集成相变储热材料的光伏/热复合系统性能分析

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22040

摘要/Abstract

摘要：

将相变材料(phase change material，PCM)与光伏/热(photovoltaic/thermal，PV/T)模块集成，可通过提高冷却能力改善光伏面板的发电效率，同时利用PCM存储热能并合理利用。在2种集成相变储热材料的PV/T模块设计基础上，采用数值模拟方法进行性能分析，并与传统PV/T装置进行比较。从能量和?2方面对集成系统的整体性能进行分析，并研究冷却工质流量的影响。结果表明，将相变储热材料与PV/T模块集成可显著提高系统的整体性能。其中集成2种相变储热材料的PV/T系统的日总能量效率和总?效率最高，分别为67.65%和12.86%，每日可提供的能量最高可达3 603.2 W·h/m²。随着冷却工质体积流量的增加，总能量效率略有提高，但总?效率显著下降。

关键词: 相变储热, 光伏/热(PV/T), ?效率, 太阳能

Abstract:

Incorporating phase change material (PCM) with photovoltaic/thermal (PV/T) modules can improve the power generation efficiency of photovoltaic panels by increasing the cooling capacity, and the stored heat can also be used rationally. Based on the design of two PV/T modules integrated with phase change heat storage materials, the performances were analyzed numerically and compared with the traditional PV/T panel. The overall performance of integrated system was analyzed from the energy and exergy aspect. The influence of cooling fluid flow was also examined. The results show that the integration of PCM with PV/T module can significantly improve the overall performance of the system. The PV/T system with two phase change heat storage materials have the highest daily total energy efficiency and overall exergic efficiency, reaching 67.65% and 12.86%, respectively. Moreover, the maximum energy per day could reach 3603.2 W·h/m². With the increase of the volume rate of cooling fluid, the overall energy efficiency increases slightly, but the overall exergic efficiency decreases significantly.

Key words: phase change heat storage, photovoltaics/thermal (PV/T), exergy efficiency, solar energy

中图分类号:

TK 02

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图/表 17

表1 模型设计中的主要参数

Tab. 1 Main parameters in model design

参数	数值
玻璃盖尺寸/(mm×mm×mm)	670×465×3.2
太阳能电池尺寸/(mm×mm×mm)	670×465×0.3
Tedlar尺寸/(mm×mm×mm)	670×465×0.5
最大功率/W	40
太阳能电池效率/%	17.3
组件效率/%	12.84
水管外径/mm	9
水管内径/mm	7
水管高度/mm	421
水管间距/mm	10
绝缘(聚氨酯)厚度/mm	10
PCM-a层厚/mm	11
PCM-b层厚/mm	10

图1 3种不同的PV/T结构示意图

Fig. 1 Schematic diagrams of three different PV/T structures

表2 PCM的热物理性质

Tab. 2 Thermophysical properties of PCM

参数	PCM-a	PCM-b
熔化温度范围/℃	29~36	27~33
比热容/(kJ⋅kg^-1⋅K^-1)	2	2
蓄热容量/(kJ⋅kg^-1)	160	165
密度/(kg⋅m^-3)	815	820
导热系数/(W⋅m^-1⋅K^-1)	0.2	0.2

表3 所用材料的热物理性质

Tab. 3 Thermophysical properties of the used materials

材料	密度/(kg/m³)	导热系数/[W/(m·K)]	比热[J/(kg·K)]
玻璃	2 770	2	500
PV电池	2 330	148	677
Tedlar	1 200	0.15	1 250
铝	2 719	202.4	871

表4 所用元件的光学性质

Tab. 4 Optical properties of the used elements

材料	反射率	吸收率	透射率	发射率
玻璃	0.04	0.04	0.92	0.85
PV电池	0.08	0.90	0.02	—
铝	—	—	—	0.90

图2 PV/T-PCM(I)结构的网格独立性验证

Fig. 2 Mesh independence verification of PV/T-PCM(I) structure

图3 数值模拟结果与文献结果的对比

Fig. 3 Comparison of numerical simulation results with literature results

图4 北京8月典型日环境的变化

Fig. 4 Hourly variations of ambient conditions for a typical day in August of Beijing

图5 太阳能电池和出水口温度随时间的变化曲线

Fig. 5 Variation curves of PV cell and water outlet temperatures with time

图6 13:00时体积流量对PV电池和出水温度的影响

Fig. 6 Influence of volume flow rate on PV cell and water outlet temperatures at 13:00

图7 电功率和热功率随时间的变化曲线

Fig. 7 Variation curves of thermal power and electrical power with time

图8 电效率、热效率和总能量效率随时间的变化曲线

Fig. 8 Variation curves of electrical, thermal and overall energetic efficiencies with time

图9 电功率和热功率随体积流量的变化曲线

Fig. 9 Variation curves of thermal power and electrical power with volume flow rate

图10 体积流量对电、热效率和总能量效率的影响

Fig. 10 Effect of volume flow rate on electrical, thermal, and overall energetic efficiencies

图11 电、热?效率和总?效率随时间的变化曲线

Fig. 11 Variation curves of electrical, thermal and overall exergetic efficiencies with time

图12 体积流量变化对电、热?效率和总?效率的影响

Fig. 12 Effect of volume flow rate on electrical and thermal exergy efficiencies, and overall exergetic efficiency

图13 3种装置每日可提供的电能和热能

Fig. 13 Daily electrical and thermal energy outputs for three configurations

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