射流PV_T空气集热器的数值模拟研究.pdf

射流P V/T空气集热器的数值模拟研究戴鲁丞(中国电建集团山东电力建设有限公司,山东 济南 250101)摘要:为了提高 PV/T 空气集热器的性能,通过建立射流 PV/T 空气集热器的数学模型,分析了空气射流对 PV/T 空气集热器性能的影响。研究结果显示,空气射流具有双重效应:一方面能提高空气与单晶硅光伏模块之间的对流传热系数,另一方面能使空气在单晶硅光伏模块表面均匀分布。因此,射流 PV/T 空气集热器的发电效率明显优于普通 PV/T 空气集热器,两者之间的差距从送风速度为 0.5 m/s 时的 1.15%增加到 0.5 m/s 时的 2.71%。然而,考虑到风机能耗的影响,PV/T 空气集热器的净发电效率在送风速度为 2.0 m/s 时达到最大值 15.38%。根据不同的优化目标,最佳的送风速度也会有所不同。当追求最大的净发电量时,最优的送风速度为 2.0 m/s,此时射流PV/T 空气集热器的净发电效率、热效率和总有效效率分别为 15.38%、49.95%和65.34%。而当追求最大的产热量时,最优的送风速度为 3.0 m/s,射流 PV/T 空气集热器的净发电效率、热效率和总有效效率分别为 14.26%、52.87%和 67.13%。关键词:射流;光热/伏;数值模拟DOI 编码:10.16641/11-3241/tk.2023.04.007N u m e r i c a l s i m u l a t i o n s t u d y o n a i r j e t P V/T h e a t e r sDAI Lucheng(Sepco Electric Power Construction Corporation,Jinan 250101,China)A b s t r a c t:In order to improve the performance of PV/T air heaters,a mathematical model for jet PV/T air heaters is established,and the impact of air jets on the performance of PV/T air collectors is analyzed.The results indicate that due to the air jets,the convective heat transfer coefficient between the air and the monocrystalline silicon photovoltaic module is enhanced,and the air could be evenly distributed on the surface of the monocrystalline silicon photovoltaic module.As a result,the power generation efficiency of the jet PV/T air heaters is significantly higher than that of the traditional PV/T air heaters,and the difference between them increased from 1.15%at an air velocity of 0.5 m/s to 2.71%at an air velocity of 0.5 m/s.However,when considering the impact of fan energy consumption,the power generation efficiency of the jet PV/T air heaters reaches its maximum value of 15.38%at an air velocity of 2.0 m/s.Depending on the optimization objective,the optimal air velocity also varied.When aiming to achieve maximum net power generation,the optimal air velocity 93区域供热 2023.4 期was 2.0 m/s,and the net power generation efficiency,thermal efficiency,and overall efficiency of the jet PV/T air heaters are 15.38%,49.95%,and 65.34%,respectively.On the other hand,when aiming for maximum heat production,the optimal air velocity is 3.0 m/s,and the net power generation efficiency,thermal efficiency,and overall efficiency of the jet PV/T air heaters are 14.26%,52.87%,and 67.13%,respectively.K e y w o r d s:air jet;PV/T;numerical simulation1 引言在光伏装置的使用过程中,超过 80%的太阳辐射被转化成了光伏组件的内能 1。然而,光伏模块长时间高温工作不仅会导致光伏系统的发电效率降低,还可能导致设备老化并最终造成结构损坏 2。因此,相关学者提出利用 PV/T 技术来降低光伏组件的温度,并同时利用 PV 组件产生的热量。在占据全国能耗超过 20%的建筑行业中,利用 PV/T 技术对空调风进行预热是一种有效的方法,可以减少建筑采暖、通风和空调的能耗 3。因此,PV/T 空气集热器引起了众多学者的研究兴趣。由于较低的空气导热系数限制了 PV/T空气集热器的性能,因而利用强化传热技术对 PV/T 空气集热器的进行改进是目前的研究重点 4。Hossain 等人 5将带有折流板的PV/T 集热器在孟加拉国达卡户外条件下与普通的太阳能光伏板进行了比较,实验结果表明,开路电压平均提高了 0.97 V,最高提高了1.3 V,太阳能光伏板输出功率总体提高了2.5 W。Kim 等 6将横向与纵向的折流板结合,设计出一种新的 PV/T 空气集热器,通过延长空气流动长度,可以使 PV 面板的温度降到 20 以下。Jha 7等利用波纹板来提高PV/T 空气集热器的性能,通过实验测试指出,当空气流量为 0.004 70.016 5 kg/s 时,相比于普通的 PV/T 空气集热器,改进后的结构全天平均集热效率和全天平均?效率分别提高了 8.4%和 1.3%。Kong 等 8在前人实验的基础上对内置波纹通道的 PV/T 空气集热器进行理论研究,发现当流道宽度从 4 mm减小到 3 mm 时,出口温度在 298302 K 之间,集热在 16.251.4 MJ/h 范围内,相比于传统的 PV/T 空气集热器,改进结构的集热效率提高了 18.6%。尽管学界已经做了大量关于 PV/T 空气集热器强化传热的研究工作,但相关的改进结构在提升光伏模块与空气对流传热能力的同时,也增加了空气与玻璃之间的对流传热,导致部分热量散失到空气中,降低了 PV/T 空气集热器的综合利用效率。为了克服上述缺点,本文将空气射流技术与 PV/T 技术相结合,提出了一种射流 PV/T 空气集热器,并建立数学模型分析其内部空气的流动和传热特性。2 物理模型如图 1 所示,利用 Gambit 软件分别建立普通 PV/T 空气集热器和射流 PV/T 空气集热器的物理模型。两种 PV/T 空气集热器均由入口、出口、玻璃、单晶硅光伏模块和保温层组成。两种 PV/T 空气集热器的外框尺寸均为 2 000 mm(长)、1 000 mm(宽)、150 mm(高),其中保温层的厚度为 50 mm,流道的高度为 100 mm。在射流 PV/T 空气集热器中,设置了 10 块高度为 90 mm,厚度为 1 mm 的折流板。所建立的 PV/T 空气集热器的工作原理为:冷空气通过入口进入流道内部,掠过单晶硅光伏模块的上侧来降低其温度,之后,经过加热的空气由出口排出。在射流 PV/T 空气集热器中,流入的空气受到折流板的阻碍,在折流板与单晶硅光伏模块的缝隙之间形成射流,从而强化单晶硅光伏模块的散热。04区域供热 2023.4 期图1 物理模型3 数学模型3.1 模型假设为了简化模拟,对 PV/T 空气集热器的数值模拟还需要进行必要的假设 9,10:(1)假设PV/T 空气集热器的各个部件之间接触良好;(2)空气的流动和传热过程处于稳态;(3)忽略了空气的粘性热耗散;(4)只有玻璃与单晶硅光伏模块参与辐射传热。3.2 控制方程模拟 PV/T 空气集热器的流动与传热特性,需要求解连续性方程、动量方程、湍流方程、能量方程、辐射方程与单晶硅光伏模块传热方程 11。连续性方程如式(1)所示:xiaui =0(1)式中:xi、xj均为笛卡尔坐标,m;a空气的密度,kg/m3;ui速度矢量,m/s。动量方程如式(2)所示:xjauiuj =-pxi+xjauixj+ujxi -23aulxli j +agi(2)式中:a空气动力粘度,P as;gi重力加速度,m/s2;p压力,Pa;ui、uj均为笛卡尔坐标系上的速度矢量,m/s;i j单位张量;ul/xl速度散度。湍流方程如式(3)、式(4)所示:xi(ak ui)=xjke f fkxj +Gk+Gb-a-YM+Sk(3)xi(uj)=xje f fxj +C1kGk+C3Gb -C2a2k-R+S(4)式中:k湍动能,J;耗散率;e f f有效湍流粘度,Pas;C1,C2,C3均为常数;YM由于在可压缩湍流中,过渡的扩散产生的波动;kk方程的湍流普朗特数;方程的湍流普朗特数;Gk由层流速度梯度而产生的湍流动能,J;Gb湍流方程中的浮升力项,J;Sk、S均为常数;R附加项。能量方程如公式(5)所示:14区域供热 2023.4 期auiTa xi=xiacp,aTa (5)式中:Ta空气温度,;a空气导热系数,W/mK;cp,a空气的比热容,J/kgK。辐射方程如公式(6)所示:dI(r,s)dS+(+s)I(r,s)=n2Ib+s4 4 0I(r,s)(s,s)d(6)式中:r太阳辐射的位置矢量;s法向太阳辐射的方向矢量;s 太阳散射辐射的方向矢量;光伏模块的光谱吸收系数;s斯蒂芬-玻尔兹曼常数,W/m24;立体角,rad;n玻璃的折射率;Ib光伏模块表面的黑体辐射强度,W/(m2m);I太阳辐射强度,W/m2;凝聚相的散射相函数。单晶硅光伏模块传热方程如式(7)、式(8)所示:pTcna p=ha-c(Ta-Tc)+G-p,t (7)式中:Ta空气温度,;Tc单晶硅光伏模块的温度,;p单晶硅光伏模块的导热系数,W/mK;ha-c空气与单晶硅光伏模块的对流传热系数,W/m2K;G太阳辐射强度,W/m2;na p热量传递的方向向量;p,t光伏模块的发电效率;玻璃的透过率。3.3 边界条件与物性参数空气的入口设置为速度入口边界条件,入 口 速 度 分 别 设 定 为:0.5m/s、1.0m/s、1.5m/s、2.0m/s、2.5m/s、3.0m/s;入口的温度设定为 20。空气的出口设置为压力出口边界条件,出口的参考压力为 0 Pa。玻璃设置为对流换热边界,外界自由流温度设置为 20,外界 空 气 与 玻 璃 对 流 换 热 系 数 设 置 为15 W/m2k。单晶硅光伏模块设置为流-固耦合边界条件,其吸收的太阳辐射通过加载UDF 程序得到。模型中设定的太阳辐射强度为 800 W/m2。模型的物性参数如表 1 所示。3.4 网格划分本文利用 Gambit 软件对物理模型进行网格划分。如图 2 所示,为了提高计算精度,在空气流动区域采用结构网格进行加密,在保温层区域采用非结构网格以适应较为复杂的几何结构。表1 模型的物性参数1 2名称物性参数空气a=97500287.045Tf;cp,a=1006Tf293 0.0015;a=0.0257Tf293 0.8;a=1.8110-5Tf293 0.735单晶硅光伏模块p=2320;cp,p=710;p=34;ep v=0.7折流板b=2719;cp,b=871;b=202.4;eb=0.1岩棉保温层r=120;cp,r=1220;r=0.04玻璃g=2500;cp,g=840;g=0.76,=0.92,eg=0.9024区域供热 2023.4 期图2 网格划分4 结果与讨论4.1 温度分布图 3 展示了两种 PV/T 空气集热器中单晶硅光伏模块的表面温度分布。从图 3(a)中可以发现,在普通 PV/T 空气集热器中,单晶硅光伏模块表面的两侧出现了局部高温区。其原因在于空气受到惯性的作用,在进入流道后并未快速向两侧扩散,而是在进出口之间形成了主流区。从图 3(b)中可以发现,在射流 PV/T 空气集热器中,单晶硅光伏模块表面的温度梯度主要是沿着空气流动的方向。其原因在于,折流板的设置使空气在流经此处时,由于流动截面的变化,强迫一部分空气沿着横向流动,从而消除了单晶硅光伏模块表面两侧的局部高温区。此外,从图 3(b)还可以发现,在射流 PV/T 空气集热器中,单晶硅光伏模块表面的温度并不是沿着空气流动的方向单向递增的。其原因在于,空气在通过折流板时形成的射流流动强化了空气与单晶硅光伏模块之间的局部对流传热。4.2 能量分析为了对射流 PV/T 空气集热器的性能进行有效评价,在能量分析中引入了热效率、发电效率、净发电效率与总有效效率 1。如式(8)所示,在 PV/T 空气集热器中,热效率被定义为空气吸收的热量与集热器表面太阳辐射的比值。t=cp,am To u t-Ti n G A(8)图3 单晶硅光伏模块表面温度分布式中:t热效率;m空气的质量流量,kg/s;To u t空气出口温度,;Ti n空气入口温度,;APV/T 空气集热器的接受太阳辐射的面积,m2。如式(9)所示,PV/T 空气集热器的发电效率是辐射强度和单晶硅光伏模块温度的函数。p,t=T r e f1-r e fTc-Tr e f (9)式中:p,t发电效率;玻璃的透过率;r e f单晶硅光伏模块的温度系数;Tr e f参考温度,;T r e f光伏 模 块 的 参 考 效 率,设 定为 0.15。由于空气射流会显著增加空气流动过程中的压力损失,进而增加风机能耗。而在PV/T 空气集热器的运行中,风机的驱动力来源于光热/伏空气集热器中产生的电能。因此,净发电效率如式(10)所示:p e=p,t-PVfm(10)式中:p e净发电效率;P压力损失,Pa;V空气的体积流量,m3/s;34区域供热 2023.4 期f风机效率;m电机效率。如式(11)所示,总有效效率是热效率与净发电效率之和。t o t,e=t+p e(11)式中:t o t,e总有效效率。图 4 展示了两种 PV/T 空气集热器的发电效率和净发电效率。从图 4 中可以观察到,随着送风速度的增加,两种 PV/T 空气集热器的发电效率都呈上升趋势。这是因为增加送风速度可以提高空气与单晶硅光伏模块之间的对流传热能力,从而降低单晶硅光伏模块的温度。通过对比分析两种 PV/T 空气集热器的发电效率,可以发现射流 PV/T 空气集热器的发电效率明显高于普通 PV/T 空气集热器,且随着送风速度从 0.5 m/s 增加到3.0 m/s,两者之间发电效率的差距从 1.15%增加到 2.71%。造成这一现象的原因如图 5所示,随着送风速度的增加,射流 PV/T 空气集热器中空气与单晶硅光伏模块之间的对流传热系数与普通 PV/T 空气集热器中空气与单晶硅光伏模块之间的对流传热系数的差异逐渐增大。0.51.01.52.02.53.012131415161718?5:4PVT280988=PVT28098,+?52,+?5,+?52,+?5-1;-;,ms图4 两种P V/T空气集热器的发电效率与净发电效率对比分析发电效率与净发电效率,可以发现净发电效率总是小于发电效率,并且随着送风速度的增加,两者之间的差距逐渐增大。这是因为随着送风速度的增加,风机的能耗逐渐增加。从图 4 中还可以发现,随着0.00.51.01.52.02.53.03.51020304050,4*9;Wm-2-1-1K;-;,ms 8=PVT 28098:4PVT 28098图5 两种P V/T空气集热器的对流传热系数送风速度的增加,射流 PV/T 空气集热器的净发电效率呈现先增加后减小的趋势,在送风速度为 2.0 m/s 时达到净发电效率的最大值15.38%。这种现象产生的原因是,虽然增加送风速度可以通过强化空气的射流流动来提高发电效率,但同时也会增加压力损失,从而提高风机的能耗。当风机能耗的增加量超过发电效率的提高量时,射流 PV/T 空气集热器的净发电效率逐渐降低。0.51.01.52.02.53.020304050607080?5%:4PVT 280988=PVT 280989?59?5DA?5DA?5-1;-;,ms图6 两种P V/T空气集热器的热效率与总有效效率图 6 展示了两种 PV/T 空气集热器的热效率与总有效效率。从图 6 中可以发现,射流 PV/T 空气集热器的热效率与总有效效率均高于普通 PV/T 空气集热器。其原因在于(如图 5 所示),空气的射流流动一方面强化了空气与单晶硅光伏模块的对流传热系数,另一方面(如图 3 所示),折流板的存在导致44区域供热 2023.4 期空气可以在单晶硅光伏模块表面均匀分布,降低了单晶硅光伏模块表面的温度死区。当送风速度为 3.0 m/s 时,射流 PV/T 空气集热器的热效率与总有效效率达到极值,分别为67.13%与 52.87%,相比于普通 PV/T 空气集热器分别提高了 18.11%与 18.96%。从图 6中还可以发现,由于净发电效率考虑到了风机能耗的影响,PV/T 空气集热器的热效率与总有效效率随送风速度的变化趋势与净发电效率的变化趋势不同。因此,当需要达到最大的净发电量时,最优的送风速度为 2.0 m/s,此时,射流 PV/T 空气集热器的净发电效率、热效 率 与 总 有 效 效 率 分 别 为 15.38%、49.95%与 65.34%;而当需要达到最大的产热量时,最优的送风速度为 3.0 m/s,此时,射流PV/T 空气集热器的净发电效率、热效率与总有效效率分别为 14.26%、52.87%与 67.13%。5 结论为了进一步提高折流板太阳能光热伏空气集热器的性能,本文将空气射流技术与 PV/T 技术相结合,提出了一种射流 PV/T 空气集热器。利用计算流体动力学软件建立了普通PV/T 空气集热器与射流 PV/T 空气集热器的数学模型,通过对 PV/T 空气集热器内部空气流动与传热特性的分析来确定射流 PV/T 空气集热器的优越性。模拟结果表明:(1)由折流板引起的空气射流能从“提高空气与单晶硅光伏模块的对流传热系数”与“使空气在单晶硅光伏模块表面分布得更均匀”两个方面来强化空气与单晶硅光伏模块的对流传热能力。(2)射流 PV/T 空气集热器的发电效率明显高于普通 PV/T 空气集热器,且两者的差距从送风速度 0.5 m/s 时的 1.15%增加到了0.5 m/s 时的 2.71%。但若考虑风机能耗的影响,PV/T 空气集热器的净发电效率在送风速度 2.0 m/s 时达到最大值 15.38%。(3)当追求最大净发电量时,最佳的送风速度为 2.0 m/s。在这种情况下,射流 PV/T 空气集热器的净发电效率、热效率和总有效效率分别为 15.38%、49.95%和 65.34%。而当追求最大产热量时,最佳的送风速度则为3.0 m/s。在这种情况下,射流 PV/T 空气集热器的净发电效率、热效率和总有效效率分别为 14.26%、52.87%和 67.13%。参考文献 1SONG Z,XUE Y,JIA B,et al.Introduction of the rectangular hole plate in favor the performance of photovoltaic thermal solar air heaters with bafflesJ.Applied Thermal Engineering,2022,220:119774.2PILIOUGINE M,OUKAJA A,SIDRACH DE CARDONA M,et al.Temperature coefficients of degraded crystalline silicon photovoltaic modules at outdoor conditions J.Progress in Photovoltaics:Research and Applications,2021,29(5):558-570.3孙瑞鸿,周盛世,李龙.“双碳”背景下光伏建筑一体化发展影响因素分析 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期过透视镜观察到冷凝器内的铜管及冷凝器内的冷凝过程,发生器内的铜管及发生器内的发生过程,蒸发器内的铜管以及采用真空升膜设计的矩形槽道,蒸发器内的蒸发过程,吸收器中的铜管和淋盘结构以及吸收器内的吸收过程。相对于传统空调,本装置通过设计浓稀溶液混合为中间溶液流向吸收器,不但可通过调节浓稀溶液的量来促进制冷循环速率,还在结构上减少了屏蔽泵的使用数量,本装置可满足教学上的需要。参考文献 1吴启迪.明确任务 不断开创新建本科院校教学工作新局面 J.中国大学教育,2004(8):4-5.2袁贵仁.转变教育思想观念 全面推进素质教育构建中国特色的高等教育人才培养体系 J.中国大学教育,2003(5):4-8.3王敬宇.浅谈溴化锂吸收式制冷机组 J.建材发展导向,2019(8):79.4胡志鹏,刘华凯,郝占栋.一种太阳能热辅助溴化锂吸收式制冷机组空调系统的应用研究 J.制冷与空调(四川),2020,34(4):477-480+499.5程友良,刘萌,李卫华,等.小型太阳能驱动单效溴化锂吸收式制冷机组的模拟研究 J.太阳能学报,2020,41(12):178-184.6LI T,YIN Y G,LIANG Z Q,et al.Experimental study on heat and mass transfer performance of falling film absorption over a vertical tube using LiCl solution J.International Journal of Refrigeration,2018,85:109-119.(上接第 45 页)9贾斌广,刘芳,王达,等.扰流板太阳能空气集热器的流 道 优 化 J.化 工 进 展,2019,38(2):817-823.10侯娜娜.光伏太阳能电池板自然通风冷却的研究 D.石家庄:河北科技大学,2016.11张大鹏,刘芳,贾斌广.扰流板式太阳墙内流动传热 分 析 J.可 再 生 能 源,2018,36(10):1455-1461.12JOA B,LIU F,LI X,et al.Influence on thermal performance of spiral solar air heater with longitudinal baffles J.Solar 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