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

Mohamed ABD-HAMID, 夏龙禹, 魏高升, 崔柳, 徐超, 杜小泽. 集成相变储热材料的光伏/热复合系统性能分析[J]. 发电技术, 2023, 44(1): 53-62.

ABD-HAMID Mohamed, Longyu XIA, Gaosheng WEI, Liu CUI, Chao XU, Xiaoze DU. Performance Analysis of Photovoltaic/Thermal Hybrid System Integrated With Phase Change Heat Storage Materials[J]. Power Generation Technology, 2023, 44(1): 53-62.

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

参考文献 31

1	YUAN J H， KANG J G， ZHAO C H，et al ．Energy consumption and economic growth：evidence from China at both aggregated and disaggregated levels[J]．Energy Economics，2008，30(6)：3077-3094． doi:10.1016/j.eneco.2008.03.007
2	MA T， YANG H， LU L，et al ．Technical feasibility study on a standalone hybrid solar-wind system with pumped hydro storage for a remote island in Hong Kong[J]．Renewable Energy，2014，69：7-15． doi:10.1016/j.renene.2014.03.028
3	MA T， YANG H， LU L，et al ．Pumped storage-based standalone photovoltaic power generation system：modeling and techno-economic optimization[J]．Applied Energy，2015，137：649-659． doi:10.1016/j.apenergy.2014.06.005
4	TIWARI G N， DUBEY S ．Fundamentals of photovoltaic modules and their applications[EB/OL]．(2009-12-31)[2022-01-02]．． doi:10.1039/9781849730952-fp011
5	TOUAFEK K， HADDADI M， MALEK A ．Design and modeling of a photovoltaic thermal collector for domestic air heating and electricity production[J]．Energy and Buildings，2013，59：21-28． doi:10.1016/j.enbuild.2012.10.037
6	SOBHNAMAYAN F， SARHADDI F， ALAVI M A，et al ．Optimization of a solar photovoltaic thermal (PV/T) water collector based on exergy concept[J]．Renewable Energy，2014，68：356-365． doi:10.1016/j.renene.2014.01.048
7	DUPEYRAT P， MÉNÉZO C， FORTUIN S ．Study of the thermal and electrical performances of PVT solar hot water system[J]．Energy and Buildings，2014，68：751-755． doi:10.1016/j.enbuild.2012.09.032
8	NISHIOKA K， HATAYAMA T， URAOKA Y，et al ．Field-test analysis of PV system output characteristics focusing on module temperature[J]．Solar Energy Materials and Solar Cells，2003，75(3/4)：665-671． doi:10.1016/s0927-0248(02)00148-4
9	肖瑶，钮文泽，魏高升，等．太阳能光伏/光热技术研究现状与发展趋势综述[J]．发电技术，2022，43(3)：392-404． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.21145
	XIAO Y， NIU W Z， WEI G S，et al ．Review on research status and developing tendency of solar photovoltaic/thermal technology[J]．Power Generation Technology，2022，43(3)：392-404． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.21145
10	李英峰，张涛，张衡，等．太阳能光伏光热高效综合利用技术[J]．发电技术，2022，43(3)：373-391． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22052
	LI Y F， ZHANG T， ZHANG H，et al ．Efficient and comprehensive photovoltaic/photothermal utilization technologies for solar energy[J]．Power Generation Technology，2022，43(3)：373-391． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22052
11	KERN JR E C， RUSSELL M C ．Combined photovoltaic and thermal hybrid collector systems[R]．Lexington：Lincoln Lab，1978． doi:10.2172/7151726
12	JOSHI A S， TIWARI A， TIWARI G N，et al ．Performance evaluation of a hybrid photovoltaic thermal (PV/T) (glass-to-glass) system[J]．International Journal of Thermal Sciences，2009，48(1)：154-164． doi:10.1016/j.ijthermalsci.2008.05.001
13	SLIMANI M E A， AMIRAT M， KURUCZ I，et al ．A detailed thermal-electrical model of three photovoltaic/thermal (PV/T) hybrid air collectors and photovoltaic (PV) module：comparative study under Algiers climatic conditions[J]．Energy Conversion and Management，2017，133：458-476． doi:10.1016/j.enconman.2016.10.066
14	KAZEMIAN A， HOSSEINZADEH M， SARDARABADI M，et al ．Effect of glass cover and working fluid on the performance of photovoltaic thermal (PVT) system：an experimental study[J]．Solar Energy，2018，173：1002-1010． doi:10.1016/j.solener.2018.07.051
15	GAUR A， MÉNÉZO C， GIROUX S ．Numerical studies on thermal and electrical performance of a fully wetted absorber PVT collector with PCM as a storage medium[J]．Renewable Energy，2017，109：168-187． doi:10.1016/j.renene.2017.01.062
16	张晨宇，王宁，徐洪涛，等．基于相变材料的太阳能PV/T系统性能[J]．化工学报，2020，71(S1)：361-367．
	ZHANG C Y， WANG N， XU H T，et al ．Photovoltaic and thermal performance of solar PV/T system with phase change material[J]．CIESC Journal，2020，71(S1)：361-367．
17	纪珺，刘宇飞，任迎蕾，等．Ba(OH)₂∙8H₂O复合相变材料及其在太阳能光伏/热集热器上的释热特性[J]．化工学报，2017，68(8)：2985-2990．
	JI J， LIU Y F， REN Y L，et al ．Ba(OH)₂∙8H₂O composite phase-change material and its heat release characteristics in solar photovoltaic/photo-thermal collectors[J]．CIESC Journal，2017，68(8)：2985-2990．
18	STROPNIK R， STRITIH U ．Increasing the efficiency of PV panel with the use of PCM[J]．Renewable Energy，2016，97(C)：671-679． doi:10.1016/j.renene.2016.06.011
19	HASAN A， SARWAR J， ALNOMAN H，et al ．Yearly energy performance of a photovoltaic-phase change material (PV-PCM) system in hot climate[J]．Solar Energy，2017，146：417-429． doi:10.1016/j.solener.2017.01.070
20	SU D， JIA Y， LIN Y，et al ．Maximizing the energy output of a photovoltaic-thermal solar collector incorporating phase change materials[J]．Energy and Buildings，2017，153：382-391． doi:10.1016/j.enbuild.2017.08.027
21	BROWNE M C， NORTON B， MCCORMACK S J ．Heat retention of a photovoltaic/thermal collector with PCM[J]．Solar Energy，2016，133：533-548． doi:10.1016/j.solener.2016.04.024
22	陈红兵，栾丹明，褚赛，等．基于相变流体的热管式太阳能PV/T热电联供系统实验研究[J]．可再生能源，2017，35(7)：984-989． doi:10.3969/j.issn.1671-5292.2017.07.006
	CHEN H B， LUAN D M， CHU S，et al ．Experimental study on the performance of a slurry PCM-based heat pipe solar PV/T cogeneration system[J]．Renewable Energy Resources，2017，35(7)：984-989． doi:10.3969/j.issn.1671-5292.2017.07.006
23	KHANNA S， REDDY K S， MALLICK T K ．Photovoltaic system integrated with phase change material for South West UK climate[C]//AIP Conference Proceedings．New York：AIP Publishing LLC，2018，2012(1)：080007．
24	ANDERSON J D ．Governing equations of fluid dynamics[M]．Berlin：Springer，1992：15-51． doi:10.1007/978-3-662-11350-9_2
25	BENDER E ．Numerical heat transfer and fluid flow[M]．New York：Hemisphere Publishing Corporation，1981． doi:10.1002/cite.330530323
26	WANG S L， CHEN L Y， ZHANG B X，et al ．A new design of double-layered microchannel heat sinks with wavy microchannels and porous-ribs[J]．Journal of Thermal Analysis and Calorimetry，2020，141(1)：547-558． doi:10.1007/s10973-020-09317-3
27	BATCHELOR G K ．The effect of Brownian motion on the bulk stress in a suspension of spherical particles[J]．Journal of Fluid Mechanics，1977，83(1)：97-117． doi:10.1017/s0022112077001062
28	ANSYS ．ANSYS fluent theory guide[Z]．Canonsburg：ANSYS，2018．
29	WATMUFF J H， CHARTERS W W S， PROCTOR D ．Solar and wind induced external coefficients-solar collectors[J]．Cooperation Mediterraneenne Pour Lenergie Solaire，1977：56．
30	ZHOU J， YI Q， WANG Y，et al ．Temperature distribution of photovoltaic module based on finite element simulation[J]．Solar Energy，2015，111：97-103． doi:10.1016/j.solener.2014.10.040
31	SARHADDI F， FARAHAT S， AJAM H，et al ．An improved thermal and electrical model for a solar photovoltaic thermal (PV/T) air collector[J]．Applied Energy，2010，87(7)：2328-2339． doi:10.1016/j.apenergy.2010.01.001

[1]	屠楠, 刘家琛, 徐静, 方嘉宾, 马彦花. 管壳式相变蓄热器的蓄释热过程性能分析[J]. 发电技术, 2024, 45(3): 508-516.
[2]	董军, 汤建方, 臧春城, 徐立, 王志峰. 抛物面槽式太阳能集热器球形接头测试系统的研制与应用[J]. 发电技术, 2024, 45(2): 291-298.
[3]	徐立, 孙飞虎, 李钧, 张强强. 抛物面槽式太阳能集热器热损失因素研究[J]. 发电技术, 2023, 44(2): 229-234.
[4]	郭学伯, 范良迟, 许浈婧, 李有, 林俊, 陈林. 助力节能降碳的相变储热材料研究和应用进展[J]. 发电技术, 2023, 44(2): 201-212.
[5]	王晓文, 屠楠, 方嘉宾, 刘晓群, 王驰宇, 刘家琛. 布置螺旋管的太阳能腔式吸热器光学性能模拟[J]. 发电技术, 2023, 44(2): 221-228.
[6]	岳晓鹏, 赵兴, 闫慧琳, 樊冰冰, 黄浩, 闫路遥, 崔鹏, 马峻峰, 李美成. 基于SnO₂电子传输层的n-i-p型钙钛矿太阳能电池关键技术研究[J]. 发电技术, 2023, 44(1): 63-77.
[7]	王宇兴, 赵彦杰, 杨湛晔, 张虎润, 林曼妮. 喷射式冷电联供系统优化分析[J]. 发电技术, 2022, 43(6): 942-950.
[8]	徐运飞, 吴水木, 李英杰. 面向太阳能热发电的CaO-CO₂热化学储热技术研究进展[J]. 发电技术, 2022, 43(5): 740-747.
[9]	徐立, 孙飞虎, 李志, 张强强. 一种太阳能集热器流体平均温度计算方法[J]. 发电技术, 2022, 43(3): 405-412.
[10]	李英峰, 张涛, 张衡, 崔鹏, 付在国, 高中亮, 耿奇, 柳志晗, 朱群志, 李和兴, 李美成. 太阳能光伏光热高效综合利用技术[J]. 发电技术, 2022, 43(3): 373-391.
[11]	肖瑶, 钮文泽, 魏高升, 崔柳, 杜小泽. 太阳能光伏/光热技术研究现状与发展趋势综述[J]. 发电技术, 2022, 43(3): 392-404.
[12]	廖志荣, 李朋达, 田紫芊, 徐超, 魏高升. 非均匀翅片对级联相变储热系统热性能强化的研究[J]. 发电技术, 2022, 43(1): 83-91.
[13]	蔡肖, 徐阳, 杨超, 郑章靖. 一种相变储热器内翅片结构的快速优化算法[J]. 发电技术, 2022, 43(1): 92-101.
[14]	张沧洪, 屠楠, 方嘉宾. 单侧非均匀热流边界下水/蒸汽太阳能吸热管热应力研究[J]. 发电技术, 2021, 42(6): 699-706.
[15]	薛凯, 王义函, 陈衡, 徐钢, 雷兢. 槽式太阳能辅助生物质热电联产系统热力学性能分析[J]. 发电技术, 2021, 42(6): 653-664.