黃楠興，蔡 陽，2，洪炳華，向振宇，趙福云

(1.暨南大學 能源電力研究中心，廣東 珠海 519000； 2.華南理工大學 亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣東 廣州 510640； 3.武漢大學 動力與機械學院，湖北 武漢 430072)

隨著中國城市化進程加快和人民生活水平的逐步提高，生活垃圾產(chǎn)量隨之增加。其中餐廚廢棄物所占比例日漸上升，占城市生活垃圾的37%～62%[1]。餐廚垃圾在炎熱的夏季極易變質(zhì)、腐爛、發(fā)酵、甚至滋生大量有害病菌和產(chǎn)生惡臭氣體，對人造成系列疾病，因此對惡臭氣體的處理十分重要。吳爽[2]總結(jié)了臭氣的控制技術(shù)主要有活性炭吸附法、吸收法、燃燒法、冷凝法、膜分離法等，提出了要從源頭控制及末端治理方面控制惡臭氣體的產(chǎn)生。寧祉愷等[3]得出在15～55 ℃的溫度內(nèi)，餐廚垃圾溫度越高其發(fā)酵產(chǎn)氣率越高。因此，通過降低垃圾車車廂溫度的手段能夠減少垃圾產(chǎn)氣量，進而實現(xiàn)減少惡臭氣體對人們健康危害和對環(huán)境的污染。

熱電制冷技術(shù)利用熱電半導體帕爾貼效應(yīng)，其散熱方式會影響其性能，吳雷等[4]總結(jié)了熱電制冷散熱方式；丁露等[5]總結(jié)了熱電材料的長度、冷熱端橫截面積比以及材料特性對熱電制冷片制冷性能的影響；蔡陽等[6]分析了制冷片工作電流、散熱熱阻和新風流量的影響；聶雪磊等[7]提出了通過提高TEC制冷片的制冷量和強化銅散熱片的散熱能力來降低冷凝器的溫度。通過熱電制冷技術(shù)來調(diào)控環(huán)衛(wèi)垃圾車車廂的溫度進而降低垃圾的產(chǎn)氣率。

光伏發(fā)電是當前最主要的太陽能利用方式之一，Dallan B S等[8]說明當光照充足時，光伏組件積聚的過多熱量使組件溫度升高，從而減弱光電效應(yīng)；殷二帥等[9]說明通常晶體硅電池溫度每升高1 ℃，其光電轉(zhuǎn)換效率隨之下降了3%～5%；Saidov M S[10]說明了過高的溫度則會縮短光伏電池的壽命。相變材料(PCM)是利用其在物態(tài)變化的過程來吸收和釋放熱量，蘭康等[11]驗證了光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合相變材料能夠降低光伏組件溫度并提升其發(fā)電量；朱麗等[12]研究結(jié)果表明PV-PCM應(yīng)當選擇相變溫度低的材料作為相變材料。通過添加相變材料能夠提升光伏組件的性能，熱電制冷結(jié)合光伏發(fā)電能夠使控溫系統(tǒng)自給自足。

本文提出一種面向垃圾轉(zhuǎn)運過程被動式控溫發(fā)電系統(tǒng)，通過光伏發(fā)電、熱電制冷、相變蓄熱及通風道換熱控制車廂內(nèi)部溫度，有效降低垃圾的溫度，進而減少垃圾發(fā)酵產(chǎn)生有害氣體。本文采用COMSOL5.5對上述被動式控溫發(fā)電系統(tǒng)開展模擬研究，分析1 d內(nèi)車廂內(nèi)部溫度的變化，得到系統(tǒng)的最佳制冷片電流、通風道風速以及通風道厚度。證明了被動式控溫發(fā)電系統(tǒng)對車廂內(nèi)部溫度控制效果的可行性。

1 被動式控溫發(fā)電系統(tǒng)原理及分析

1.1 被動式控溫發(fā)電系統(tǒng)原理

被動式控溫發(fā)電系統(tǒng)包括光伏組件、熱電組件、相變材料以及通風道系統(tǒng)。該系統(tǒng)頂部的光伏發(fā)電模塊由玻璃板、EVA黏合劑、多晶硅太陽能電池、EVA黏合劑、泰德拉薄膜5層構(gòu)成。熱電制冷模塊則由導熱的頂層和底層基板、以銅電極連接的P型和N型半導體構(gòu)成。首先，陽光透過玻璃和上層EVA黏合劑照射在多晶硅太陽能電池上，一部分太陽能則轉(zhuǎn)化為熱量，積聚的熱量導致多晶硅太陽能電池溫度升高，相變材料通過其潛熱特性吸收由光伏組件傳遞的熱量減緩光伏組件溫度上升并與通風道的空氣進行自然對流散熱，其次部分熱量會通過通風道傳遞至熱電制冷片。最后在熱電制冷片的作用下，下層的相變材料溫度下降，下層利用相變材料的相變潛熱起蓄冷的作用，用于減緩內(nèi)部溫度的波動，如圖1所示。

圖1 被動式控溫發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of passive temperature controlled power generation system

1.2 被動式控溫發(fā)電系統(tǒng)多場建模分析

1.2.1 光伏組件

用環(huán)境溫度近似求出天空溫度[13]，公式為：

Tsky?Ta-6

(1)

式中，Ta為環(huán)境溫度；Tsky為天空溫度。

光伏模塊的頂部與環(huán)境存在對流換熱，其對流換熱系數(shù)與環(huán)境風速有關(guān)，在模擬條件下[14]：

h=5.82+4.07u

(2)

式中，h為光伏模塊表面的對流換熱系數(shù)；u為環(huán)境風速。

組件各層的體積發(fā)熱量為：

(3)

式中，ηc為光伏組件的轉(zhuǎn)換效率；G為對應(yīng)層所受到的光照強度；α為對應(yīng)層的吸收率；A為對應(yīng)層的面積；V為對應(yīng)層的體積。

1.2.2 熱電組件

熱電發(fā)電機由以下控制方程控制：

(4)

熱電制冷片功率為：

PTEC=I2Rm

(5)

式中，Rm為制冷片的內(nèi)阻；I為電流。

發(fā)電系數(shù)為：

(6)

式中，PPV為光伏組件輸出功率。

過熱系數(shù)為：

(7)

式中，t1為時間；T1為車廂內(nèi)部溫度；t為總時間。

1.3 車廂內(nèi)擾對系統(tǒng)的影響

被動式控溫發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計需要考慮車廂內(nèi)擾對系統(tǒng)性能的影響，包括垃圾中微生物發(fā)酵、及裝載垃圾時的影響。選取車廂內(nèi)擾動為10 W/m2。

1.4 模型驗證

本模型采用有限元數(shù)值計算方法，網(wǎng)格的劃分對結(jié)果的精度、運行時間產(chǎn)生較大的影響。對模型進行獨立性驗證見表1。

表1 網(wǎng)格獨立性驗證Tab.1 Grid independence verification

通過對比單元數(shù)量與結(jié)果之間的影響以及求解速度，采用網(wǎng)格數(shù)為96 058的模型精度來進行求解。

在標準工作條件下，光伏組件沿z軸方向的溫度呈先增大后減小的趨勢，且在光伏組件處達到最大溫度值，將光伏組件在z軸方向的溫度分布與文獻進行對比得出，最大的溫度誤差約為0.04 K，如圖2所示。

圖2 標準測試條件下沿厚度z軸方向的溫度分布對比Fig.2 Comparison of temperature distribution along z-axis of thickness under standard test conditions

2 系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)特性及環(huán)境參數(shù)

2.1 系統(tǒng)模型參數(shù)

被動式控溫發(fā)電系統(tǒng)具體幾何參數(shù)及物性見表2、表3。

表2 光伏發(fā)電模塊Tab.2 Photovoltaic power generation module

表3 相變材料TH-HC-28及TH-HC-49Tab.3 Phase change materials TH-HC-28 and TH-HC-49

2.2 環(huán)境參數(shù)

光照強度及環(huán)境溫度變化趨勢如圖3所示，環(huán)境溫度在8：00時最低，15：00時最高，為299.5～304.9 K。光照強度在8：00—12：00呈現(xiàn)上升趨勢，然后逐漸下降[15]。

圖3 光照強度及環(huán)境溫度參數(shù)Fig.3 Light intensity and ambient temperature parameters

2.3 溫度與產(chǎn)氣率關(guān)系

餐廚垃圾厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣速率與其環(huán)境溫度密切相關(guān)，在環(huán)境溫度為15～55 ℃時，環(huán)境溫度越高，其垃圾產(chǎn)氣速率越高，其中在55 ℃達到最大值為560 mL/(g·d)(圖4)[3]。

圖4 餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣速率與溫度的擬合Fig.4 Fitting of gas production rate and temperature in anaerobic fermentation of food waste

3 結(jié)果與討論

3.1 制冷片電流對系統(tǒng)控溫效果的影響

通過模擬不同制冷片電流下系統(tǒng)內(nèi)部溫度變化情況，選取不同制冷片電流(0.025～0.300 A)，結(jié)果如圖5所示。

圖5 車廂內(nèi)部溫度隨制冷片電流的變化Fig.5 Change of temperature inside compartment with current of refrigeration slice

由圖5可知，制冷片電流為0.025 A時，車廂內(nèi)部溫度大于301.9 K，相變材料全部熔化，潛熱無法存儲更多熱量，在12：00時車廂內(nèi)部溫度迅速升高。當制冷片電流從0.025 A增大至0.2 A時，車廂內(nèi)部最高溫度不斷減小，在制冷片電流為0.2 A時，車廂內(nèi)溫度達到最低值。當制冷片電流大于0.1 A時，車廂溫度并不會發(fā)生突變，即相變材料并不會完全熔化，而保有一定的潛熱進行儲熱。因此，被動式控溫發(fā)電系統(tǒng)的制冷片電流至少大于0.1 A才能使車廂內(nèi)部溫度維持在一定范圍內(nèi)。當制冷片電流為0.2 A時，系統(tǒng)擁有最好的控溫效果。

制冷片制冷系數(shù)及消耗功率隨制冷片電流的變化如圖6所示。

由圖6可知，隨著制冷片電流的增大，消耗的功率不斷增大，焦耳熱不斷增大，使制冷系數(shù)不斷降低。在0.2 A電流下，其制冷系數(shù)為0.876 4，總消耗功率為11.0 W，在0.3 A電流下，其制冷系數(shù)為0.293 1，總消耗功率為25.2 W?？紤]制冷系數(shù)、制冷片消耗功率與車廂內(nèi)部溫度，其制冷片的最佳工作電流為0.2 A。

圖6 制冷片制冷系數(shù)及消耗功率隨制冷片電流的變化Fig.6 Variation of refrigerating coefficient and power consumption of refrigeration slice with current of refrigeration slice

3.2 通風速率對系統(tǒng)控溫效果的影響

通過模擬不同風速的環(huán)境下車廂內(nèi)部溫度的變化情況，選取風速為0.25～2.50 m/s，結(jié)果如圖7所示。

圖7 車廂內(nèi)部溫度隨通風道風速的變化Fig.7 Variation of interior temperature of carriage with wind speed of ventilation duct

由圖7可知，風速為0.25 m/s時，通風道空氣帶走的熱量較少，相變材料迅速升溫直到全部熔化，相變材料的潛熱無法存儲更多的能量。因此，在10：00時，車廂內(nèi)部溫度迅速升高。當風速逐漸增大時，通風道帶走的熱量增多，熱電制冷片熱端溫度降低，熱電制冷片的制冷效果增大，車廂內(nèi)溫度降低。當風速大于1 m/s時，增加風速對車廂內(nèi)部溫度影響越來越小，同時車廂內(nèi)部溫度降低，相變材料融化減少，不能很好地利用相變材料的潛熱特性。因此，對于控制環(huán)衛(wèi)垃圾車車廂內(nèi)部溫度來說，風速為1 m/s時最合適。

光伏輸出功率、制冷片消耗功率隨通風道風速)的變化如圖8、圖9所示。風速從0.25 m/s增大至2.50 m/s時，光伏組件的最大輸出功率從0.125 0 W提升至0.133 1 W，同時片消耗功率從0.106 3 W減低至0.100 1 W。這是由于風速增大，由式(2)可知，風速增大，其對流換熱系數(shù)增大，降低了光伏組件的溫度以及制冷片的溫度，使光伏組件的光電轉(zhuǎn)化效率提升同時降低了制冷片的內(nèi)阻，減少制冷片消耗的功率。由圖8、圖9可知，增大通風道風速對提升光伏組件的輸出功率與降低制冷片消耗功率的增益減小。

圖8 光伏輸出功率隨通風道風速的變化Fig.8 Variation of photovoltaic output power with wind speed of ventilation duct

圖9 制冷片消耗功率隨通風道風速的變化Fig.9 Variation of power consumption of refrigeration slice with wind speed of ventilation duct

3.3 被動控溫發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化方案評價方法

以車廂尺寸為6 800 mm×2 380 mm×3 050 mm的環(huán)衛(wèi)垃圾車為例，將系統(tǒng)布置在車廂外部其通風道厚度會影響系統(tǒng)的控溫效果、發(fā)電性能及車廂內(nèi)部容積。選取通風道厚度為0.5～3.0 mm，結(jié)果如圖10所示。當通風道厚度為0.5 mm時，車廂內(nèi)部的最高溫度為320.9 K，車廂內(nèi)部溫度在8：30左右迅速增大，這是由于光照強度的增大及環(huán)境溫度的增大，光伏組件未被利用的太陽能轉(zhuǎn)化為熱量，通過底部的相變材料和通風道傳遞至制冷片及車廂內(nèi)部，使其溫度上升。當通風道厚度增大，其空氣道的熱阻增大的同時空氣流量增大，使光伏組件傳遞至熱電組件的熱量減少，車廂內(nèi)部溫度上升量減少。但當通風道厚度增大至2.5 mm，光伏組件傳遞至熱電制冷片的熱量基本為0，此時增大通風道厚度無法降低車廂內(nèi)部溫度。

圖10 車廂內(nèi)部溫度隨通風道厚度的變化Fig.10 Variation of interior temperature of carriage with thickness of ventilation duct

不同通風道厚度環(huán)衛(wèi)垃圾車廂參數(shù)見表4。

表4 不同通風道厚度環(huán)衛(wèi)垃圾車廂參數(shù)Tab.4 Parameters of sanitation garbage carriage with different thickness of ventilation duct

由表4可知，在通風道厚度為0.5 mm時，其發(fā)電系數(shù)大于1(即光伏發(fā)電量不能滿足制冷片工作，需要外加電源)。車廂內(nèi)溫度較高，且車廂內(nèi)部過熱系數(shù)大，垃圾發(fā)酵產(chǎn)氣量大，垃圾的平均產(chǎn)氣率達367 mL/(g·d)。在通風道厚度小于2 mm時，增大通風道厚度能夠提升光伏組件輸出功率、降低車廂內(nèi)部溫度進而減小有害氣體產(chǎn)生的速率，在通風道厚度大于2.5 mm時，光伏輸出功率、車廂內(nèi)部溫度均沒有較大的變化，且過熱系數(shù)為0(即車廂內(nèi)的相變材料未完全熔化，保有一定的潛熱能力)，垃圾產(chǎn)氣速率變化較小，而通風道厚度增大會減少部分車廂容積。因此，對于裝配在垃圾車的被動式控溫發(fā)電系統(tǒng)來說，通風道厚度為2.5 mm最合適。

4 結(jié)論

本文建立了面向垃圾轉(zhuǎn)運過程被動式控溫發(fā)電系統(tǒng)模型，得到了被動式控溫發(fā)電系統(tǒng)的最佳制冷片電流、通風道風速及系統(tǒng)優(yōu)化方案評價方法。

(1)在一定范圍內(nèi)，增大制冷片電流能夠加強被動式控溫發(fā)電系統(tǒng)的控溫效果。制冷片電流增大，制冷效果增大，同時電流增大導致產(chǎn)生焦耳熱增多，當電流大于0.2 A時制冷效果開始下降，考慮制冷系數(shù)COP、制冷片消耗功率及車廂內(nèi)部溫度，對于被動式控溫發(fā)電系統(tǒng)來說，最佳制冷片電流為0.2 A。

(2)風速增大能夠提升被動式控溫發(fā)電系統(tǒng)的控溫效果、發(fā)電性能同時減少制冷片消耗的功率。當風速從0.25 m/s提升至2.50 m/s時，車廂內(nèi)最高溫度從309.20 K降低至299.90 K，制冷片消耗功率從0.106 3 W降低至0.100 1 W，光伏輸出功率從0.125 0 W提升至0.133 1 W。對于被動式控溫發(fā)電系統(tǒng)來說，最佳風速為1 m/s。

(3)通風道厚度影響系統(tǒng)的車廂的容積和整體性能。隨著通風道厚度從0.5 mm增大至3.0 mm，車廂內(nèi)部的平均溫度從316.02 K逐漸降低至299.29 K，最后趨于平穩(wěn)。同時，系統(tǒng)的發(fā)電系數(shù)也逐漸降低最后趨于一個常值。當通風道厚度為1.0 mm時，該系統(tǒng)能夠進行發(fā)電而不需要外加電源。當通風道厚度大于2.5 mm時，車廂的過熱系數(shù)為0，能夠更加有效地控制垃圾的產(chǎn)氣率。以過熱系數(shù)與發(fā)電系數(shù)是評價系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理的標準，對于被動式控溫發(fā)電系統(tǒng)來說，最佳通風道厚度為2.5 mm。

本文對被動式控溫發(fā)電雙效系統(tǒng)進行仿真分析，以過熱系數(shù)與發(fā)電系數(shù)作為評價系統(tǒng)標準，得到了系統(tǒng)最優(yōu)的制冷片最佳電流為0.2 A、通風道最佳厚度為2.5 mm，且系統(tǒng)發(fā)電系數(shù)小于1、過熱系數(shù)為0，能夠完成自我供應(yīng)并產(chǎn)生額外的電能，具有良好的控溫效果。