【摘 要】
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随着能源短缺和环境污染问题日益突出,大力发展清洁能源利用技术对我国实现碳中和目标具有重大意义。太阳能光伏光热综合利用（Photovoltaic/thermal,PV/T）技术是将太阳能发电技术和太阳能光热技术相结合,可以带走光伏电池余热供给用户使用,并有效降低光伏电池表面的温度,提高光伏系统发电效率和太阳能的综合利用率。近年来,国内外学者对太阳能PV/T集热器性能展开广泛研究,较好阐明了集热器的能
【基金项目】
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国家重点研发计划项目,户用太阳能光伏光热综合利用清洁供暖技术研究（编号:2018YFD1100701-05）；
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随着能源短缺和环境污染问题日益突出,大力发展清洁能源利用技术对我国实现碳中和目标具有重大意义。太阳能光伏光热综合利用（Photovoltaic/thermal,PV/T）技术是将太阳能发电技术和太阳能光热技术相结合,可以带走光伏电池余热供给用户使用,并有效降低光伏电池表面的温度,提高光伏系统发电效率和太阳能的综合利用率。近年来,国内外学者对太阳能PV/T集热器性能展开广泛研究,较好阐明了集热器的能量传递过程,提出了集热器结构参数和运行调节控制优化措施。但需注意的是,现有太阳能PV/T集热器主要以水或空气作为单一冷却介质,在运行过程中仍然存在部分不足。夏季由于建筑对于热空气的需求较少,因此PV/T空气集热器空冷系统通常处于闲置状态;而对于PV/T水冷集热器,当太阳辐射较强时,光伏电池温度过高导致光电转换效率下降的问题也普遍存在。部分研究虽然提出了双通道太阳能PV/T集热器,但不同季节工况下仍然分别以水或空气作为冷却介质单独运行。针对上述问题,课题组之前提出了一种新型的空气/水双流道PV/T集热器,并对集热器结构参数进行了初步的设计优化研究。该集热器在玻璃盖板与光伏电池之间增设空气冷却流道,可同时利用空气与水对集热器进行冷却,并可实现多种运行工况下不同形式的热能输出。作为后续研究,本文对空气/水双流道PV/T集热器性能展开了进一步深入的研究。首先,针对双流道PV/T集热器能量传递特征与光热转换过程,建立了二维非稳态能量传递数学模型,采用MATLAB软件对模型进行了编程求解;在某寒冷地区城市搭建了PV/T集热器性能测试平台,并以冬季某日集热器全天运行参数监测数据验证了能量传递数学模型的可靠性;考虑双流道PV/T集热器运行特点和光伏光热的能源品位差异,确定集热器光热/光伏以及综合性能评价指标;在此基础上,针对三个不同城市地区的气候特征和太阳辐射强度水平,通过模拟对比了不同季节工况下水冷型PV/T集热器以及空气/水双流道PV/T集热器性能,并分析了空气流量和水流量等运行参数对双流道PV/T集热器性能的影响,提出了集热器优化运行的方案建议;最后,对应用于不同城市地区的双流道PV/T集热器在空气流量和水流量等运行参数一致情况下的性能表现进行了对比,进一步研究了不同气候条件及辐照强度对双流道PV/T集热器性能的影响,并对双流道PV/T集热器的地区适应性特征进行了阐述。研究结果表明,在所研究工况下,当水流量相同时,双流道PV/T集热器电效率始终高于水冷型PV/T集热器,但双流道PV/T集热器的出水温度总是低于水冷型PV/T集热器出水温度;随着水流量的减少和空气流量的增大,双流道PV/T集热器与水冷型PV/T集热器电效率差值增大;当水流量较低时,双流道PV/T集热器热效率高于冷型PV/T集热器,且随着空气流量的增加,两者热效率差值增大;随着水流量的增大,双流道PV/T集热器水侧得热量减少,而空气得热量有所增加,不同工况下集热器的热效率值取决于集热器总得热量的变化;当水流量为0.01kg/s,空气流量在0.09kg/s,不同集热器的综合性能效率差值最大;西宁、太原和昆明地区不同集热器的综合性能效率最大差值分别为6.8%、6.0%和3.9%,且均出现在夏季工况。增加空气流量和水流量均会降低双流道PV/T集热器的出水温度、空气出口温度以及吸热板温度,且水流量的变化对空气出口温度的影响更为明显;水和空气流量越小,流量增加所导致的集热器相关运行参数温度下降的速率越快;增加水流量和空气流量均可提高双流道PV/T集热器综合性能效率;室外温度（即空气入口温度）越低,空气流量的增加对双流道PV/T集热器光电性能提升作用越显著;而当水流量的增加超过一定值后,空气流量的增大会反而会降低双流道PV/T集热器综合性能效率,且出口水温和空气温度较低,难以满足建筑需求。因此,对于西宁、太原和昆明地区,双流道PV/T集热器推荐水流量上限值分别为0.06kg/s、0.03kg/s和0.02kg/s。在不同城市地区应用时,双流道PV/T集热器性能表现有所不同。在光热效率方面,双流道PV/T集热器在太原地区应用时光热效率最高;冬季和夏季工况下,当水流量为0.01kg/s,空气流量为0.09kg/s时,太原地区双流道PV/T集热器光热效率达到最大值,分别为54.3%和55.3%。在光电效率方面,冬季和夏季工况下双流道PV/T集热器分别应用于西宁和昆明地区时光电效率最高,最高值分别为16.6%和14.7%。双流道PV/T集热器在太原地区应用时,综合性能表现最佳,与其他两个城市地区相比,综合性能效率提高了7.8-16.4%。本文的研究结果可以为双流道PV/T集热器在不同地区应用时的优化设计和运行控制提供参考,有助于提高集热器的综合性能效率。
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