光伏光熱系統流程與數值模擬

摘 要

光伏光熱(PVT)系統既可發電，又可為建筑提供生活熱水，實現了熱電聯供。介紹了PVT系統流程及PVT模塊的結構，建立了PVT系統的傳熱數學模型。采用Matlab對模型進行求解，進行了精度驗證。對夏熱冬暖地區實際PVT系統的綜合熱效率(包括PVT模塊發電效率、蓄熱水箱熱效率)進行了模擬計算。

摘要： 光伏光熱(PVT)系統既可發電，又可為建筑提供生活熱水，實現了熱電聯供。介紹了PVT系統流程及PVT模塊的結構，建立了PVT系統的傳熱數學模型。采用Matlab對模型進行求解，進行了精度驗證。對夏熱冬暖地區實際PVT系統的綜合熱效率(包括PVT模塊發電效率、蓄熱水箱熱效率)進行了模擬計算。

關鍵詞： 光伏光熱模塊； 光伏光熱系統； 光伏電池； 熱電聯供

 

Technological Process and Numerical Simulation

Abstract：Photovohaic／thermal(PVT)system can generate electricity and provide hot water tor buildings，and the heat and power cogeneration is achieved．The technological process of PVT system and the stmcture of PVT module are introduced，and a heat transfer mathematical model for PVT system is established．The model is solved by Matlab and its accuracy is verified．The comprehensive thermal efliciencv of the actual PVT system including the power generation efficiency of PVT module and the thermalefficiencv of heat storage tank in the subtropical region，is simulated．

Key words： photovohaic／thermal(PVT)module；photovoltaic／thermal(PVT)system；photovohaic eell：heat and power cogeneration

 

1 PVT系統流程及PvT模塊結構

光伏光熱(Photovohaic Solar Thermal，簡稱PVT)是在光伏發電的基礎上發展而來的。光伏(PV)電池在發電的過程中，會產生大量熱，可以考慮把這部分熱量收集起來，為建筑供應生活熱水，實現PVT系統對建筑的熱電聯供。

PVT系統流程見圖l，PVT模塊的結構見圖2。PVT模塊分為7部分：玻璃蓋板、光伏(PV)電池板、硅脂層、集熱器、水管、絕熱層、框架。在玻璃蓋板與PV池板之間設計空氣層是為了減少PV電池板正面的熱損失，硅脂層是為了加強PV電池板與集熱器之間的傳熱，絕熱層是為了減少集熱器背部的熱損失。通常為了使每根水管的溫度一致，水管由粘合劑均勻貼在集熱器上，水吸收熱量后被送入蓄熱水箱。

 

 

2數學模型的建立、求解及精度驗證

2．1模型的建立

    玻璃蓋板的非穩態傳熱平衡方程為：

   

 

 

 

 

    供水管指連接蓄熱水箱出口與PVT模塊進口的水管，回水管指連接PVT模塊出口與蓄熱水箱進口的水管。設定每根水管中水的流速相同，忽略熱損失，供水、回水管的熱平衡方程分別為：

 

 

 

 

    設定蓄熱水箱內水溫分布一致，忽略散熱損失，蓄熱水箱內水的熱平衡方程為：

   

 

 

    為了比較PVT系統的熱電聯供性能，將PVT模塊的發電量折算為熱量，考慮電量100％轉化為熱量，并以綜合熱效率對PVT系統熱電聯供性能進行考量，綜合熱效率η的計算式為：

  

 

 

 

2．2求解

采用Matlab對數學模型進行編程求解，求解流程見圖3。讀入所在地區的太陽輻射強度、室外空氣溫度等氣象數據，氣象數據間隔均為60 min，構造氣象數據的插值函數，以便在程序求解過程中調用。接下來設定PV電池板的初始溫度Tp、集熱器的初始溫度Tc，時間步長Δt由Matlab軟件自動選取。利用空間的三點差分法[3]將非穩態傳熱方程進行時間離散化，建立常微分方程組。將常微分方程組聯立，成為一個新的常微分方程組。通過Matlab中的函數odel5s對常微分方程組進行求解[4]，增加時間步長迭代循環至時間計算區間內結束。

    由以上過程可以求解得到PVT模塊溫度、發電量及蓄熱水箱內得到的熱量，通過計算得到PVT系統的綜合熱效率。

 

 

 

2．3精度驗證

    PVT系統實驗流程見圖l，設置溫度計、流量計、電流表、電壓表，測量各測點的溫度、水的流量及計算PVT模塊的發電功率。實驗臺布置見圖4。

 

 

   實驗臺由PVT模塊、蓄熱水箱、太陽能模擬器等組成。太陽能模擬器提供穩定光照輻射強度，實驗在平均輻射強度為514.54 W／m2的工況下進行。PVT模塊放置在太陽能模擬器正下方，表面積為0.83 m2，與地面成20°傾角。蓄熱水箱容積為27 L，外貼絕熱材料和鋁箔。連接蓄熱水箱和PVT模塊的水管為塑料軟管，管外纏繞絕熱材料和鋁箔。測試時問為5 h，模型輸入環境溫度為25℃。實測綜合熱效率為41.4％，模擬綜合熱效率為43．4％，二者的相對誤差為-4.6％，滿足精度要求，模擬結果可以接受。

3 PVT系統性能的模擬

①實際PVT系統結構及參數

以某夏熱冬暖地區氣象參數為依據，設計小型PVT系統，應用于別墅等單體建筑上。實際的PVT系統結構采用2塊PVT模塊。系統采用自然循環，自來水進入蓄熱水箱，再經供水管進入PVT模塊，對PV電池板進行冷卻后，經過回水管進入蓄熱水箱。PVT模塊安裝在屋頂上，傾角為22°。兩塊PVT模塊的有效面積為l.24 m2，供水管長4 m，回水管長4 m，蓄熱水箱容積為60 L。氣象參數取當地日平均室外空氣溫度、日平均太陽輻射強度。

②模擬結果及分析

某日9：30—16：30，PVT模塊l、2溫度及蓄熱水箱內水溫隨時間變化的模擬結果見圖5。由圖5可知，從9：30開始，PVT模塊的溫度持續上升，到14：30時，達到最大值73℃。l4：30后，PVT模塊的溫度開始下降。蓄熱水箱內的水的溫度一直呈上升趨勢，在16：30結束時，蓄熱水箱內水溫達到65℃。PVT模塊全年發電量的模擬結果見圖6，經計算PVT模塊全年發電量為l 299.6 MJ。蓄熱水箱全年得到熱量的模擬結果見圖7，經計算總得熱量為4 639．6 MJ。經計算可得，PVT系統的綜合熱效率為44.2％。

 

 

 

4結論

①在輻射強度為514.54W/m2的實驗工況下，PVT系統的實測綜合熱效率為41.4%，模擬綜合熱效率為43.4%，二者的相對誤差為-4.6%，模擬結果可以接受。

②夏熱冬暖地區某實際PVT系統的綜合熱效率模擬結果為44.2%。

 

參考文獻：

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[3] YOGESH J，KENETH E T．Computational heat transfer [M]．2nd．New York：Taylor & Francis，2003：134-153．

[4] 張志涌．精通MATLAB 6．5版[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2003：207-213．

本文作者：王麗文1， 張君美l， 張 鎮2， 呂 建3， 牛彥雷3

作者單位：1．天津大學建筑設計研究院；2．中國市政工程華北設計研究總院