水力 直径 18 : 1092 太 阳 能 学 报 27 卷 Dh = 4 AC P 2 ( 11) u= 其中 A C 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 : - 1 f = 16 ( Re) 对于湍流管内摩擦因子 : f = 01079 ( Re) 2 1 4 其中 Reynolds 数由下式给出 : ud Re = 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 得到的太阳辐射能除模块热损外 , 一部分被电池吸 收转化为电能 ,一部分能量被冷却流道中的水获得 。 联立方程 ( 6) 和 ( 12) , 5 Ttank ) V tank Cf ,p = FR A col S 1( 1 - + S 2 f 5t 3 8 S cell - UL ( Tint ,f - Tambi ) - ( UA ) tank ( Ttank ,m - Tambi ) ( 13) 式中 : V tank 水箱的体积 ,m ; 流体的密度 , f 度 , ; 电池处于平均板温 TP 下的发电效 cell 率 ,它与电池温度有如下线性关系 : = 1 - ( Tp - Tr ) cell r r ( 14) ( kg ; 1 UA ) tank m 水箱总热阻 ; Tambi 环境温 其 中 在参考温度 Tr 下的参考电池效率 。在 r 水泵驱动下由于摩擦阻力在管路中产生的压头损失 loss 由下式给出 : h loss h 4 fl u = ? Dh 2 g 2 25 , = 010045 时 , = 12 % 。 r r 214 强制循环所需的泵耗 其中 f 摩擦因子 ; l 管长 ,m ; Dh 水力直 径 ,m ; u 流体平均速度 m , 它与质量流率关系 s 如下 : 5 Ttank V tank Cf ,p = Q u - ( UA ) tank ( Tint ,f - Tambi ) f 5 f = kb u ( 20) h 2g 当工作流体以质量流率 m 在系统中作强制循 环时 ,循环所需的泵耗 w 为 : m p ( 21) P= 其中 k b 局部阻力系数 ;p 由于管路摩擦产 生的压力降 ,N ,由下式给出 : m p = ( loss + f ) h g h 2 本文考虑的系统为强制循环系统 。工作流体在 ( 15) 215 系统性能参数 诸参数的动态数值模拟可以获取理想的系统性能参 数。 21511 循环管路系统 图 5 反映了 BIPV 水路系统采用不同循环管 T 径与水泵所需能耗之间的关系 。从图中可以清楚的 看到 ,采用较大循环管径有利于降低热水循环所需 的泵耗 。随着管径从 10mm 增加到 15mm , 如再增加 管路直径 ,势必增大管路和环境的换热面积从而增 大管路热损 。同时也带来不必要的材料浪费 。在流 率范围内 ,系统采用 2530mm 管径能够保证最小循 环泵耗和最大输出电功率 。 21512 质量流率 质量流率 m 是影响系统热性能的重要因素 。 影响光伏光热建筑一体化系统 (BIPV ) 光伏光 T 热性能的因素有很多 ,除了诸如太阳辐照度 、 环境温 度和风速等气象因素的影响外 , 还包括来自系统自 身各个部分的影响以及运行模式的影响等 。对系统 参数的分析能够预测系统性能或者预测当系统一个 参数改变时对系统输出带来的影响 。因此通过对影 响光伏光热建筑一体化系统 (BIPV ) 光伏光热性能 T d2 4 m ( 16) ( 17) ( 18) ( 19) ( 22) 11 期 季 杰等 : 对光伏热水墙体光电光热性能的数值模拟研究 1093 图5 泵耗和系统管径的关系 Fig15 Pumping power for the circuit as a function of circuit pipe size 在确定的天气状况下 , 质量流率决定了复合模块的 出口水温 ,直接影响到热效率 值的大小 。系统热 col 效率随质量流率 m 的变化如图 6 所示 。 图7 质量流率对系统热效率的影响 坏水箱的温度分层 , 掺混后的水箱底部温度高于分 层时的水箱底部温度 。这样大流率导致集热器瞬时 效率随着进口温度的增加而降低 。 另一方面采用较大质量流率的循环方式也会增 加驱动热水循环的水泵的能耗 ,从而降低 BIPV 系 T 统输出电功率 。从图 5 不难看出 , 当循环管路直径 为 25mm ,系统质量流率从 0107kg 增加到 0109kg s s 时 ,驱动水泵循环所需的功率将增加 33 % 。若管径 小于 25mm 时 , 由于质量流率增加带来的泵耗会更 12 图6 质量流率对系统热效率的影响 ( 小流率范围内) 从图 6 中可以看到 , 在一定流率范围内系统热 效率随质量流率的增加而增加 。这是因为在系统 中 ,质量流率的增加提高了模块的热转移因子 FR ( 热转移因子是综合反映集热器吸热板的传热性能 和载 热 流 体 传 热 对 集 热 器 性 能 影 响 的 无 因 次 参 14 数 ) 。 FR 的增加使模块热量收益增加 , 则系统热 效率增加 。但是质量流率增加到一定范围 , 系统热 效率不再增加 ,而是存在着一个 “临界流率”经过此 , 流率以后系统热效率开始下降 ,如图 7 。 在强制循环热水系统中水流率一般较大 , 较大 的质量流率将会带来水箱内热水的剧烈掺混从而破 Fig16 The effective of mass flow rate on thermal efficiency 大 。相反较小的质量流率下 ,模块的集热性能较低 。 由模块产生的温度较高的热水不能及时泵入水箱 中 ,而模块的热损大于水箱的热损 ,所以在较低的质 量流率下 ,模块不能起有效收集太阳能的作用 ,故此 时瞬时效率较低 。同时较小的质量流率会导致模块 阵列由于阻力不平衡而引起水利失调 。 从上面对系统不同质量流率范围讨论发现 , 系 ( 统存 在 一 个 “最 优 质 量 流 率” Optimum Mass Flow Rate) ,因此对于定流量系统 , 水泵的质量流率取流 率范围内的临界流率 , 能够提高系统热性能同时也 降低系统运行能耗 。 图 8 反映了工作流体不同质量流率对复合板温 度和电池效率的影响 。从图中可以看到 : 在质量流 率为 0101kg 时 , 板温较高从而使电池工作温度升 s 高 ,不利于光伏模块的电力输出 。 Fig17 The effective of mass flow rate on the thermal efficiency 1094 太 阳 能 学 报 27 卷 图8 工作流体不同质量流率对板温和电池效率的影响 Fig18 The effective of mass flow rate on temperature of absorber plate and cell efficiency Fig19 Electric power gain of BIPV T 随着质量流率的增加 , 太阳电池的发电效率有 所提高 。这是因为在一定流率范围内 , 质量流率的 增加有利于对电池的冷却 , 使电池保持较低的工作 温度 ,电池效率相应提高 。当质量流率继续增加的 时候 ,对光伏模块的冷却效果不再明显 ,如图 9 中第 二天和第三天的电力输出在质量流率增加时不再有 明显的提高 ,比较第三天的电力输出结果发现其电 力输出增加值不到 10W 。另外如果系统使用较大的 质量流率运行 , 大流率下会加大水箱内热水的掺混 程度 ,使光伏光热模块进口水温提高 ,从而又会导致 系统热效率的下降 。因此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 ,质量流率取 系统最大热效率下对应的热效率即可保证系统最优 热性能也能同时满足对光伏模块的冷却要求获得比 较理想的电力输出 。 21513 电池覆盖率 图9 BIPV 的电力输出 T 由图 12 可以看出 3 天中不同电池覆盖率下各 个时刻水箱温度的变化 。到达光伏表面的太阳能约 10 %转化为电能 , 从而穿过光伏电池到达吸热板的 能量减少了越 10 % ,这样水箱有效得热减少 。 系统中 6 个光伏光热复合模块均使用多晶硅电 池 ,用导热良好的硅胶将光伏组件贴附在铝质吸热 板上表面 ,实物如图 10 。光伏光热建筑一体化 ( BI2 PV ) 系统中电池覆盖面积的选定 , 需要考虑多方面 T 因素的影响 ,也是将各种因素耦合 ,寻找平衡点的过 程 。这些因素包括 : 系统光热性能和光电性能以及 投资成本等经济因素 。 图 10 光伏光热复合模块实物 图 11 反映了不同电池覆盖率下系统瞬时热效 率和光伏电池发电效率的变化 。从图上可以看到电 池覆盖率的增加导致系统热性能的下降 。覆盖率对 电池的发电效率影响较小 。 图 11 不同电池覆盖率对热效率和电池效率的影响 Fig111 The relation of cell coverage and instantaneous thermal efficiency & cell efficiency Fig110 Hybrid photovoltaic thermal collector 11 期 季 杰等 : 对光伏热水墙体光电光热性能的数值模拟研究 1095 3 杨洪兴 , 季 杰 . BIPV 对建筑墙体的热影响的研究 J . 太阳能学报 ,1999 ,20 (3) :270 273. 4 Brinkworth B J , Cross B M , Marshal R H , et al. Thermal regulation of photovoltaic claddingJ . Solar Energy , 1997 , (61) :169 178. 5 ,何 ,光伏墙体年发电性能及年得热动态预 季 杰 伟 测 J . 太阳能学报 , 2001 ,22 (3) :311 316. 6 Jie , Chow Tin2Tai , He Wei. Dynamic performance of hy2 Ji Building and Environment , 2003 ,38 (11) :1327 1334. lar systemsJ . Solar Energy , 2002 ,72 (3) :217 234. 8 Chow T T. Performance analysis of photovoltaic2thermal col2 (75) :143 152. 10 Hayakashi B , et al. Research and development of photovol2 306. 11 Bergene T , Lovik O. Model calculations on a flat2plate solar 1995 ,55 (6) :453 462. changer flow ratesJ . Solar Energy ,1998 ,40 (1) :1 11. Convers Mgmt ,1995 ,36 (2) :87 99. 14 葛新石 , 龚 , 等 . 太阳能工程 堡 原理和应用 M . 17 美 弗兰克? P 英克鲁佩勒 , 美 戴维? ? P 戴威特 ,葛 photovoltaic thermal hybrid solar collector water heater A . 705. 13 Garg H P. Some aspects of a PV collector T forced circula2 15 2Ajlan S A , Al Faris H , Khonkar H. 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Solar Energy Materials & Solar Cell , 2002 , 致谢 : 光伏光热建筑一体化 (BIPV ) 系统项目为中国科 T 参考文献 of solar energy on architectureD . University of Science and 7 Trpanagnostopoulos Y, et al. Hybrid photovoltaic thermal so2 lector by explicit dynamic model J . Solar Energy , 2003 , 9 Garg H P , et al. Experimental and theoretical studies on a Proc of ISES 1989 Solar World Congress C , 1989 ,1 : 701 12 Fanney A H. Thermal performance comparisons for solar hot 16 Duffie John A ,Beckman William A. Solar energy thermal 18 Fox R W , McDonald A T. Introduction to Fluid Mechanics M . New Y :Wiley. ork taic thermal hybrid solar power generation system A . Proc heat collector with integrated solar cellsJ . Solar Energy , of ISES 1989 Solar World Congress C , 1989 , 1 : 302 tion flat plate solar water heater with solar cellsJ . Energy 北京 : 学术期刊出版社 ,1988. ing for optimization of flat plate collector design in Riyadh , Saudi ArabiaJ . Renewable Energy , 2003 ,l28(9) :1325 新石 ,王义方 ,郭宽良 译 . 传热的基本原理 M . 合 肥 : 安徽教育出版社 ,1985. 1096 太 阳 能 学 报 27 卷 voltaic and thermal collector wall . The effects of the packing factor , working fluid mass flow rate on the thermal efficiency and electric gain were investigated , and the optimization of design parameters have been found in this paper. thermal performance Keywords :hybrid photovoltaic thermal collector wall ; working fluid mass flow rate ; packing factor ; photovoltaic and 联系人 E2mail :jijie ustc. edu. cn Abstract :A numerical simulation method has been used to analyze the electric and thermal performance of hybrid photo2 (11 Dept . of Thermal Science and Energy Engineering , Univ . of Science and Technology of China , Hefei 230027 , China ; 21 Dirision of Building Science and Technology , City University of HongKong , HongKong , China) NUMERICAL STUDY ON THE EL ECTRIC AND THERMAL PERFORMANCE OF HYBRID PV COLL ECTOR WALL T Ji Jie , Han J un , Zhou Tiantai , He Wei , Pei Gang , Lu Jianping 1 1 2 1 1 1 1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 ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA 0 引 言 BIPV 的多功能性 。 文章编号 : 025420096( 2006) 1121089208 1 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 1 2 1 1 1 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 (BIPV ) 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 ,Ji Jie 和 He Wei ( 2003) 提 收稿日期 : 2005206209 基金项目 : 国家自然科学基金 (50408009) B1J 1BRINKWORTH ( 1997) 和 Yang H1 X ( 1997) 曾 出了一种新的水冷却模式 , 即光伏热水一体墙 ( Hy2 brid photovoltaic thermal collector wall) 。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 PV collector 进行了研究 , 但对像 T 本文所提到的由多个 PV collector 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 PV collector 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 PV collector 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 H1P1 Garg , Hayakshi1B 和 Bergene1T 也讨论了水 911 构的 PV collector 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 PV collector 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 PV collector 只有 T 稳态模型这一问题 , 提出了一种建立在控制容积 - Vol127 , No111 Nov1 ,2006 1090 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 。A1 H1Fanney ( 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 。H1P1 Garg ( 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 。