【摘 要】
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太阳能光伏/光热综合利用技术（Photovoltaic/thermal,PV/T）是将独立的光伏组件与集热模块相结合,通过空气、水等冷却工质吸收光伏电池的热量以提高组件的电能输出,其光电光热一体化的设计方案具有高效率、多功能、低成本等优势。然而受到地理位置、环境因素等条件的影响,PV/T技术在使用过程中也存在不足。例如,水冷型PV/T集热器铜管内的存水在冬季低温环境中易结冰,从而导致管路或集热器损
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太阳能光伏/光热综合利用技术（Photovoltaic/thermal,PV/T）是将独立的光伏组件与集热模块相结合,通过空气、水等冷却工质吸收光伏电池的热量以提高组件的电能输出,其光电光热一体化的设计方案具有高效率、多功能、低成本等优势。然而受到地理位置、环境因素等条件的影响,PV/T技术在使用过程中也存在不足。例如,水冷型PV/T集热器铜管内的存水在冬季低温环境中易结冰,从而导致管路或集热器损坏;空冷型PV/T集热器的采暖功能在非采暖季往往被闲置,集热器内部过高的温度使得系统光电转化效率降低,影响光伏电池的寿命。不仅如此,目前PV/T系统针对光伏组件的冷却形式大多仅有一种,而有关将空气、水两种冷却工质共同构成的双冷型PV/T一体化组件还少有涉及。并且,学者们提出的空冷型PV/T多为单风道结构,空气未能与吸热板充分换热,出口温度往往达不到设计预期。针对上述问题,本文提出一种空气/水双冷型PV/T一体化组件,双层空气流道内布置平行翅片用于提高空气与吸热板间的传热系数。组件可根据气候条件和用户需要,选择水冷、空冷或空气-水复合冷却三种工作模式,有效改善了单工质PV/T系统使用上的局限性,满足季节性用热需求的同时实现了太阳能全年的高效利用。为此,全文所做的研究工作如下:（1）设计并制造了空气/水双冷型PV/T一体化组件,基于PV/T组件的三种工作模式,搭建了两套实验平台,用于测试双冷型PV/T一体化组件在不同工作模式、不同流量工况下的工作性能。（2）对PV/T组件的空冷模式、水冷模式、空气-水复合冷却模式及变流量工况下的性能表现进行了实验研究,并结合热力学第一定律与热力学第二定律分析PV/T组件的电热特性及综合性能。结果表明,随着空气与水质量流量的增加,三种冷却模式的光电光热转化效率及综合效率均得到提升,空冷、水冷、复合冷却模式下PV/T组件综合效率分别可达76.05%、74.51%、84.83%。此外在空气-水双工质作用下,组件的冷却效果更佳,吸热板温度较无工质冷却组件降低39.43℃,明显高于空冷、水冷模式所对应吸热板温度降低的幅度。（3）利用ANSYS分别构建了PV/T组件不同工作模式下的三维模型,通过数值模拟得到组件的流动传热特性及温度云图分布,并将模拟结果与实验数据进行对比验证。结果显示,空冷、水冷、空气-水复合冷却模式的模拟结果与实验数据的平均相对误差分别为0.68%、0.75%、3.27%,模型的准确性及可信度较高。（4）采用已得到实验验证的数值模型,模拟分析流量、温度、辐照强度等外界参数对PV/T组件运行性能的影响。模拟显示,三种冷却模式下增大进口工质质量流量、环境温度、辐照强度等参数,有利于提升PV/T组件的综合性能。提高进口工质温度,PV/T组件的电热效率、综合效率则呈下降趋势;空冷模式、复合冷却模式下增设双风道翅片式结构增强了工质与PV/T组件的换热效果,组件综合效率相对单风道无翅片结构分别提升9.51%、6.39%;对于复合冷却模式,单一的提高空气流速,空气集热效率上升,水集热效率出现下降;单一的增大水流量,水与空气集热效率呈现负相关。但整体而言,提高单个工质的质量流量,PV/T组件的总热效率、综合效率均得到提升。图[62]表[26]参[76]
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