馮朝卿，鄭宏飛，王瑞

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古，呼和浩特 010051；2.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

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一種光伏-熱通風(fēng)裝置的熱特性試驗(yàn)研究

馮朝卿1，2，鄭宏飛2，王瑞2

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古，呼和浩特 010051；2.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

提出一種新型的光伏/熱通風(fēng)裝置，利用CFD仿真對(duì)比分析了底板進(jìn)氣和側(cè)板進(jìn)氣兩種不同形式下裝置內(nèi)溫度分布情況. 試驗(yàn)結(jié)果表明底板進(jìn)氣可有效降低裝置內(nèi)最高溫度，并使裝置內(nèi)溫度分布更加均勻. 對(duì)新型光伏-熱通風(fēng)裝置進(jìn)行了室內(nèi)穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)，通過(guò)改變加熱功率、風(fēng)速及底板通風(fēng)孔個(gè)數(shù)，分析不同工況下裝置的熱特性. 結(jié)果表明：出風(fēng)口溫度和裝置內(nèi)最高溫度隨著加熱功率的增加而增加，但裝置熱效率隨著加熱功率的升高而降低，減少底板孔數(shù)后裝置內(nèi)溫度分布更均勻；定加熱功率試驗(yàn)表明風(fēng)速越大裝置效率越高. 此基礎(chǔ)上對(duì)新型光伏-熱通風(fēng)裝置進(jìn)行室外實(shí)際天氣條件下性能試驗(yàn). 結(jié)果表明裝置對(duì)空氣的加熱功率變化趨勢(shì)與輻照度的變化趨勢(shì)接近，整個(gè)裝置在中午時(shí)熱量利用率最高.

光伏-熱利用；通風(fēng)；熱特性；試驗(yàn)研究

新型光伏-熱通風(fēng)裝置是利用太陽(yáng)能進(jìn)行光伏發(fā)電及熱利用的一種新型裝置. 30多年來(lái)PV/T系統(tǒng)以其較高的綜合熱效率受到各國(guó)研究人員的青睞[1-4]. Ibrahim，Naewngerndee R和Coventry J S等分別對(duì)PV/T系統(tǒng)進(jìn)行了性能測(cè)試和系統(tǒng)優(yōu)化研究[5-7].聚光型太陽(yáng)能光電光熱綜合利用(PV/T)系統(tǒng)在達(dá)到同等電力輸出的前提下，可以減少PV/T集熱器的面積，降低成本.常規(guī)太陽(yáng)電池在高聚光比下的性能提高有限[8-9]，使得低倍聚光比下復(fù)合拋物面聚光器(CPC)具有更好的發(fā)展前景. Adsten等[10]做了CPC與房頂或墻面安裝的相關(guān)分析. Li Guiqiang等[11]對(duì)空氣夾層的CPC進(jìn)行了相應(yīng)的理論研究. 此外，蘇躍紅等[12]還對(duì)lens-walled型CPC進(jìn)行了深入的太陽(yáng)能收集對(duì)比研究.

文中設(shè)計(jì)了一種新型光伏熱通風(fēng)裝置，其最大特點(diǎn)是利用高透明度的亞克力板制成的固體CPC進(jìn)行聚光，CPC下端貼太陽(yáng)能電池發(fā)電，通過(guò)改變光線的入射角可以改變光線的透過(guò)率.光線直射時(shí)透過(guò)率低，發(fā)電生熱效率高，光線入射角增大時(shí)，透過(guò)率增加，而生熱發(fā)電效率降低.利用這樣的特點(diǎn)可將文中設(shè)計(jì)的光伏-熱通風(fēng)裝置應(yīng)用在建筑屋頂或溫室，通過(guò)調(diào)節(jié)太陽(yáng)光入射角來(lái)調(diào)節(jié)室內(nèi)亮度及熱空氣溫度.

1 光伏/熱通風(fēng)裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

新型光伏-熱通風(fēng)裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，裝置由上蓋板，下底板及側(cè)板組成，上、下蓋板均由高透明度的亞克力板加工而成，上蓋板上表面為光滑平面，下表面為截?cái)嗍紺PC，實(shí)體CPC截?cái)嗪蟮木酃獗葹?.

新型PV/T裝置聚光發(fā)電和利用太陽(yáng)能加熱空氣的工作原理為：太陽(yáng)光由上表面射入，經(jīng)過(guò)透明CPC的折射和反射進(jìn)入裝置，當(dāng)入射角較小的時(shí)候(中午)，光線被匯聚到PV上，產(chǎn)生電能和熱量；當(dāng)入射角較大的時(shí)候(上、下午)，光線經(jīng)過(guò)下表面，穿過(guò)裝置，可用來(lái)照明.由于PV發(fā)電同時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱，且裝置上下板之間的空氣受到太陽(yáng)光照后會(huì)產(chǎn)生溫室效應(yīng)，使得上下板之間的空氣溫度升高.通過(guò)風(fēng)機(jī)進(jìn)行抽氣，空氣由下底板的小孔進(jìn)入裝置，被加熱后由出風(fēng)口排出，進(jìn)行熱利用，可額外獲得熱能，實(shí)現(xiàn)聚光光伏與光熱的結(jié)合，提高能量綜合利用率.

2 不同進(jìn)氣孔位置對(duì)裝置熱特性影響

研究實(shí)體CPC構(gòu)成的透射式PV/T系統(tǒng)的進(jìn)氣孔位置對(duì)裝置溫度分布及空氣流動(dòng)特性的影響，文中首先對(duì)底板多孔進(jìn)氣和側(cè)板單孔進(jìn)氣兩種不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析. 底板多孔進(jìn)氣結(jié)構(gòu)中，底板均布了15×15共225個(gè)直徑為3 mm的小孔，孔間距10 mm；側(cè)板進(jìn)氣結(jié)構(gòu)中空氣的進(jìn)出口均為直徑15 mm孔，分布在裝置兩側(cè)裝置. 其內(nèi)空氣部分網(wǎng)格如圖2所示.

相同的出口靜壓下，電池生熱功率為72 W時(shí)，計(jì)算了兩種不同空氣入口結(jié)構(gòu)情況下裝置內(nèi)溫度分布. 計(jì)算結(jié)果表明：底板進(jìn)氣時(shí)電池板溫度分布較為均勻，最高溫度點(diǎn)出現(xiàn)在距離出口最遠(yuǎn)端的區(qū)域，最高溫度值為93 ℃；側(cè)板進(jìn)氣時(shí)電池板高溫區(qū)分布在兩側(cè)靠近出口處，溫差較大，最高溫度值132 ℃. 出口靜壓恒定時(shí)，對(duì)比兩種不同結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果，如表1所示.

表1 出口靜壓相同時(shí)仿真結(jié)果對(duì)比

Tab.1 Simulation results comparison in same static pressure

結(jié)構(gòu)出口風(fēng)速/(m·s-1)出口溫度/℃電池平均溫度/℃電池最高溫度/℃底板進(jìn)氣3888295372930側(cè)板進(jìn)氣31102943821320

表1表明兩種結(jié)構(gòu)對(duì)電池板平均溫度的影響較小，但對(duì)裝置內(nèi)最高溫度值的影響較大，因此選擇底板進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的光伏/熱通風(fēng)裝置結(jié)構(gòu)形式.

3 試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理

按照仿真結(jié)果制作試驗(yàn)樣件并對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試. 系統(tǒng)主要由光伏-熱通風(fēng)裝置、鼓風(fēng)機(jī)、溫度記錄儀、風(fēng)速測(cè)量?jī)x組成. 試驗(yàn)中，溫度采用K型熱電偶提取信號(hào)，溫度記錄儀給出溫度數(shù)值，16個(gè)熱電偶的分布如圖3所示，圖中未標(biāo)示的16號(hào)熱電偶為環(huán)境溫度.風(fēng)速采用KA22型熱式風(fēng)速儀測(cè)量，誤差為±2%.

4 室內(nèi)穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)

4.1 不同底板開孔數(shù)下的室內(nèi)穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)

試驗(yàn)中，給系統(tǒng)輸入給定的功率值，分析在某風(fēng)速值時(shí)裝置內(nèi)部各點(diǎn)的溫度分布.當(dāng)輸入系統(tǒng)的功率值不同時(shí)，裝置內(nèi)部的溫度分布及空氣的升溫狀態(tài)是不一樣的. 圖4給出了當(dāng)輸入功90 W時(shí)(裝置的上表面積為0.09 m2，得熱90 W，相當(dāng)于裝置處于1 000 W/m2的太陽(yáng)輻照度下所有太陽(yáng)輻照能量全部轉(zhuǎn)化為熱能)，系統(tǒng)從開始到溫度穩(wěn)定各測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化曲線. 此時(shí)，裝置背板的通風(fēng)孔分布為30 cm×30 cm共計(jì)900個(gè)孔，孔直徑為3 mm. 此時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)的風(fēng)流量為21.8 kg/h.

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，雖然裝置的熱惰性較小，但要使裝置達(dá)到基本的穩(wěn)定狀態(tài)，大約需要2 000 s左右.這與裝置原來(lái)是冷卻的有關(guān)，如果裝置是在熱狀態(tài)下，也許達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間要短得多.也可以發(fā)現(xiàn)，在裝置中，溫度分布是不均勻的，整體趨勢(shì)為由出風(fēng)口向各方向遞增，裝置邊緣處由于熱損失較大而溫度降低.T1的溫度最高，為46.2 ℃；T14的溫度最低，為34.7 ℃；裝置內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)的平均溫度為41.3 ℃，與T3、T8和T13基本接近，而裝置外表面平均溫度為25.9 ℃，與T4較為接近，進(jìn)出口空氣的溫差在10 ℃左右. 由此可以說(shuō)明，改變裝置導(dǎo)熱性能，增加保溫層可以增加裝置內(nèi)部的平均溫度和出風(fēng)口溫度；調(diào)整底板孔密度及其分布，可以改變裝置中的空氣流動(dòng)狀況，從而改變裝置內(nèi)部的溫度狀況. 此外，T3的趨勢(shì)與眾不同，試驗(yàn)結(jié)束后發(fā)現(xiàn)該熱電偶與加熱片黏接處出現(xiàn)松動(dòng)，從而影響了其變化趨勢(shì).

當(dāng)背板的通風(fēng)孔密度被改變時(shí)，在相同的加熱功率(90 W)條件下，裝置內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的溫度變化如圖5所示.此時(shí)，孔數(shù)為原來(lái)的1/2左右，共480個(gè).對(duì)比圖4(b)和圖5(b)可以看到，減少底板孔數(shù)后裝置內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫差較900孔時(shí)變小，這是由于當(dāng)背板孔密度降低時(shí)，距離出風(fēng)口較遠(yuǎn)的小孔也會(huì)有空氣流入，使得裝置底板更大面積上的小孔參與空氣流動(dòng)，從而使裝置內(nèi)各點(diǎn)溫度分布較均勻.與其他測(cè)點(diǎn)不同的是T1和T2這兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫差加大，在900孔時(shí)，溫差為0.5 ℃，而堵孔后，溫差為1.5 ℃，根據(jù)位置分布圖可知這兩個(gè)測(cè)點(diǎn)在離出風(fēng)口較遠(yuǎn)的一側(cè)，900孔時(shí)，由于孔密度較大，參與空氣流動(dòng)的小孔分布在離出風(fēng)口較近的位置，T1和T2附近的小孔幾乎沒(méi)有空氣流過(guò)，其主要是靠裝置壁面向外界散熱，故溫差較?。划?dāng)孔密度減小時(shí)，參與空氣流動(dòng)的小孔向遠(yuǎn)離出風(fēng)口的位置延伸，T2位于中軸線上，距出風(fēng)口比T1近，使得T2附近的小孔中空氣流量大于T1附近的小孔，所以480孔時(shí)T1和T2溫差加大.

由于480孔試驗(yàn)室環(huán)境溫度較低，使得裝置上表面對(duì)外散熱速度加快，溫度降低，對(duì)比圖4(a)和圖5(a)可以看出，裝置上表面溫度與出風(fēng)口溫度相較900孔時(shí)更接近.

4.2 不同加熱功率下的穩(wěn)態(tài)溫度分布試驗(yàn)

當(dāng)裝置在不同加熱功率條件下，各測(cè)點(diǎn)的穩(wěn)定溫度分別列在表2中，與表2對(duì)應(yīng)的風(fēng)流量是21.8 kg/h，孔密度為30 cm×30 cm，共計(jì)900個(gè)孔. 可見(jiàn)隨加熱功率的增加，各測(cè)點(diǎn)達(dá)到平衡后溫度整體呈上升趨勢(shì)，且增幅逐漸降緩，環(huán)境溫度對(duì)各測(cè)點(diǎn)平衡溫度有重要影響，裝置對(duì)環(huán)境的散熱損失取決于裝置與環(huán)境的溫差，這也是造成表2中50和100 W各測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)值變化異常的主要原因.

表2 各測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定溫度

在不同功率加熱的情況下，裝置進(jìn)出口空氣的溫差隨加熱功率的變化如圖6所示.

空氣進(jìn)出口的溫差體現(xiàn)了空氣對(duì)加熱量的接收效率. 從圖6可以看出，加熱功率越大，空氣進(jìn)出口的溫差也越大，基本反映了實(shí)際情況.

為了準(zhǔn)確地了解裝置的散熱及空氣的得熱情況，將試驗(yàn)中系統(tǒng)的得熱與失熱情況進(jìn)行初步計(jì)算，結(jié)果如表3所示.

從表3可以看出隨著加熱功率的增加，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后裝置進(jìn)、出風(fēng)口溫差增大，有用功率增加，但是熱損失也隨之增加，整個(gè)裝置的效率隨著加熱功率的增加而降低. 這是因?yàn)榧訜峁β试黾雍?，裝置內(nèi)部溫度增加，使得裝置和外界環(huán)境的輻射換熱量增大，增大了熱損失，造成裝置熱效率降低.

表3 裝置的得熱與失熱情況

4.3 變風(fēng)速試驗(yàn)

改變系統(tǒng)的通風(fēng)速率，在其他條件不變的情況下，得到在相同加熱功率下不同風(fēng)速時(shí)各點(diǎn)的溫度分布. 依然假設(shè)太陽(yáng)輻照度是大約1 000 W/m2，即在試驗(yàn)中選擇加熱功率為90 W. 幾個(gè)典型溫度測(cè)點(diǎn)的溫度隨裝置出風(fēng)口空氣流速v的變化如圖7所示.

對(duì)于本試驗(yàn)裝置熱平衡方程可以近似為加熱量等于空氣對(duì)流換熱量與裝置散熱損失的和.

由圖7可以看出，隨著風(fēng)速的升高，裝置內(nèi)部溫度降低，這是因?yàn)樵黾语L(fēng)速提高了對(duì)流換熱系數(shù)，使得裝置溫度降低；隨著風(fēng)速的升高，空氣的質(zhì)量流量qm增加(與風(fēng)速成正比)，對(duì)流換熱量也增加(與風(fēng)速的1/2次方成正比)，熱損失減小，由于質(zhì)量流量的增速大于對(duì)流換熱量的增速，因此裝置進(jìn)出口溫差減小，與試驗(yàn)結(jié)果吻合.風(fēng)速增加導(dǎo)致裝置溫度降低后，熱損失減小，效率增加.

由圖7可以看出，隨著風(fēng)速的減小，各測(cè)點(diǎn)溫度和溫差的變化率也逐漸減小，這是由于風(fēng)速減小裝置的溫度升高，散熱損失增加，其中輻射散熱損失迅速增加(和溫度的4次方成正比)，使得裝置溫度變化率逐漸減小.

5 實(shí)際天氣條件下的試驗(yàn)

將試驗(yàn)裝置中的電加熱片換為吸熱片，貼在CPC的底部，在實(shí)際天氣條件下進(jìn)行裝置熱特性測(cè)試. 試驗(yàn)裝置與室內(nèi)測(cè)試時(shí)基本相同，為了避免環(huán)境中空氣流動(dòng)對(duì)出口風(fēng)速測(cè)量時(shí)的影響，將風(fēng)速儀的測(cè)量位置移到風(fēng)筒內(nèi). 通過(guò)室內(nèi)熱特性試驗(yàn)可知底板開孔480時(shí)的溫度分布較均勻，故室外試驗(yàn)也采用480孔. CPC的擺放保證其軸向?yàn)槟媳狈较?，裝置內(nèi)熱電偶的布置如圖8所示，T10為環(huán)境溫度.

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采樣時(shí)刻為9：00AM-17：00PM，經(jīng)過(guò)分析可知試驗(yàn)中裝置內(nèi)的最高溫度出現(xiàn)在離出風(fēng)口較遠(yuǎn)的T3和T9處，裝置內(nèi)各測(cè)點(diǎn)平均溫度接近T6，將上述幾個(gè)典型測(cè)點(diǎn)溫度、進(jìn)出風(fēng)口溫度及輻照度隨時(shí)間的變化如圖9所示.

由圖9可以看出，輻照值在一天內(nèi)先增大后減小，大約在12∶30達(dá)到最大值，環(huán)境溫度隨著輻照的增大而增大，最大值滯后于輻照值，大約出現(xiàn)在15∶00.14：00之前，裝置內(nèi)的最高溫度出現(xiàn)在T9，而在14:00之后裝置內(nèi)的最高溫度出現(xiàn)在T3，這是因?yàn)樵囼?yàn)測(cè)試當(dāng)天14：00之前環(huán)境風(fēng)速較大，從而增大裝置與環(huán)境對(duì)流換熱系數(shù)，使得T3處的熱損失遠(yuǎn)大于T9處，故T9處溫度較高. 14:00之后環(huán)境風(fēng)速變小，使得T3與T9的熱損失減小，由于T9距離出風(fēng)口更近，故溫度低于T3.

根據(jù)風(fēng)速儀對(duì)裝置內(nèi)空氣流量的測(cè)定，計(jì)算裝置對(duì)空氣的加熱效率，將結(jié)果與裝置接收的輻照相比較，如圖10所示. 由圖10可以看出，裝置對(duì)空氣的加熱功率變化趨勢(shì)與輻照度的變化趨勢(shì)接近，但由于裝置透過(guò)率是先減小后增大，中午透過(guò)率最小，吸收率最高，使得整個(gè)裝置在中午時(shí)熱量利用率最高.

6 結(jié) 論

對(duì)新型光伏-熱通風(fēng)裝置進(jìn)行了室內(nèi)穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)，通過(guò)改變加熱功率、風(fēng)速及底板通風(fēng)孔個(gè)數(shù)，分析不同工況下裝置的熱特性，結(jié)果表明：出風(fēng)口溫度和裝置內(nèi)最高溫度隨著加熱功率的增加而增加.減少底板孔數(shù)后裝置內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫差變小，溫度分布更均勻；加熱功率恒定的情況下，隨著風(fēng)速的降低，裝置內(nèi)部溫度升高，各測(cè)點(diǎn)溫度及溫差的變化率也逐漸減小，裝置效率降低.

對(duì)新型光伏-熱通風(fēng)裝置進(jìn)行室外實(shí)際天氣條件下性能試驗(yàn)，裝置對(duì)空氣的加熱功率變化趨勢(shì)與輻照度的變化趨勢(shì)接近，但由于裝置透過(guò)率是先減小后增大，中午透過(guò)率最小，吸收率最高，使得整個(gè)裝置在中午時(shí)熱量利用率最高.

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(責(zé)任編輯：孫竹鳳)

Experiment Research on Thermal Characteristic of the PV-T Aerator

FENG Chao-qing1，2，ZHENG Hong-fei2，WANG Rui2

(1.College of Energy and Power Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot, Inner Mongoliar 010051，China; 2.School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China)

A novel PV-T (photovoltaic/thermal) aerator was presented and the CFD (computational fluid dynamics) simulation was taken to compare two kinds structure of device, that air flow from bottom inlet or beside inlet. Simulation results show that bottom inlet can decrease the inner temperature of PV-T device and make the temperature well-distributed in PV surface. A steady state experiment was taken in room for the PV-T aerator. Thermal characteristic about the PV-T aerator was analyzed under different heating power, different air flow rate and different number of hole in the bottom cover. The indoor experiment results show that with the increasing of heat power, the inlet and outlets’ wind temperature of steady-state is rising, the useful power increases; meanwhile, the heat loss is rising. The air heating efficiency of the device is decreasing with the increase of heating power. The temperature distribution in the PV-T aerator becomes uniform when the number of hole decreases. The results in experiments at different air flow rates show that air heating efficiency increase with the air flow rate increase. Outdoor experiment was completed under the real sky. It shows that the variation tendency of heating power close to the solar irradiance, the heating power of whole device has the highest utilization rate at noon.

PV-T utilization; aerator; thermal characteristic; experiment research

2015-02-08

國(guó)家“八六三”計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA102407-2)；內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016BS0505)

馮朝卿(1981-)，女，博士，講師，E-mail：fchaoqing@163.com.

鄭宏飛(1962-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：hongfeizh@bit.edu.cn.

TK 513

A

1001-0645(2016)07-0684-06

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.07.005